并联机器人的设计说明书大学毕设论文

北华航天工业学院毕业论文PAGEPAGE4北华航天工业学院毕业论文摘要机器人尤其是并联机器人的设计是机器人领域复杂而困难的课题。本论文建立了并联机器人的物理模型，详尽探讨了机器人的工作空间，给出了可达工作空间的计算方法，并通过对工作空间的位置分析和运动分析，得出了最佳的连杆长度和机构的运动空间的关系。并联机器人由于结构的限制不容易实现灵活工作空间，针对这一特性，文中提出了并联机器人的灵活度和灵活空间等性能指标的概念。最后本文系统的论述了步进电动机的选用和硬件电路的设计，并给出了步进电动机的控制程序。空间模型是实现机器人机构计算机辅助设计的有效途径，因此本论文的研究对设计者设计并联机器人机构和开发这些并联机器人机构的计算机辅助设计软件有着重要的科学意义和明显的应用价值。关键词：物理模型硬件电路并联机器人AbstractThedesignofmanipulators,especiallytheparallelmanipulators,isoneofthechallengingproblemsintheroboticfield.Inthisthesis,thephysicalmodelsofthesolutionspaceforsomeparallelmanipulatorsareplanarparallelmanipulators.Thethesisstudiestheworkspacesoftheparallelmanipulatorsindetail.Thenumericalmethodsforcalculatingtheworkspacesarepresentedthroughtheworkspaceandthelocationanalysisandmotionanalysis.Theconceptsofagilityandtheagileworkspaceforparallelmanipulatorsareproposedanddefined.Thephysicalmodelsofthesolutionspaceproposeausefulapproachforthecomputer-aideddesignofroboticmechanisms,theresultsandthetechniquesobtainedbythisthesisareveryusefulforthedesignoftheparallelroboticmechanismsandthedevelopmentofCADsoftware.Keywords:PhysicalModelHardwarecircuitParallelmanipulator目录TOC\o摘要 IAbstract II目录 1第1章绪论 31.1概述 31.2并联机器人的特点、发展过程、现状 41.3并联机器人综合的研究现状 71.4论文选题的意义 8第2章并联机器人机构及性能分析 92.1机器人系统自由度的分析 92.2机器人机构性能分析 102.2.1机器人机构描述 102.2.2位置分析 102.2.3性能评价指标 112.3尺寸设计 132.3.1最佳极位夹角的确定 142.3.2最佳连杆长度的确定 152.3.3其他参数的确定及尺寸设计结果 152.3.4并联机构活动空间及连杆尺寸的确定 162.4并联机构运动学仿真概述 162.5小结 17第3章步进电动机的选择及一级减速齿轮副的选择 183.1步进电机的特点 183.2步进电机的工作原理 183.3步进电机的控制 193.5一级减速齿轮副的选择 203.6小结 21第4章机器人控制系统的设计 214.1单片机概述 214.1.1单片机的发展情况 214.1.2单片机的结构 224.1.3单片机的应用 224.2芯片的选取原则和片脚结构 224.2.1.单片机的优点 224.2.2.MCS-51系列单片机8031 234.2.3.地址锁存器 234.2.4.三八译码器 244.2.5.程序存储器 244.2.6数据存储器 254.2.7.并行I/O口 254.3键盘显示电路 264.4硬件电路设计 274.4.1本设计硬件电路简介 2各芯片的地址计算 284.4.2本设计硬件电路图 284.5步进电机的控制程序 284.5.1.功能说明 284.5.2.控制程序 284.6小结 30第5章并联机构的运动学仿真 315.1有关内容介绍 315.1.1OpenGL介绍 315.1.2计算机辅助设计简介 335.1.3编程软件C++Builder简介 345.2仿真程序的设计流程及实现 345.2.1需求分析 345.2.2总体设计过程及思想 345.2.3每一模块的功能及实现 355.3动态仿真动画的实现 375.3.1OPenGL的工作场景设置 375.3.2并联机构三维模型的建立 395.3.3模型的渲染 395.3.4实时动态仿真的实现 405.4仿真实现 405.5本章小结 40结论 41致谢 42参考文献 43附录 44第1章绪论1.1概述人类的历史就是不断认识世界和改造世界的历史，是生产力发展的历史。在生产力发展过程中，生产工具的发展起了重要的作用。从瓦持发明蒸汽机以后、开始了产业革命，由于蒸汽机把热能转变为巨大的机械能，从而代替了人力。从机械的角度看，蒸汽机是应用了一个滑块曲柄机构，将往复运动变为旋转运动，仅仅这一种变化的运动模式．就给生产力以巨大的推动。很早以来，人类就幻想能有一种拟人的机械，能实现如人的手、脚一样的灵活自由的运动，能代替人从事各种非固定变化的复杂的劳动。早在15世纪霍美罗斯著的《伊利亚》一书中，就出现了“机器人”。后失16世纪的《黄金少女》、18世纪的《青铜巨人塔罗斯》都描写了机器人。在中国，三国时期的诸葛亮就发明了“木牛流马”，已能行走爬山，用来运送粮草支援战争。这种能在崎岖山路上行走、能适应复杂环境的机械，决非常规的只能执行一种固定的运动校式的机械所能胜任的，而是今天所说的步行机器人。l920年捷克作家查培克所著的《万能机器人》一书中一个强壮的机器人名队Robot，帮人干了许多体力劳动。现在Robot一词的英文含义就是“机器人”。随着生产力的发展这种梦想最终成为了现实。