乒乓球发球器的结构设计【创新设计全套含有CAD图纸三维建模】
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本 科 毕 业 设 计 (论 文 )外文翻译（附外文原文）系 ( 院 )：机械与控制工程学院 课 题 名 称 ：乒乓球发球器的结构设计 专业(方向)：机械设计制造及其自动化 （机械装备设计与制造 ） 班 级： 机械 11-2 学 生： 蔡书斌 指 导 教 师 ： 张声岚 日 期 ： 2015 年 3 月 12 日 第 29 届中国控制会议论文集7 月 29 日至 31 日，2010 年，北京，中国基本姿势 5 自由度混合机械臂控制算法适合乒乓球机器人ZHENG Kuijing1, CUI Pei 1, MAO Haixia21.机械工程学院，燕山大学，秦皇岛，066004 中华人民共和国电子邮件：kjzheng2. E啊科学河北科技师范学院的学院，秦皇岛，邮编：066004摘要：发展和乒乓球机器人的组成进行了介绍。基于乒乓球，一种 3-RPUR+ RP5 自由度混合机械臂提出，它可以执行三个平移自由度和两个旋转自由度的运动特性。通过使用 DH 参数法和 XYZ 欧拉角，混合动力车机械臂的运动学逆溶液进行分析，球拍的姿势被方便地描述。姿态控制方程被推导，这可变换球拍构成在工作空间到关节空间的驱动轴的参数。通过 ADAMS 软件，将运动仿真被执行，从而有效地证明了理论分析。基本算法奠定了成功的 5 轴联动控制的乒乓球机器人的理论基础。关键词：乒乓球机器人，自由的五度，混合机械手臂和姿态的反解1 引言作为一个服务机器人，乒乓球机器人可用于不仅为专业运动员作为试马针对性的训练，而且在行使对业余运动员。因此，乒乓球机器人吸引了来自学术界和工业界国内外越来越多的关注。许多大学和公司都在打乒乓球的机器人了深入的研究，并开发了多种乒乓球的机器人在不同结构和类型的自 1980 年以来初步乒乓球机器人具有比服务多样化球的功力没有其他的话，机械臂进行开发反击即将到来的球。 1983 年，约翰比林斯利1从英国朴茨茅斯理工大学约占乒乓球机器人法规。罗素 L.Andersson 2，宫崎文雄3等开发的乒乓球机器人一个接一个。建昌元4从西安理工大学，德许5从北京自动化研究所和魏巍6浙江大学还研究了乒乓球的机器人。的详细介绍可以在参考进行检查7。乒乓球机器人由机械系统，视觉系统和控制系统。作为手眼协调系统，三个子系统必须彼此协调。机械系统，类似于人类的手臂，直接进行打乒乓球的功能。视觉系统，类似于人的眼睛，监视乒乓球运动，并预测其运动轨迹。控制系统，类似于人类的大脑，控制所述机器人臂以敏捷摆动球拍根据移动轨迹乒乓去的规划位置和方向，并实现了精确的命中。A 排序五自由度混合机械臂包括并行机制和串行机制提出，它可以执行三个平移自由度和两个旋转自由度。混合机械臂的运动学反解进行了深入分析。的位置和方向的控制方程推导。在前述的算法仿真，通过 ADAMS 软件的方式进行验证。该算法还规定，为人们控制机器人手臂的姿势的理论基础。2 方案乒乓球机器人基于 5 自由度混合机械臂柔性双眼视乒乓球机器人的方案示于图 1 的混合式机器人臂装置串行机制连接到并行平台。它包括三个 RPRU（回转-棱柱回转通用型） ，四肢和RP（回转-棱镜）肢。球拍安装在机器人臂的末端。在该并联机构中三个平移对和在串行机制两个旋转对被用作驱动轴达到 5 轴同步控制。球拍能够摆动到达需要的位置，方向和速度。两个 2 自由度摇篮头上面的机械臂安装和 CCD 照相机被安装在每个托架的头。两款相机都可以进行旋转 2 自由度，形成灵活的双眼视觉。图 1：乒乓球机器人计划乒乓球的机器人是一个手眼协调系统与快速的眼睛和灵巧的手。该机器人可以摆动它的球拍敏捷，灵活，精确打击乒乓球和避免现有的人类击球的正反手问题。3 说明 5 自由度混合机械臂乒乓球具有速度快，各种坠落点，广泛和强烈的旋转等特点。因此，机械臂必须满足顺序执行这些要求，以适合打回乒乓球。一方面，它必须是多自由度来实现的各种位置和方向和摆动球拍去的规划点。另一方面，它需要有足够的工作空间到盖体内部并在表外部更大的面积和回击各个到来乒乓球。此外，速度快，精度高，还需要快速，准确地回击了乒乓球。基于上述分析，一种 3- RPUR+ RP 5 自由度混合机械臂提出。如图 2 所示，混合机构由稳定的平台，移动平台，其与移动平台，旋转对和平移一对串联在移动平台和安装在端球拍连接稳定的平台四肢机器人手臂。其在特征在于：在稳定的平台和移动平台都具有相同的连接3 RPUR（旋转，平移万能旋转）驾驶的肢体。通过控制 P 对三个 RPUR 驱动四肢的位置和移动平台的取向的运动可以被改变以实现两维转动和一维平移。旋转一对 R 4 与移动台连接的，使周围的移动平台的中心轴的摆动杆 L4 转动。在摆杆 L4 平移对 P5 使得沿摆杆轴方向的球拍 P 数据搬移。