（机械制造及其自动化专业论文）教学型串—并混联装配机械手数控系统开发.pdf

中文摘要 木文针对北京市仪器仪表工业学校机器人实验室开发新型、低成本教学机器 人的需求，利用国家“8 6 3 ”高技术发展计划项目成果和天津大学专利产品，从 教学实验的具体要求出发，丌发“教学型串一并混联装配机械手”数控系统。全 文主要内容如下： 提出的机械手轨迹规划方法并结合机构的运动学模型，详细阐述了适合并联 机构的插补方法，实现了机械手的轨迹控制。为数控系统的开发打下了基础。 设计了肇于i p c 的开放式数控系统的总体方案，并构建了硬件系统，以经济 性、可靠性为原则设计了数控系统的外同接口。对所需硬件进行了精心的选型， 完成了硬件间的连接。 针对总体方案和所选硬件，运用面向对象和模块化的编程方法，以v b 6 0 为 ，r 发工具，完成了串并混联装配机械手数控系统的软件设计，成功实现了机 械手各项功能，并将其应用于实验样机，达到了教学实验的具体要求和预期指标。 丌发出一种模拟机器人语言，使教学型机械手更加符合生产实际。 关键词：教学实验机械手数控系统轨迹规划机器人语吉 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ed e v e l o p m e n to fan e wt y p ea n dl o wc o s te d u c a t i o n a lr o b o tf o rt h e r o b o tl a b o r a t o r ya t b e i j i n gi n s t r u m e n ti n d u s t r ys c h o o l ，ac n cs y s t e m f o r e d u c a t i o n a ls e r i a l p a r a l l e ls t r u c t u r e dr o b o tw h i c hm a k e su s eo ft h ep r o d u c t i o no f n a t i o n a l “8 6 3 h i g h - t e c hd e v e l o p m e n tp r o j e c ta n dt h ep a t e n to ft i a n j i nu n i v e r s i t yi s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft e a c h i n ge x p e r i m e n t t h em a i n w o r k sa r ea sf o l l o w s t h ew a yo fp a t hp l a n n i n ga n dc o m b i n i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n v e r s e k i n e m a t i ct r a n s f o r m a t i o ni sg i v e n t h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t t u nw h i c hc a nc o n t r o lt h e p a t ho fp a r a l l e lr o b o ti se x p a t i a t e di nd e t a i l s ot h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o ni s e s t a b l i s h e di nt h ec o n s t r u c t i o nf o rt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s i so fi p c ，a no p e na r c h i t e c t u r en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms c h e m ef o r e d u c a t i o n a ls e r i a l p a r a l l e ls t r u c t u r e dr o b o ti s d e v e l o p e d c o n s i d e r i n gt h ec o s ta n d r e l i a b i l i t y , t h ep e r i p h e r a li n t e r f a c e si sb u i l t t h eh a r d w a r ea r ec h o s e nb a s e do nt h e s y s t e ms c h e m ea n d a r ec o n n e c t e d t o g e t h e ra c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n so f t h eh a r d w a r e w i t ht h ei d e ao fo o d ( o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n ) a n dm o d u l a r i z a t i o n ，ac n c s y s t e m f o re d u c a t i o n a ls e r i