目前广泛使用的工业机器人的主体大都是一个似人手臂的机电系统，这类机器人属于串联机器人的范畴。如果要移动一个很重的箱子，人们习惯用两个手臂同时工作，这种几个运动链并行工作的概念应用到机器人上就产生了另一类机器人—并联机器人。并联机器人的拓扑结构中包含了一个或几个闭环，它由有一个或几个闭环组成的关节点坐标相互关联的机器人。与传统的串联机器人相比，并联机器人的主要特点为:(1)驱动装置可以安放在或接近机架的位置;(2)机器人的运动部分重量轻、速度高、动态性能好;(3)没有累积误差，其精度较高;(4)并联机器人往往采用对称结构，其各向同性好;(5)并联机器人的工作空间较小;(6)运动学反解简单，正解复杂;1.2并联机器人的特点、发展过程、现状并联机器人与串联机器人相比具有一些独特的性能，如刚度高、承载能力高、速度高、驱动电机在机架上而使活动构件的质量轻，它早已引起了国际上长期的关注，并给予了大量的研究。由于没有关节误差的累积，并联机器人往往被认为是高精度的机器人，因此并联机器人一般在高精度高刚度的领域应用。欧洲同步加速器辐射研究所研制的一台并联机器人，它能够在边长4分米的立方体工作空间内以lmm的精度放置500kg的载荷。在一些需要高精度、高刚度或者高速度而无须很大工作空间的应用领域，并联机器人机构越来越受到人们的青睐。飞行模拟器:把并联机器人机构应用为飞行模拟器，是并联机器人较早的应用。在并联机器人领域，"Stewart-Gough平台机构”几乎就是“飞行模拟器”的代名词。国际上有很多公司研制并联机构的飞行模拟器，如Frasca国际公司研制的MBBB0105型综合飞行训练装置，就是采用并联机构作为运动实现主体。德国跨国公司Daimler-Benz公司制造的Daimler-Benz超大型6-6六自由度Stewart型多媒体全真动态驾驶模拟器，在多媒体全真驾驶模拟器方面主导了世界领先水平的潮流。图1-1著名的Stewart平台机构图1-2基于Stewart平台的飞行模拟器图1-3多媒体全真动态驾驶模拟器虚拟轴数控并联机床:虚拟轴六自由度数控机床是并联机器人在制造业中的一个重要应用。与传统的数控机床相比，并联式加工中心结构简单，传动链短，刚度大，质量轻，切削效率高，成本低，特别是很容易实现六轴联动，因而能加工复杂的三维曲面。Giddlings&Lewis公司在1994年美国芝加哥IMTS'94博览会上推出的VARIAX虚拟轴机床，引起广泛的关注，被称为“21世纪的机床”，它在国内外已经成为研究热点。德国Mikromat公司的6X型并联机床是德国Fraunhofer机床和成形技术研究所为模具高速加工而开发的，该机床工作台尺寸为630x630mm,X,Y,Z行程均为630mm，两个转动自由度范围为300，主轴最高速度为lOm/s2。瑞士技术院机床与制造技术院和机器人院联手研制出了名为工WF的Hexaglide虚拟轴机床。国内外还有很多公司和院校在研究虚拟轴数控机床，如日本的本田公司基于铣削加工线的六条腿机床，Hexel公司、英国的Geodetic公司、意大利的COMAU机床公司和瑞典的NEOS机器人公司以及国内的清华大学、天津大学、哈尔宾工业大学和沈阳自动化所、东北大学等等。虚拟轴数控机床的可能应用前景还有:以蚂蚁啃骨头方式对大型构件进行加土或最后精整，灵活布置进行测量或装配和对实体模型进行数据采集或精修等等。微动机器人:在精密机械领域，如精密加工、医学和微电子机械等等，对多自由度精微运动的要求越来越多，这促使了机器人另一个新的应用领域—微动机器人的发展。微型组织、微型机械、微电子和微型光学领域促进了微系统、集成光学元件的发展，这些微小的高科技产品要求机器人能够以很高的精度(如典型的0.1fore)来操作并且装配微小元件。同时这些微动机器人机构必须是高精度机构，不仅要无摩擦和无滞后作用，而且需要结构紧凑、重量轻、刚度好。1962年，Ellis就建议采用并联而不是串联的压电陶瓷驱动微动机器人，之后，为了适应不同的应用领域，如生物工程学和微外科等，许多并联结构的微动机器人样机相继诞生。Stoughton介绍了由两个并联结构组成的微型机器人，每个并联机构由6个压电式元件组成;Hudgens和Tesar提出了一种并联的Stewart平台微型机器人;Lee采用一个移动和两个转动的并联机构来作为微动机器人的机构;哈尔滨工业大学用六自由度的并联机构研制成了压电陶瓷驱动六自由度并联微动机器人;燕山大学研制了并联式六自由度误差补偿器;北航提出了一种由一个平面3-RRR和一个空间并联3-RPS机构串联而成的微动操作的机器人和Delta型微动机器人。瑞士EPFL研制了并联六自由度微动机器人，该微动机器人由2自由度或多自由度的球面微电机通过压电式微传送器驱动，用于在集成光纤底片上定位一单模光纤。图1-4燕山大学高峰教授研制的卧式并联机床（在机构构型上具有我国自主的知识产权，清华、天大及哈工大的机床都是采用国外已有的构型）六维力和力矩传感器:由于智能化机器人的“触觉”和“力觉”可以借助于力传感器来实现，因此自七十年代以来，机器人关节(主要是腕关节)用的六维力与力矩传感器成为国内外学者研究的热点。在六维力传感器研究中，力敏感元件的结构设计是力传感器的关键核心问题，因为力敏感元件的结构决定力传感器的性能优劣。国内外有许多学者把并联机构的思想引用到六维力传感器的力敏感元件结构设计上来，如Kerr,Nguyen和Ferraresi以及国内北大的陈滨、华中理工大学熊有伦[ts,t6]分别研究了Stewart平台结构六维力传感器的设计。燕山大学首次提出用弹性铰链来替代球面副，使Stewart平台机构可设计成小尺寸，从而可使Stewart平台机构适用于机器人手腕和手指上的六维力传感器该设计思想实现了力传感器力敏感元件的一体化，即力敏感元件是非组装结构，从而提高了力传感器的灵敏度和精度。步行器的腿:在实际应用中，很多场合并不是需要实现六个自由度刚体的运动，如爬壁机器人的步行执行机构，仅仅需要两个或三个自由度。由于少自由度的并联机器人机构高刚度和动态性能好等特性，可以被用做步行器或爬壁机器人的腿。