a）机器人臂模型 b）该坐标机械臂系统图 2：3 RPUR+ RP5 自由度混合机械臂通用对和旋转对的轴的两个轴在一个点上相交的 3- RPUR 并联机构，其等于球体对，即 3-RPS 机构。 3-RPS+ BP 混合机械臂自由度可以计算通过使用Kutzbach Grubler 的公式如下：M =610 11-117 =5这样的3-RPS+ BP混合机器人手臂的自由度是5。该混合机械臂结合高刚性，速度快，惯性小，误差小，高负荷和简单的敏捷和串行机制，宽大的空间足够并联机构的结构。的惯性和累积误差被降低。的刚性提高。的运动精度和运动速度提高。的位置和取向以及动态属性的敏捷性被有效地提高。该混合机械臂能够进行球拍的运动计划更迅速，敏捷，准确地在不同的速度，落点，角度和各种未来乒乓球的条款。4. 混合机械臂的运动学逆解4.1转发和RP肢体位置分析反解用DH法8，该坐标系上的旋转对R4，平移对P5，哪些是在移动的平台上链接的乒乓球拍分别成立。如图2 b）的移动坐标系统B是基准坐标系中的0，坐标系4对应于R 4，坐标系5对应于P5的坐标系统P对应的乒乓球拍。表1示出了相应的D-H参数。 Q4和d5的是变量，A1，A2，d1和d3的是常数。90度A190A2，D1lB4，D3 l5P。LB4是坐标系统B和坐标系统P的原点的原点之间的距离。表 1：D-H RP 肢的参数根据表 1 中的参数，变换矩阵（_B P）的坐标系统P相对于坐标系统B的 T 被给出如下：在公式（1） ，S 是 sin，c 是 COS。从等式（1） ，相对于P的原点的位置，可以在B表示：等式（2）是反相肢体的位置的正解，所以逆溶液给出如下：4.23-RPS 肢体位置分析的反解如图 2，3-RPS 并联机构的移动平台是正三角形 S1S2S3。移动坐标系B是建立在移动平台上。产地 OB 位于动平台的几何中心。 Axis_XB 恰逢载体 OBS1。稳定的平台也是一个正三角形 R1R2R3。稳定的坐标系A是建立在稳定的平台。产地 OA 位于稳定的平台的几何中心。 Axis_XA 恰逢载体 OAR1。相对于三个旋转对 R1，R2 和 R3 的三个轴是相切的稳定的平台的外接圆。外接圆半径为 A R。的三个关节的 R1，R2 和 R3 可以在坐标系A中被表示为如下的位置：正三角形 S1S2S3 的外接圆的半径为 Rb。三关节 S1，S2 和 S3 的位置可以被表示在坐标系统B如下：然后变换B相对于A可以表示如下的矩阵：在公式（4） ， OB 原产地在 A的位置。表示旋转矩阵和（A，B，g）为B相对于A的取向的欧拉角。关节的 Si（1 ，2,3）的位置的坐标系A中可被表示为如下：然后，在A的驱动轴的长度矢量可以举出：从等式（6） ，所有的驱动轴的长度可以计算：在 3-RPS 并联机构三个约束方程给出9：.从等式（8） ，下面的方程可以给出：从方程（9） ，在移动平台的位置和取向的 6 个参数，以及是独立的。一个，并且可以通过上述三个约束方程来解决。然后将三个驱动轴的长度可以表示为如下：4.3 姿态混合机械臂的逆解从等式（1）和（4） ，P相对于A的变换矩阵给出如下：在公式（11） ，是相对于P的A原点 OP 的位置。它可以表示为如下：在欧拉角 表示的旋转矩阵为P相对于A。是P相对的欧拉角A的欧拉角。4.4 姿势 3-RPS+ RP 混合机械手臂的控制方程的球拍可以通过所描述的位置和方向表示的球拍中A的中央点的位置，并且表示相对于球拍的取向的方向角。通过使用方向余弦的 ZP之间以及在三个坐标中A轴分别描述。从变换方程，规划的参数所构成的球拍，移动平台和（D5，Q4） ，反相肢的 DH 参数的姿势的参数由等式（12）中描述的。通过使用等式（12） ，的位置和移动平台的取向的数据可以根据相对于球拍的位置和方向的输入数据来计算。然后，利用位置反式（10） ，该规划姿势在工作空间的球拍可以被翻译成大约在关节空间的旋转轴的驱动轴和角度的长度。机器人手臂的运动控制可以通过等式（13）的方式来实现。机器人臂可以被控制以摆动其火箭到达规划姿势很快以便回击未来球准确。5 仿真图 3：模拟的流程图3 RPUR+ RP5 自由度混合机械臂可以在 SolidWorks 中构建。然后，该实体模型是通过一种数据转换格式命名的 Parasolid 导入 ADAMS。现有在 SolidWorks 中装配和约束关系成为 unvalid 当他们在 ADAMS。因此，有必要定义约束模型中的所有部分。首先，成立了工作状态。然后定义运动副的约束，包括固定对，对平移和旋转对。运动关系可以通过运动副装载驱动运动构造，其中四对平移一转动对10-11。最后，仿真可以通过导入的驾驶数据来获得。的流程图被示出为图 3.是机器人手臂的结构参数如下：rA=300mm, rB=220mm, lB4=132m,
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