a l - - p a r a l l e ls t r u c t u r e dr o b o ti sd e v e l o p e d ，b ym e a n so fv b 6 0 p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o t h es a m p l e m a c h i n e e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h er o b o tc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n to f t e a c h i n ge x p e f m e n ta n dt h ea n t i c i p a t o r yg o a l ， ak i n do fl a n g u a g eo f r o b o ti sd e v e l o p e d ，w h i c ht h e r e b ym a k e st h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mm o r ea v a i l a b l e k e yw o r d s ：t e a c h i n ge x p e r i m e n t ，r o b o t ，c n c s y s t e m ，p a t hp l a n n i n g l a n g u a g eo fr o b o t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杞彳孤茔签字日期：彬年月2 f = 1 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘星盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 2 f d 屯虚 签字日期：如巧7 年月z 曰 导师签名 嘻 签字日期： 护夕年f 月莎日 彳， 芝。 蒌塑查堂竺主：兰篁笙兰 蔓量堕堡 _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ - 一 1 1 题目的来源和课题目标 第一章绪论 “教学型串一并混联装配机械手”项目是根据北京仪器仪表工业学校机电专 业改革和机器人实验窒的建设要求提出的，具体目标是开发种既能体现当今机 器人技术发展水平，又能符合教学实验要求，且在实际工业生产中具有一定代表 性的新型、低成本的教学型机械手。项目完成后，叮以推广到各大、中专职业院 校机器人相关学科的教学实验和科研中。 机器人学是门多学科综合交叉的边缘学科，它涉及了计算机、控制论、机 构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门尖端学科，是集光机电信息自 动化等技术于一体形成的高新技术。它是2 0 世纪人类最伟大的发明之一，从某种 意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高 低。因此世界各国都很重视机器人的丌发、生产与推广应用。 随着中国机器人事业的飞速发展，新老企业为了提高工业生产的自动化和柔 件化，提高生产率和产品质量，降低生产成本，纷纷丌发和引进各种类型的机器 人、机械手等数控设备。作为为工厂培养中、高级技术人彳的大、中专职业院校， 必须面向市场，培养幸十会所需的机器人技术应用人才，而机器人教学不能像其他 一些纯理沦的课程i j 丁以仅仅对着扣本纸一卜谈兵，它需要操作简便、功能完善而且 价格低廉的机器人供学生直接接触、使用和学习。传统的工业机器人虽然功能完 善，但操作比较复杂，价格昂贵，功能、类型陈旧，并且机器人的控制器及控制 软件对使用者还不是透明的，使用者往往难以在这种数学机器人上实现自己的控 制算法，丌放性差。已经难于适应机器人领域日新月异的发展趋势，这也给教学 机器人研究提出了新的需求。它必须同时具备工业机器人的基本功能、良好的开 放性及可视化功能较强的使用界面，而且价格低廉。因此，对新的实验设备的研 发是非常必要的。北京仪器仪表工业学校，为了适应现代化科技的发展，配合传 统教学方式的改革，决定与天津大学合作，联合开发先进的能够模拟实用样机功 能的教学用机器人实验设备。本课题的丁f = 发分为机械手结构设计与控制系统设计 两部分，本文为教学机器人数控系统”发子课题。 天津犬学硕十学位论文 第一章绪论 1 2 机器人的发展与应用“叫 工业机器人是机器人学的一个分支，目前所说的机器人大多指。业机器人。 它占总数的7 0 以上。所谓f 业机器人就是面向- t 业领域的多关节机械手或多自 由度机器人。 一般来说，工业机器人按结构分为串联机器人和并联机器人两类，如今广泛 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，大都是由机座、腰部 ( 或肩部) 、大臂、小臂、腕部和手部构成。大小臂以串联方式联接，因而也称串 联机器人。其丁作空间大，适用范围广，已在焊接、喷漆、搬运、汽车装配等领 域得到了应用，目前关于机器人的研究大部分集中于这。领域。这类机器人形式 很多，丰要包括直角坐标型、圆柱坐标型、球雀标型和关节型机器人等形式。