如日本Hirose&Yoneda实验室于1979年研制的PV-II四足步行器，就是采用平面两自由度五杆机构作为腿的执行机构，之后在八十年代该实验室研制的T工TAN系列四足步行器也都采用了并联机构作为步行机构。该实验室在1990-1994年研制的NINJA-I,N工NJA-II系列爬壁机器人是采用的具有三个自由度的3-RPS并联机构作为移动实现机构。另外并联机器人在要求力控制或者需要高速度运动的地方也得到了应用。总之，并联机器人是在那些需要结构刚度好、高动态性能、高精度或者需要电机靠近机架的场合有广阔应用前景。1.3并联机器人综合的研究现状并联机构的型综合问题在机构分析中是一个基本问题。河北工业大学的高峰教授通过研究机构的数综合，即研究在满足一定要求的机构自由度前提下，机构将由多少个运动副和多少个构件来组成。在数综合的基础上，可以获得在给定机构自由度的条件下，机构的构件数、运动副数以及具有不同运动副数的构件数目的关系，但是当已知数综合时，他们能够组成多少种机构的运动链，而这些运动链又能通过选择不同的原动件和机架而得到多少种机构，这就是机构的型综合。国内的黄真教授也比较详细的研究了这一问题。他从机构学的角度出发，通过研究机构的自由度、虚约束、公共约束，将并联机构的各个分支的运动副看作是单自由度的基本副，总结了各种并联空间机构。目前并联机构国内外研究比较多的是三自由度和六自由度，如平面三自由度，球面三自由度，3RPS机构，3TPS&1RT机构，DELTA机构，6SPS机构，6RTS机构等等，其中尤其是三自由度并联机构是很有前景的一类，不仅可以直接作为机器人本体机构应用，如作为微动机器人机构的空间3-RPS并联机器人机构和平面三自由度并联机器人机构回;作为灵巧眼的球面三自由度并联机器人机构网，以及做简单拿一放运动的工业应用的DELTA并联机器人机构;也可以作为部件应用，如作为机器人的关节;也有把若干三自由度并联机构串联起来应用的，如把空间3-RPS。图1-5燕山大学黄真教授研制的我国第一台并联机器人图1-6天津大学黄田教授研制的并联机床1.4论文选题的意义机器人的出现引起了很多学科和技术的变革，特别是对于设计和控制领域的影响是难以估量的。六自由度并联机床基本上是基于Stewart平台或者其变形结构开发的。六自由度并联机构最早应用于机床并引起大家的广泛关注。所以六自由度并联机床较多，但大多精度不高，所研制的样机大多属于早期的探索样机，近几年基于六自由度并联机构作为并联机床的结构的样机比较少。五自由度的并联机器人机构最适合作为并联机床的结构，但五自由度的并联机构较少，当前基于五自由度并联机床不是很多，已开发出来的样机主要有：燕山大学的五轴机床，河北工业大学的五轴机床和Metrom公司的P—800型五杆并联机床，其余的五自由度五轴并联机床多为串并联机构。四自由度的并联机器人机构也比较少，用其作为并联机床的结构也就比较少。只有沈阳自动化所研制的样机结构是采用的四自由度的并联机构。近几年人们又开始探索用平面二、三自由度并联机构作为并联机床的结构，平面并联机构的被动铰链通常是转动副，其制造技术相对比较成熟，且易达到较高精度，因此基于平面二、三自由度并联机构的并联机床是当前研究的热点之一。所以选择二自由度并联平面机床作为我们此次设计的题目。本论文研究并联机器人的机构设计问题。通过系统的学习，了解机器人发展的现状，明白了串联机器人和并联机器人各自的优缺点。在设计的过程中遇到问题并及时的解决问题，从而对并联机器人的机构分析、硬件电路的分析有了初步的了解，为以后的研究生学习打下了基础。第2章并联机器人机构及性能分析2.1机器人系统自由度的分析图2-1二自由度平面并联平动机器人由图知机构为四杆机构，则连杆与机架始终保持平行，在原动件（滑块）的驱动下，连杆和连架杆运动，则连杆的运动形式为沿水平方向的运动或沿垂直方向的运动或为这两项运动的复合运动，所以此机构为两自由度并联机构。2.2机器人机构性能分析2.2.1机器人机构描述如图1所示为该机器人的概念设计，图2为其结构简图和尺寸参数。在图2中，机构的运动平台2通过两个相同的支链与固定平台1相连，每一个支链由一个移动副(支链1和2中分别为滑块3和7)和一个平行四边形机构(支链2由构件3、4、5、2构成，支链2由构件6、7、8、2构成)组成一个副，连杆与滑块3和7及运动平台通过转动副连接，由平行四边形机构的性质可知，运动平台总是平行于固定平台，其运动为一刚体在平面内的平动，这是该机器人区别于原有平面并联或串联机器人的一个重要特点。图2-2机器人结构简图和尺寸参数2.2.2位置分析如2所示，建立固定坐标系与固定平台固接，原点位于固定平台几何中心。建立运动坐标系与运动平台固接，原点位于运动平台几何中心。连杆长为，动平台长为。滑动副3和7的位移和作为机构的输入，设末端点位移作为机构输出。则在固定坐标系下，和点的坐标为：，，由约束方程有：(1)(2)考虑到该机构的奇异形位及其如图所示的装配方式，由式(3)和(4)可得位置反解为：（3）(4)由式(3)和式(4)可得位置正解为：(5)(6)式(5)和(6)两边对时间取导数，则有该机器人的关节空间速度向操作空间速度的映射关系为：(7)式中，为操作空间速度矢量，为关节空间速度矢量，为速度雅可比矩阵，其表达式为：(8)式中(9)由文献[12]可知，在静态平衡状态下，操作力向关节力的映射关系，即力雅可比矩阵为速度雅可比矩阵的转置，即(10)如采用对该机器人运动学方程取微分的方法，来建立驱动关节空间误差对操作空间误差的映射矩阵，则驱动关节与运动平台的误差传递矩阵即为该机器人的速度雅可比矩阵，即(11)由文献[12]可知，操作空间的力和变形之间的映射矩阵，即机器人末端的柔度矩阵为：(12)式中为驱动关节的刚度矩阵的逆矩阵，如设整个驱动的系统(包括传动减速机构)的刚度系数(i=1,2)，则有：(13)将式(13)代入式(12)，则有(14)建立好上述的各种映射关系，接下来就可以利用这些映射矩阵，得到评价机器人各项性能的评价指标。2.2.3性能评价指标灵巧度以雅可比矩阵的条件数作为机器人灵巧度的衡量指标已经被公认，其定义为：(13)式中和为速度雅可比矩阵的最大与最小奇异值。其全域性能评价指标为：(14)式中为该机器人的工作空间。如希望工作空间内灵巧性最好，则应有最小。