并联机器人控制系统设计

华北科技学院毕业设计（论文）I目录设计总说明 .1General description of the design .41 绪论 .71.1 并联机器人的特点 .71.2 并联机器人的历史及应用 .82 并联机器人的结构 .93 相关硬件电路的设计 .123.1 设计总电路图.123.2 硬件的选择.123.2.1 单片机 C51.123.2.2 步进电机.173.2.3 位移传感器.193.3 本章小结.214 运动结构的分析 并联机器人的反解 .224.1 本章小结.255 并联机器人的正解 .265.1 本章小结.306 总结与展望 .31参考文献 .33附录 .34致谢.38并联机器人控制系统设计第 0 页 共 40 页并联机器人控制系统设计总说明随着科技，工业及先进制造业的发展，并联机器人已经从简单的上料下料装置发展成数字化制造中的重要单元，无论实在军事领域中还是生物医学中他都至关重要。并联机器人作为一种新型的机器人形式得到了越来越多的应用，与串联机器人相比该型机器人具有结构简单、刚度大、承载能力强、误差小等特点，与串联机器人形成了良好的互补关系。可用于六自由度数控加工中心、航天器对接机构、汽车装配线、运动模拟器、岩土挖掘、光学调整、医疗机械等领域。并联机器人和传统工业用串联机器人是有不同的，并联机器人具有以下特点：（1）精准度较高，没有累计的误差；（2）驱动装置接近定平台或可放置在平台上，运动的部分重量比较轻，欲动速度高，动态响应较好；（3）结构紧凑，刚度强，承载能力大；（4）完全对称，各向同性好；（5）工作空间较小，便捷；根据上述这些特点，并联机器人可以在需要高刚度、高精度或者是大载荷而且不需要很大工作空间的领域内得到了广泛的应用。并联机器人在我们的生活中并不多见，其最基本的结构可以定义为含两个及两个以上的独立链所构建的上下两平面的结构，且以并联方式驱动的一种闭环机构。现在并联机器人大多被用于军事领域中的水下潜艇、以及新型坦克驾驶运动模拟器，下一代空军坐战斗机的矢量喷管及立体空间飞行器的对接装置、空间姿态控制器等；在医学生物工程中的细胞操作机器人、可完美实现活性细胞的注射和分割；医学中的微外科手术机器人；在譬如航天学里的大型射电天文望远镜的姿态调整装置；混联装备等。在工业中并联机器人不同于传统的串联机器人，相对于传统的串联机器人，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。本次的设计开始事多并联机器人的特点和并联机器人的历史及应用进行简单的介绍，华北科技学院毕业设计（论文）第 1 页 共 40 页对并联机器人有个大致的了解和认识。并联机器人并非是想想中的机器人它是一个能够运动的平台，论文接下来会介绍并联机器人的结构，更近一步了解机器人对后文的研究和探索打好基础，接下来就是根据要求和任务对并联机器人硬件进行设计计算，解决并联机器人的反解及优化并联机器人的正解，对于本次设计来说，对于并联机器人的正反解问题的求解，我认识到，对一个完整的控制系统，需要各个部分的密切协调运作，只有每一个零部件都运行，都在运作，系统才能做到预期的控制目的。尽管并联机器人的结构复杂多样，但无论哪种并联机器人，我们当看到这一问题的时候，首先需要做的都是运用结构学以及空间数学的方法对其进行简化，只有经问题简化，结构模拟化我们才能来更高效的解决这类问题。设计里所用到的单片机也是我们日常所学的 MCS-51 系列，这是最好的一次将理论与实际结合起来的机会。同时有关设计中的步进电机虽说我们在课程的学习中没有过多的研究，但是通过查阅资料，基本上已经学会了对其的使用。最终通过程序的编写，以及调试达到了对并联机器人位置求解的仿真。本次设计采用了差分进化算法研究的并联机器人的正解问题, 同时通过对 6 自由度 SPS 型并联机器人进行 MATLAB 仿真，从而验证了这种方法具有可行性。1)这次设计并联机器人，本着其位姿反解问题相对容易求取的特点, 将求解其正解问题进行数学思维的假设，在已知其空间 6 自由度参数, 将得其所给定的杆长与前边假定好了的 6 自由度参数求得的杆长之差做成数学函数，求函数的最小值（解决优化问题）。2)与遗传算法相比, 差分进化的算法的优点是使用少量的迭代次数却可以得到更高精度位置正解的答案。3)本此设计中解决问题所用的数学方法，不仅对 6 自由度的并联机器人适用，而且应该是对任何自由度下的并联机器人都适用。并联机器人以最简单的理解为两个平台，一个动平台和一个定平台，两个平台之间通过不同的杆相连，通过驱动杆的运动，来带动动平台在空间里的位置发生改变。并联机器人按照其自由度的不同，可以分为多自由度并联机器人跟少自由度并联机器人，每个自由度都由电机驱动。设计通过研究并联机器人的物理结构的基础上，用差分进化解决并联机器人的正解问题。实际求解并联机器人的正解比较困难，所以可以利用并联机器人位姿反解相比容并联机器人控制系统设计第 2 页 共 40 页易求取的特点, 我们运用思维转换模式把并联机器人的位姿正解问题巧妙转化成假设已知位姿正解, 再去运用数学方法通过位姿反解求得杆长值, 最终再使所求得的杆长值与给定的杆长值之差为最小的优化问题, 然后利用差分进化的全局寻优能力来直接求解并联机器人的位姿正解.然后利用 MATLAB 将运动轨迹离散化进行位置反解，处理机器人相应的输入数据，并将数据发送至单片机执行，驱动步进电机完成机器人控制。关键词 ： 并联机器人；位置反解；位置正解华北科技学院毕业设计（论文）第 3 页 共 40 页Parallel robot control systemtotal control system designGeneral description of the designAlong with the science and technology, industry and the development of advanced manufacturing industry, parallel robot has the material from the simple device developed into an important unit in digital manufacturing, regardless of is in the field of military or he is crucial in biological medicine.Parallel robot as a new kind of robot has been more and more used in form, compared with the series robot the robot has a simple structure, large stiffness, strong carrying capacity, low error, etc, formed the good complementary relationship with serial robot.Six degrees of freedom can be used for numerical control machining center, the spacecraft docking mechanism, auto assembly lines, motion simulator, rock and earth excavation, optical adjustment, medical machinery, and other fields.Parallel robot series and traditional industrial robot is different, parallel robot has the following features:(1) high precision, no cumulative error;(2) driving devices can be placed close to the platform or on the platform, and some of the weight of the movement to be lighter, high moving speed, better dynamic