力可操作度如操作力矢量为一单位圆，则力雅可比矩阵将末端单位圆映射为一个椭圆，关节力椭圆的大小、形状基本上反映了关节力矢量的特征。在这里定义力可操作度作为评价驱动力大小的性能指标，其反应了关节力椭圆与负载力单位圆的面积之比，其定义为：(15)式中和力雅可比矩阵的两个奇异值。其全域性能评价指标为：(16)如希望在给定的工作空间内对特定的负载驱动力最小，则应有最小。综合误差敏感度如输入误差为一单位圆，则误差传递矩阵将输入的单位圆映射为一个椭圆，误差椭圆的大小、形状基本上反映了终端误差的特征。在这里采用综合误差敏感度作为评价终端误差大小的评价指标，其反映了输出误差椭圆与输入误差单位圆面积之比，其定义为：(17)其全域性能评价指标为：(18)如希望在可测驱动关节变量时，运动平台误差最小，则应有最小。速度可操作度如机器人关节速度矢量为一单位圆，则速度雅可比矩阵将输入的关节速度映射为一个椭圆，操作空间速度椭圆的大小、形状基本上反映了操作空间速度矢量的特征。在这里采用速度雅可比矩阵的可操作度作为操作空间速度大小的评价指标，其反映了操作空间速度椭圆与关节空间速度单位圆面积之比，其定义为：(19)其全域性能评价指标为：(20)如希望在给定驱动器的驱动速度时，运动平台速度最大，则应有最大。综合变形敏感度如操作空间力矢量为一单位圆，则末端柔度矩阵将其映射为一个椭圆，末端变形椭圆的大小、形状基本上反应了末端变形的特征。在这里定义综合变形敏感度作为评价末端变形大小的性能评价指标，其表征末端变形椭圆与操作空间力矢量单位圆面积之比，其定义为：(21)其全域性能评价指标为：(22)如希望在给定工作空间内，对特定外力负载，末端变形最小，则应有最小。机器人占用面积与所需工作空间面积比设所需工作空间为一单位正方形，即。图3中画出了满足情况时并联机器人的两个极限位置，各参数如图中所示，其中为该情况下滑块行程，为所需工作空间上界到固定平台的距离，和分别为在两个极限位置图2-3满足情况的极限位置时连杆与坐标轴方向的夹角。由图3可得，(23)(24)在这里如设，我们将该机器人在极限位置时连杆与坐标轴方向的夹角称为该机器人的极位夹角()。在图3所示情况下，由以上分析可得，滑块行程，因此，当运动平台沿轴方向移动时，滑块的行程也是，是一比一的关系，即，从运动学的角度出发，希望运动输入误差对输出误差呈缩小的效果，即。这时该机器人在工作空间下的行程为：(25)式中(26)这样，可以得到机器人机构占用面积，(27)定义机器人占用面积与所需工作空间面积比作为该机器人基于工作空间优化设计的性能评价指标，其定义为：(28)如希望在给定的工作空间下，机器人机构所占面积最小，则应有最小。工作空间如机器人在工作空间中不存在奇异，采用雅可比代数法，只需机器人的雅可比矩阵的行列式的值不为零，这也是最一般的、最通用的方法，即(29)可见，只需极为夹角不等于零，在该机器人的工作空间内就不会出现奇异形位。综合性能评价指标上述的性能评价指标都是从某一方面来讨论机器人机构性能的优劣，而机器人机构的设计不是为了执行特定的任务而是为了满足普遍的性能指标，这就要求设计者从多方面着手，兼顾多种性能要求，综合出综合性能最优的机器人机构。在这里，构造一种新的综合性能评价指标，即(30)如希望在工作空间全域内，该机器人机构的综合性能最优，则应有最小。2.3尺寸设计该平面并联机器人待定的参数为极位夹角，连杆长度，运动平台尺寸，机器人末端参考点点坐标及关节变量和的变化范围。其中取决于实际零件的尺寸和安装尺寸，且在文中所选择的装配方式下，工作空间随的增大而减小，所以应根据实际设计需要取尽可能小的值，在理论上，这里可以设其值为零。2.3.1最佳极位夹角的确定由式(23)~(26)可见，只要已知极为夹角，就可以确定机构中其它的几何参数和主动关节变量的变化范围，且各项性能评价指标的大小也与有着密切的关系，可见极位夹角是该机器人机构一个极为重要的参数，它对该机器人机构的性能有着极为重要的影响。由该机器人的奇异性分析可见，在时，该机器人将处于奇异形位，再由图4可见在接近于附近，该机器人的灵巧度很差；由图5可见在接近于附近，该机器人的面积将会变得很大，所以的取值，应远离这两个区域。图6是取步长为，范围内绘制的综合性能指标与极位夹角的关系曲线，由图6可见在区域，该机器人的综合性能指标取值最小，在图6中如箭头所指示，标出了该区域内的坐标值，可见在时，该机器人的综合性能评价指标最小，这时该机器人综合性能最优，这是本文的一个重要结论。图2-4全域灵巧度评价指标随极为夹角的变化情况图2-5机器人所占面积与所需工作空间面积比随极为夹角的变化情况图2-6综合性能评价指标随极为夹角的变化情况2.3.2最佳连杆长度的确定极位夹角确定后，联立式(23)和式(24)可得，在时，连杆长度，这是在极位夹角最优，且满足所需工作空间条件下的连杆长度值，但这是不是使综合性能评价指标最小的连杆长度呢？取步长为，在范围内，绘制综合性能指标和连杆长度的关系曲线如图7所示，可见随的增长，逐渐增大，所以满足所需工作空间条件下的连杆长度即为最优的连杆长度。图2-7综合性能评价指标随连杆长度的变化情况2.3.3其他参数的确定及尺寸设计结果极位夹角和连杆长度确定后，由式(23)~(26)及结合该机器人的位置正、反解式(3)~(6)即可确定该机器人的其它参数。由式(14)、(16)、(18)、(20)、(22)、(28)和(30)可确定在最优尺度下该机器人的各项性能评价指标的值。尺寸设计结果如表1所示。表2-1尺寸设计结果参数名称参数值评价指标评价指标值所需工作空间极位夹角连杆长度主动关节变量变化范围末端位移2.3.4并联机构活动空间及连杆尺寸的确定由上述分析最终确定各项尺寸和参数如下：表2-2本设计结果参数名称参数值评价指标评价指标值所需工作空间100*100极位夹角连杆长度l=230主动关节变量变化范围末端位移2.4并联机构运动学仿真概述仿真是一种虚拟现实技术，有的仿真系统能增加对硬件支持要求较高的技术的流通，比如数控机床操作，有利于大家交流学习，还能避免操作失误而造成的事故；有的仿真系统能在完成一定定性，定量的分析后，使某些非线性参数的变化或者空间感较强的图形比较直观的呈现在人们面前，从而使设计明朗化，减少了一些错误的不可预见性；还有的仿真系统能在设计后期、产品成型初期对产品的工作性能进行较验，从而避免因设计不合理、达不到工作要求而直接生产所带来的经济损失。