response;(3) compact structure, strong rigidity, the bearing capacity;(4) completely symmetrical and isotropic good;(5) the working space is small, convenient;According to these characteristics, parallel robot can be in need of high rigidity, high precision or large load without great work has been widely used in the field in space.Parallel robot does not see more in our life, the most basic structure can be defined as two and two or more independent chain constructed two flat structure, and drive a closed-loop mechanism in parallel manner.Now most of parallel robot is used in the military in the field of 并联机器人控制系统设计第 4 页 共 40 页underwater submarines, as well as new tank driving simulator, the next generation of air force fighter of vector nozzle and stereo spacecraft docking device, space attitude controller, etc.;In medical biological engineering cells in the robot operation, can perfect realization of active cell injection and segmentation;The micro surgical robots in medicine;In such as the large radio telescope in the astronautics attitude adjustment device;Mixed equipment.Different from the traditional serial robots in the industrial parallel robot, compared with the traditional serial robots, parallel robot in need of high rigidity, high precision or large load without great work has been widely applied in the field in space.The start of design matter more than the characteristics of parallel robot and the history and application of parallel robot to carry on the simple introduction, for parallel robot has a general understanding and the understanding.The robot in parallel robot is not think it is a movement of the platform, the paper will introduce the structure of the parallel robot, next one step closer to understanding the robot to a basis for the later research and exploration, the next step is according to the requirement and the task of parallel robot hardware design calculation, to solve the inverse solution of parallel robot and the optimization of the parallel robot, positive solutions for the design, solve the problem of positive solutions for parallel robot, I realized, to a complete control system, the close coordination of each part of the need to run, only run every parts, are in operation, the system can achieve the expected control purpose.Although the structure of the parallel robot is complicated, but no matter what kind of parallel robot, when we see this problem, first of all need to do is to use structural and spatial mathematics method to simplify, only simplify the problem, structure MoNiHua we can more efficient to solve such problems.Design in the use of single chip microcomputer is also learned to our daily MCS - 51 series, this is one of the best times the opportunity to combine theory with practice.At the same time, the design of stepper motor although we not too much research in the course of learning, but access to data, basically have learned to use.Finally through the writing of the program, as well as debugging achieved the simulation of parallel robot location.This design USES the differential evolution algorithm research of parallel robot positive solution of the problem, at the same time through the six degrees of freedom parallel robot SPS type MATLAB simulation, thus this method is proved feasible.