这里针对前叙的二自由度并联机构，基于C语言平台构建其平面模型，通过友好的人机界面，进行参数化设计。可以较验是否满足设计要求，比如在设置的几何尺寸参数下能否满足工作空间要求；可以进行轨迹规划；可较验机构的奇异性；模拟机器人的实时控制等等。因为此机构是一种平面机构，其仿真也就是主要观察其在平面内的运动，C语言图形函数正好可以处理这种问题，而且C语言功能强大，编程灵活，编程耗用内存少，生成的可执行文件也比较小，还可直接运行于Windows和Dos系统上，因此这里选用此种平台，如果想实现良好的可视化环境，可选用VisualC++可视化编程语言和OpenGL图形技术。2.4.1Solidworks三维实体设计及实现流程应用该软件是基于以上位置分析和空间分析的基础上进行的。首先由上述的位置分析和运动分析得出工作空间、极位夹角和连杆的关系定出了工作空间的大小、极位夹角的大小和连杆的长度，然后再通过具体的机构运算等定出各机构的尺寸，又由机械设计手册查的各标准件的装配尺寸，从而最终应用Solidworks软件进行装配，从而生成三维实体图。具体的装配图见附录。2.5小结考虑到机器人机构的奇异形位和装配方式，对一种二自由度平面并联平动机器人机构的位置正、反解进行分析，得到其封闭解析解。在位置分析的基础上，得到了该机器人机构的速度和力雅可比矩、误差传递和末端柔度矩阵，利用这些映射矩阵，进而得到评价机器人机构各项特性的性能评价指标。为了使机器人机构满足普遍的性能要求，利用前面得到的各项性能评价指标，构造出一个新的综合性能评价指标，该指标综合考虑了机构的灵巧度、力、误差和速度传递性能、末端变形及机构的占用面积.提出了该机器人机构极位夹角的概念，通过分析发现该角度是该机器人机构一个极为重要的几何参数。利用文中提出的综合性能评价指标，期望该机器人综合性能最优，得到了极为夹角的最优值。进而得到该机器人机构的最优尺寸设计结果。该设计方法也可用于其它并联机器人机构的设计第3章步进电动机的选择及一级减速齿轮副的选择3.1步进电机的特点步进电机是工业过程控制及仪表控制主要控制元件之一。步进电机有几个显著特点：1.步进电机可以直接接受数字信号，而不再需要进行数/模转换；2.步进电机具有快速启、停能力,可以在一刹那间实现启动或停止；3.步进电机精度高，步距角可由每步90°降低到0.36°；4.步进电机由于精度高及不用传感器，故定位准确。3.2步进电机的工作原理三相反应式步进电机定子上均匀分布有6个磁极，相邻两个磁极之间的夹角60°，线圈绕过相对的两个磁极构成一相（A—A′,B—B′以及C—C′）。此外各磁极上还有5个均匀分布的矩形小齿。电机转子上没有绕组，它上面有40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两个小齿之间的夹角为9°。当某相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N—S极，产生磁场，并与转子形成磁路。这时如果定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前＂走＂一步。3.3步进电机的控制根据步进电机的工作原理，先按顺序给步进电机的绕组施加有序的脉冲电流即可控制步进电机的转动，从而进行数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。对于三相反应式步进电机来说，电流脉冲的施加有3种方式：(1)单相三拍方式，(2)双相三拍方式(3)三相六拍方式。即：正转A→AB→B→BC→C→CA→A。反转A→AC→C→CB→B→BA→A。单相三拍方式的每一拍步距角为3°，三相六拍的步距角则为1.5°。因此在三相六拍方式下，步进电机的运行要平稳柔和一些，但在同样的运行角度与速度下，三相六拍驱动，脉冲的频率需要提高一倍，对驱动开关管的开关特性要求较高。3.4步进电动机及减速齿轮的选择：步距角a式中m——步进电动机的相数z——步进电动机转子齿数k——与通电方式有关的系数（当通电方式为单拍时k=1；当通电方式为双拍时k=2）步进电动机包括永磁式电动机和功率式电动机，由于功率式电动机有点明显，故本设计采用功率式电动机。根据机床加工精度选取轴的脉冲当量为0.01mm。3、计算齿轮减速比齿轮减速比公式：i=φP/360δ式中φ——步距角P——丝杠螺距（mm）δ——脉冲当量（mm/脉冲）4、有课程设计参考资料表7-3不步进电动机技术指标查得电动机各项参数：序号型号步距角最大净转矩最高空载启动频率相数（N*cm）（setp/s）1055BF0031.5/37018003外形尺寸外径长度轴径重量（mm）（mm）（mm）（N）557268.3由上表可取步距角a=3；又由丝杠的螺距是P=2mm，则由齿轮减速比公式：i=φP/360δ得：i=3×2/360×0.01≈1.5又由上表可得相数m=3，k取两拍即k=2，则由公式得：z=360/mak=360/3×3×2=20故步进电动机的转子齿数Z1=20传动比的公式：i=Z2/Z1即：Z2=i×Z1=1.5×20=303.5一级减速齿轮副的选择由电机轴和丝杠的轴径综合考虑取两减速齿轮的模数m=1，并采用直齿圆柱齿轮，分度圆直径d=1\*Arabic1=mz1=20d2=mz2=30齿顶高ha=ha*m=1×1=1齿根高hf=（ha*+c*）m=（1+0.25）×1=1.25由机械原理及设计基础表4-2得：顶隙：c=c*m=0.25×1齿顶圆直径：da1=d1+2ha=20+2=22da2=d2+2ha=30+2=32齿根圆直径：df1=d1-2hf=20-2.5=17.5da2=d2-2hf=30-2.5=27.53.6小结对于步进电动机的选用原则，主要有下列几点：（1）、在选择步进电动机时，首先要确定步进电动机的类型。数控机床上大多采用功率式步进电动机，反应式步进电动机（如110BF、130BF、150BF）其价格低于永磁式反应电动机，但性能上不如永磁式电动机。（2）、根据机床的加工精度要求，选择进给轴的脉冲当量，如0.01mm或0.005mm。（3）、根据所选步进电动机的步距角、丝杠的螺距以及所要求的脉冲当量来计算减速齿轮的降速比。采用减速齿轮可比较容易的配置出所要求的脉冲当量、减小工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量，同时增大工作台的推力。但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，并且其自身又引入附加的转动惯量。第4章机器人控制系统的设计4.1单片机概述随着现代技术的发展,单片机已经发展成为一个品种多样、功能丰富的开发工具。它主要应用于工业控制领域和各种仪器设备。4.1.1单片机的发展情况当国内从80年代起开始了单片机的热潮,二十多年过去了,单片机从研究所走出来,成为日常生活中的一个不可缺少的部件。硬件方面日趋多样化,4位、8位、16位、32位等型号共同并存,在不同的领域存在,如家电、玩具、工业设备、仪器、通讯等。软件方面发展主要为汇编语言、C语言、嵌入式操作系统。速度、稳定性特别要求的场合较多采用汇编语言和C语言。单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。自单片机诞生至今,已发展为上百种系列的近千个机种。目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。4.1.2单片机的结构单片机的基本组成,是由中央处理器(CPU)、只读存贮器(ROM)、读写存贮器(RAM)、输入/输出口(I/O)等等组成。此外,里面还有一个时钟电路,使单片机在进行运算和控制时,都能有节奏地进行。另外,还有“中断系统”,当单片机控制对象的参数到达某项需要加以干预的状态时,就可传达给CPU使CPU采取适当的应付措施。按结构形式分,单片机有两种基本的结构形式:普林斯顿结构和哈佛结构。普林斯顿结构,也称冯·诺伊曼结构,是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置,因此程序指令和数据的宽度相同,如英特尔公司(Intel)的8086和MCS-51就采用了此结构。而哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器(CPU)首先到程序指令存储器中读取程序指令内容,解码后得到数据地址,然后到相应的数据存储器中读取数据,进行下一步操作(通常是执行)。程序指令存储和数据存储分开,可以使指令和数据有不同的数据宽度,目前较多的单片机采用改进的哈佛结构,如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是1位宽度,而数据是8位宽度。4.1.3单片机的应用单片机的品种繁多,按应用范围分为通用型和专用型。专用型是针对某种特定产品而设计的,例如用于洗衣机的单片机。通用型单片机有总线型和非总线型或者8位和16位之分,总线型设有并行地址总线、数据总线和控制总线的引脚,便于扩展外围器件。非总线型没有有总线引脚,芯片体积小,要扩展可通过I/O口,因此非线型更适合中小系统。4.2芯片的选取原则和片脚结构4.2.1.单片机的优点单片机具有集成度高，功能强，通用性好的优点，特别是具有体积小，重量轻，能耗低，价格便宜，而且可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点。它很容易使机电一体化产品智能化，小型化，过程控制自动化，再不显著增加产品的体积，能耗及成本的情况下，大大增加其功能，提高其性能。4.2.2.MCS-51系列单片机8031MCS-51系列单片机采用双列直插封装（DIP）方式。共40只引脚。如图4-1所示。因为受芯片引脚数量的限制，有很多引脚具有双功能。(1)、主电源引脚VCC：芯片工作电源端，接＋5V。Vss：电源接地端。(2)、时钟振荡电路引脚XTAL1：内部晶体振荡电路的反相器输入端。XTAL2：内部晶体振荡电路的反相器输出端。(3)、控制信号引脚RST——RST为复位信号输入端。外部接复位电路。ALE——ALE为地址锁存允许信号。在不访问外部存储器时，ALE以时钟振荡频率的1／6的固定频率输出，用示波器观察ALE引脚上的脉冲信号是判断单片机芯片是否正常工作的一种简便方法。—外部程序存储器ROM的读选通信号。到外部ROM取指令时，自动向外发送负脉冲信号。——为访问程序存储器的控制信号。由RD和WR信号作为扩展数据存储和I/O的读选通，写选通信号。(4)、并行I／Ｏ端口引脚P0口（P0.0～P0.7）；P1口（P1.0～P1.7）；P2口（P2.0～P2.7）；P3口（P3.0～P3.7）。8031内部无程序存储器，需要外接EPROM作为外部程序存储器，本设计采用两片2764扩展16K的程序存储器。（见本部分5）8031还必须有复位和时钟电路。4.2.3.地址锁存器8031受芯片引脚数量的限制，P0口兼用数据线和低八位地址线。为了将它们分离出来，需要在单片机外部增加地址锁存器，从而构成与一般CPU相类似的片外三总线，地址锁存器一般采用74LS373，所以本设计也采用此芯片。如图4-2所示。74LS373是一种带有三态门的8D锁存器，对其引脚说明如下：D7～D0：八位数据输入线。Q7～Q0：八位数据输出线。G：数据输入锁存选通信号，高电平有效。当该信号为高电平时，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。OE：数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中的数据输出到数据输出线。当该信号为高电平时，输出线为高阻态。4.2.4.三八译码器常用的存储器地址的分配方法有两种，线选法和译码法。根据8031引脚数目和两种方法的优缺点，本设计采用译码法。此方法是最常用的存储器地址分配的方法，能有效的利用存储器空间，适合于大容量多芯片的存储扩展。本设计中译码器芯片采用74LS138，有三个数据输入端，经译码产生八种状态。如图4-3所示。