华北科技学院毕业设计（论文）第 5 页 共 40 页1) the design of parallel robot, in line with its position inverse solution of the problem is relatively easy to calculate, the characteristics of the positive solution to solve the problem on the assumption of mathematical thinking, six degrees of freedom in its space known parameters, it was a good to a given length and assume that good in front of six degrees of freedom of the difference of the length of the parameters are obtained to make mathematical function, and function of the minimum (to solve optimizationproblems).2) compared with genetic algorithm, differential evolution algorithm has the advantage of using a small number of iterations can get higher precision position positive solution of the answer.3) mathematical methods used in this solve the problem in the design of this, not only for 6 dof parallel robot used, and should be applicable to any degree of freedom parallel robot under.Parallel robot with the most simple understanding for the two platforms, a moving platform and a fixed platform, through different rod connected between the two platforms, by driving rod movement, the position of moving platform in space to drive change.According to the different degrees of freedom parallel robot, which can be divided into many degrees of freedom parallel robot with less degrees of freedom parallel robot, driven by a motor every degree of freedom.Design through the study of the physical structure of parallel robot, on the basis of using the differential evolution to solve the problem of the positive solutions of the parallel robot.Practical parallel robot positive solution is difficult to solve, so you can use parallel robot pose inverse solution compared to the characteristics of easy to calculate, we use the transformation of thinking model of parallel robot pose positive solution problem is clever into that pose positive solutions, to use mathematical methods by posture length value obtained by inverse solution, finally to make the calculated value with the given length length value for the difference between the minimum optimization problem, and then using the differential evolution of the global optimization ability to directly solve the parallel robot pose positive solution. Then use MATLAB to trajectory discretization position inverse solution, the corresponding input data processing robot, and sends the data to the microcontroller to perform, driving a stepper motor to complete the robot control.并联机器人控制系统设计第 6 页 共 40 页Keywords : parallel robot position;inverse solution;position positive solutions1 绪论1.1 并联机器人的特点提到机器人，我们并不感到陌生，在如今这个时代里，我们接触到许多机器人。同时对机器人的研究也越来越深入。然而，我们今天所提的并联机器人，跟以往我们说的机器人在样子上可能有些不同，它没有电影作品中的高度人行，智能化。然而截止到目前并联机器人是现在热门的机器人研究中的一个重要的分支。并联机器人的定义为：由于其最基本的结构可以定义为含有两个及两个以上的独立链所构建的上下两个平面的结构，同时以并联方式所驱动的一种闭环控制的机构。对于机器人结构的家族来说，其中包涵有两类的机器人，一个是串联机器人结构，另一种是并联机器人结构。相对于串联机器人的结构来看，表现在具有精度高，刚度大，动力性能好，易于反馈控制的优点。对于并联机器人来说，特别是其精度高这一特点，可以将其用在很多的精密仪器中。在生产中并联机器人的机构通常采用几何相对对称式的构型，目的是使其具备良好的各向同性。并且，与串联机器人相比，并联机器人运动学所研究的反解问题简单而其正解问题相对复杂，对于串联机器人来说正解相对简单，且唯一的反解问题复杂而且可能多值，与串联机器人进行比较，并联机器人在其位置的精密度上有较高的优越性，所以不存在驱动器累计的误差。在结构学、运动力学这些方面并联机器人跟串联机器人有着很多的不同点，甚至在有些问题上他们是相互对立的关系。下面让我们一起来看看并联机器人的特点：1.带动并联机器人的运动，需要驱动装置，对于并联机器人来说，其驱动装置大多选择安放在基底座或者是接近基底座的地方，这么一来的好处就是能使它的运动部件的质量可以大大减小，对于结构力学来说能使其动态性能好，从而可以很容易的实现高速运转。2.研究并联机器人必须会涉及到正反解的问题，对于并联机器人运动学来说其反解容易，相对正解比较的复杂。3.并联机器人一般可以实现基座驱动器的良好密封，可以在高温，辐射，潮湿，华北科技学院毕业设计（论文）第 7 页 共 40 页太空及水下一些恶劣的环境里工作。4.并联机器人的误差问题也需要注意，因为并联机器人结构中不存在驱动器所累积的误差，这么以来就能使其有很高的精度。5.并联机器人的运动平台通过几个运动连接就可以以并联的方式与基座相连，所有有很强的承载力，刚性比较好，整体结构比较紧凑。6.并联机器人机构通常采用对称式结构，有比较好的各向同性。7.并联机器人的工作空间小，可操作性比较差。1.2 并联机器人的历史及应用并联机器人的发张要追溯到上个世纪。早在 1931 年，并联机构首次出现，这次重大的研究成果并没有用在科学探究中，而是 Gwinnett 在其专利中提出的一种并联的娱乐设施。首次出现的并联机器人是为了丰富人生活娱乐的。只过去了 9 年时间，Pollard 开发了新一种的空间并联机构，这种结构运用在了汽车的喷漆工艺上。这是并联机器人结构第一