引脚功能如下：、、E3：使能端，、低电平有效，E3高电平有效A、B、C：译码器的输入端～：译码器的输出端，可用作片选信号4.2.5.程序存储器2764是EPROM的典型芯片之一，也是27系列产品之一，型号名称“27”后面的数字表示其位存储容量。EPROM是用电信号编程，用紫外线擦除的只读存储器芯片。在芯片外壳上的中间位置有一个圆形窗口，通过这个窗口照射紫外线，就可擦除原有的信息。采用双列直插封装方式，共28只引脚，功能如下：A0～A12：地址线引脚，用来进行单元的选择；D0～D7：数据线引脚；CE：片选输入线，低电平有效；OE：输出允许控制端，低电平有效；PGM：编程时，加编程脉冲的输入端，低电平有效；Vpp：编程时，编程电压（+12V或25V）的输入端；Vcc：+5V，芯片的工作电压；GND：数字地；NC：无用端。2764一般有五种工作方式，为读出，编程，编程校验，未选中和编程禁止，由CE、OE、PGM的状态组合来确定。4.2.6数据存储器8031内部有128字节的RAM作为数据存储器，不能满足控制系统的要求，本设计采用6264扩展8KB的数据存储器。6264时单片机系统中常用的静态RAM芯片之一，它采用CMOS工艺，用单一+5V电源供电,典型存储时间为200ns，采用双列直插封装方式，共28只引脚，功能如下：A0～A12：地址输入线；D0～D7：双线三态数据线；CE：片选信号输入线，低电平有效，并且CS当为高电平时，才选中该片；OE：读选通信号输入线，低电平有效；WE：写允许信号输入线，低电平有效；Vcc：+5V，工作电源；GND：地线；静态RAM存储器有读出、写入、维持三种工作方式。4.2.7.并行I/O口MCS-51的I/O口是MCS-51单片机与外界设备交换信息的桥梁。8031的I/O口不能满足输入输出的需要，故需扩展接口电路。MCS-51单片机是Intel公司的产品，而Intel公司常用的外围配套可编程I/O接口芯片有8255A和8155H。本设计采用两片8155H来扩展六个并行I/O口。8155H采用双列直插封装方式，共40只引脚，功能如下：AD7～AD0：地址、数据复用线，用于分时传送地址、数据信息。I/O总线：PA7～PA0,PB7～PB0为通用I/O线，分别用于传送A口、B口上的外设数据，数据传送方向由8155H的命令决定。PC5~PC0位数据控制线，在通用I/O方式下，用作传送I/O数据，在选通I/O方式下，用作传送命令、状态信息。RESET:复位输入线；CE和IO/M：片选输入线；IO/M为I/O端口或RAM存储器选通输入线；若IO/M为0，则CPU选中8155H的RAM存储器工作；否则选中8155H的片内某一存储器。RD：读出命令输入线，低电平有效；WR：写出命令输入线，低电平有效；ALE：为允许地址输入线。高电平有效。若ALE=1，则8155H允许AD7~AD0上的地址锁存到“地址锁存器”；否则，8155H的地址锁存器处于封锁状态。8155H的ALE常和8031的ALE端相连。TIMERIN和TIMEROUT分别为计数器输入和输出线；Vcc：+5V电源输入线；Vss：接地；8155H的工作方式有存储器方式和I/O方式。4.3键盘显示电路大多数的MCS-51应用系统，都要配置输入外设和输出外设。常用的输入设备有：键盘，BCD码拨盘等；常用的输出设备有：LED显示器,LCD显示器,打印机等。本设计采用的输入设备为键盘，输出设备为LED显示器。LED显示器是由若干个发光二极管组成的，成本低，配置灵活，与单片机接口方便，在单片机系统的应用非常普遍。有共阴极和共阳极两种，此次设计采用共阴极显示器。7段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段。因此提供给LED显示器段码正好是一个字节，所以它控制简单。由N个LED显示块可拼成N位的LED显示器。LED显示器有静态显示和动态显示两种。本设计中是6位的LED显示器，显示方式为动态显示。动态显示时通常将所有位的段码线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，本设计采用8031的P1口控制。而各位的共阳极（或共阴极）分别由相应的I/O口线控制，形成各位的分时选通。而动态显示的实质是以牺牲CPU时间来换取器件的减少。键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。常用的键盘接口分为独立式键盘和行列式键盘接口设计中采用的是4×6的行列结构，构成24键的键盘。与独立式键盘相比，可节省很多的I/O线。行列式键盘又叫矩阵式键盘。按键设置在行列的交点上。行列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接+5V上，保证在按键断开时，各I/O口有确定的高电平。当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平为高。这一点是识别行列式键盘是否按下的关键所在。用扫描法识别具体按键的方法为：先把某一列置低电平，其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行线电平为低电平，则可确定此行此列交叉点处的按键被按下。键盘的工作方式有三种，即编程扫描，定时扫描，和中断扫描。为进一步提高单片机的工作方式，可采用中断扫描方式。所以我们可把键盘所作的工作分为三个层次：（1）：监视键盘的输入，体现在键盘的工作方式上就是中断扫描的工作方式。（2）：用扫描法确定具体按键的键号。（3）：实现按键的功能，执行键处理程序。4.4硬件电路设计4.4.1本设计硬件电路简介CPU是采用8031芯片；扩展程序存储器2764两片；扩展数据存储器6264一片；扩展可编程接口芯片两片；键盘电路、显示电路；地址锁存器、译码器各一片；光电隔离电路、功率放大电路；越程报警电路、急停电路、复位电路。CPU和存储器CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器2764两片（16KB），数据存储器6264（8KB）一片。8031芯片的P0和P2用来传送外部存储器的地址和数据，P2口传送高八位地址，P0口传送低八位地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器，锁存低八位地址。2764和6264芯片都是13根地址线。A0～A7低八位接74LS373芯片的输出，A8～A12接8031芯片的P2.0～P2.4。系统采用全地址译码，两片2764芯片片选信号CE分别接74LS138译码器的Y0和Y1，一同复位后程序从0000H开始执行。6264芯片片选信号CE接74LS138译码器的Y2。8031芯片的控制信号PSEN接2764的OE引脚，读写控制信号WR和RD分别接6264芯片的WE和OE，以实现外部存储器的读写。由于8031内部没有ROM故始终要选外部存储器，故其EA必须接地。I/O接口电路由于8031只有P1和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出的要求，因而系统必须扩展输入输出接口电路。本系统扩展了两片8155可编程接口芯片。8155（1）和8155（2）的片选信号CE分别接74LS138译码器的Y3和Y4。74LS138译码器有三个输入A、B、C分别接P2.5，P2.6，P2.7,输出Y0～Y7八个输出，低电平有效。74LS138号有三个使能端，其中两个G2A和G2B为低电平使能，另一个G1位高电平使能。只有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。I/O接口芯片与外设的连结8031芯片的P1口作为显示器的片选信号，是输出。8155（2）的PC0～PC5作为显示器位选信号。8155（2）PC0～PC5和PB0～PB3是键盘扫描输入。8155（1）的PA0～PA5和PB0～PB4接控制面板上的选择开关，设有编辑、空运行、自动、手动Ⅰ、手动Ⅱ、回零、启动、暂停、单段、连续、急停选择方式。8155（2）PA0～PA2和PA5～PA7输出的指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大电路直接驱动步进电机Ⅰ和步进电机Ⅱ。PB7～PB4为电机Ⅰ和电机Ⅱ的正负方向的点动。8155（1）和8155（2）的I/O口引脚接8031芯片的P2.0，因为使用8155的I/O口，故P2.0为高电平。8031还有复位和时钟电路。各芯片的地址计算U42764的地址分配为：0000H～1FFFH；U52764的地址分配为：2000H～3FFFH；U66264的地址分配为：4000H～5FFFH；U78255（1）的命令/状态寄存器和三个并行口地址分别为：7FF8H，7FF9H，7FFAH，7FFBH。U88255（2）的命令/状态寄存器和三个并行口地址分别为：9FF8H，9FF9H，9FFAH，9FFBH。。4.4.2本设计硬件电路图详见附录图纸4.5步进电机的控制程序4.5.1.功能说明（1）送电时，步进电机停止。（2）按PB7时，步进电机正转；按PB6时，步进电机逆转。（3）按PB1时，步进电机停止运转。4.5.2.控制程序ORG00HSTOP:ORLP2,#0FFH；步进电机停止LOOP:JNBPB7,FOR2；是否按PB7,是则正转JNBPB6,REV2；是否按PB6，是则逆转JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是则停止JMPLOOPFOR:MOVR0,#00H；正转至TABLE取码指针初值FOR1:MOVA,R0；至TABLE取值MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRJZFOR；是否取到结束码（00H）？CPLA；将ACC反向MOVP2，A；输出至P2，正转JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是则停止运转JNBPB6,REV2；是否按PB6,是则逆转CALLDELAY；步进电机转速INCR0；取下一个码JMPFOR1REV:MOVR0,#05H；逆转至TABLE取码指针初值REV1:MOVDPTR,#TABLE；至TABLE取码MOVCA,@A+DPTRJZREV；是否取到结束码（00H）？CPLA；将ACC反向MOVP2,A；输出至P2，逆转JNBPB1,STOP1；是否按PB1，是则停止运转JNBPB7,FOR2；是否按PB7，是则正转CALLDELAY；步进电机转速INCR0；取下一个码JMPREV1STOP1:CALLDELAY；按PB1消除抖动JNBPB1,$；PB1放开否CALLDELAY；放开消除抖动JMPSTOPFOR2:CALLDELAY；按PB7消除抖动JNBPB7,$；PB7放开否CALLDELAY；放开消除抖动JMPFORREV2:CALLDELAY；按PB6消除抖动JNBPA2,$；PB6放开否CALLDELAY；放开消除抖动JMPREVDELAY:MOVR1,#40；步进电机转速20毫秒D1:MOVR2,#248；DJNZR2,$DJNZR1,D1RETTABLE:DB01H,03H,02H,06H,04H,05H；正转DB00H；正转结束码DB01H,05H,04H,06H,02H,03H；逆转DB00H；逆转结束码END4.6小结由于控制要求和功能不同，控制系统的设计方法和步骤也充在着差异。应视情况而定。本设计以单片机技术为基础，自主选取CPU芯片，进行ROM、RAM、I/O接口扩展；简易键盘，LED显示和执行元件等的接口设计。并借助CAD软件绘制简易控制系统的硬件电路图。从控制的角度出发，系统应满足具有较完善的中断系统，足够的存储容量，完备的输入和输出通道和适时时钟等要求。除以上几点应满足要求外，从系统控制对象而言，还应考虑几个特性要求：字长，速度，指令。对于一般的工业控制设备和机电产品通常采用八位机就可以。第5章并联机构的运动学仿真5.1有关内容介绍5.1.1OpenGL介绍OpenGL[11]是一个三维的计算机图形与模型库，即开放性图形库(OpenGraPhicLibr