1 9 6 0 年美国联合控制公司( u n i m a t i o n 公司) 推出的第一台u n i m a t e 2 业机器人是球 坐标型，美国机床铸造公司( a m f ) 生产出v e r s a t r a n 机器人是圆柱坐标型的， 后来又出现全铰链的多关节型，这种多关节型机器人，在三维空n ! i j 有很高的灵活 性和广泛的通用性，典型的如p u m a 机器人。1 9 8 1 年闩本牧野洋推出了平面关节 型s c a r a 机器人，其手臂只做平面运动，只适合平而范围的工作，但是平面工 作使它结构简单、控制容易、响应快、成本低，特别适合电子行业中装配插件等 工作，故得到迅速发展。 就住串联机器人方兴未艾之时，又出现了一类全新的并联机器人。它作为串 联式机器人的补充，扩人了整个机器人的应片j 范围，引起机器入学理论界和工程 界的广泛关注，成为国际机器人研究的主要热点之一。 1 3 国内外研究状况 1 3 1 国内外并联机器入的发展现状陆7 1 由于串联机器人具有较大的工作空间、灵活的操作性能等优点，在工业+ e 产 中得到了广泛的应用，但需在各关节上设置驱动装置，故各动臂的运动惯量较大， 因而小宜实现高速或超高速操作。当在实际应用中需要机器人在有限的工作空f b j 内有高的承载能力、良好的动力学性能以及高速、高精度等要求时，就需要有另 外一种结构形式的机器人可供选择。在现实生活中，当人们要移动一个很重的箱 子时，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。 并联机构是指运动平台与固定平台之间由两个或两个以上分支相连，运动平 奎堡奎兰堡! 兰竺堡兰 塑二童堕堕 1 2 机器人的发展与应用。“ _ i ：_ = 业机器人是机器人学的一个分支，目前所说的机器人大多指工、i k 机器人。 它占总数的7 0 以l 。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自 由度机器人。 一般来说，工业机器人按结构分为串联机器人和并联机器人阿类，如今广泛 使用的工业机器人的主体大都是一个似人f 臂的机电系统，太都是由机座、腰部 ( 或肩部) 、大臂、小臂、腕部和手部构成。大小臂以串联方式联接，冈而也称串 联机器人。其工作空间大，适用范围厂，已在焊接、喷漆、搬运、汽车装配等领 域得到了应用，目前关 机器人的研究大部分集中于这一领域。这类机器人形式 很多，丰要包括直角坐标犁、剧柱坐标型、球牮标型和关节型机器人等形式。1 9 6 0 年美国联合拄制公司( u n i m a t i o n 公刮) 推出的第一台u n i m a t e 工业机器人是球 世标型，美国机床铸造公司( a m f ) 生产出v e r s a t r a n 机器人是圆柱坐标型的， 后来又出现全铰链的多关节型，这种多关节型机器人，在三维空间有很高的灵活 性和广泛的通片j 性，典型的j d p u m a 机器人。1 9 8 1 年r 本牧野洋推出了平面关节 型s c a r a 机器人，其手臂只做平面运动，只适合平面范围的工作，但是甲面工 作使它结构简单、控制容易、响应快、成本低，特别适合电子行业中装配插什等 工作，故得到迅速发展。 就在串联机器人方兴未芟之时，又出现了一类全新的并联机器人。它作为串 联式机器人的补充，扩大了整个机器人的应用范围，引起机器人学理论界和工程 界的广泛关注，成为国际机器人研究的主要热点之一。 1 3 国内外研究状况 1 3 1 国内外并联机器人的发展现状。1 由十串联机器人具有较大的t 作空间、灵活的操作性能等优点，在工业，t 产 巾得到了广泛的应用，但需存各关节上设置驱动装置，故各动臂的运动惯量较大， 因而彳：宜实现高速或超高速操作。当在实际应用中需要机器人在有限的工作空间 内有高的承载能力、良好的动力学性能以及高速、高精度等要求时，就需要有另 外种结构形式的机器人可供选掸。在现实生活中，当人们要移动一个很重的箱 了时，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。 并联机构是指运动平台与固定平台之间由两个或两个以上分支相连，运动平 并联机构是指运动下台与固定平台之间由两个或两个以上分支相连，运动甲 天沣大学硕七学位论文 第+ 章绪论 台的自由度大于等于一且以并联方式驱动的机构称为并联机构。并联机器人足由 柯一个或几个闭环组成的关节点坐标相互关联的机器人。与串联构型相比，并联 机械手因采用闭环结构，故具有刚度大、精度高，承载能力强、白莺负荷比小等 优点，故特别适于高速操作。 对并联机构的研究可追溯到1 9 6 5 年，英国高级工程o 币s t e w a r t 发表了名为“a p l a t f o r mw i t hs i xd e g r e s so f f r e e d o m ”的论文，引起了广泛的注意，从而奠定了他 在空间并联机构中的鼻祖地位，相应的平台称为s t e w a r t 平台。s t e w a r t 平台具有6 个自| 牛i 度，在三维窄| 1 | j 可以做任意方向的移动和绕任何方向、位置的轴线转动。 现在“s t e w a r t p l a t f o r m ”已成为并联六自由度机器人机构的代名词，电是并联机 器人领域使用最多的名侧之一。 到上世纪8 0 年代中期，国际上研究并联机器人的人还寥寥尤几，成果也不多。 到8 0 年代末，特别是9 0 年代以来，随着机器人技术的发展，并联机器人作为一项 新兴技术正在各个领域发挥着越来越重要的作用，也受到了越来越多关注。成为 机器人领域中的几个研究热点之一，美国、英围、r 本、法国、德困、俄罗斯、 韩图等国家的研究机构和企业先后j f 展了对并联机器人的研究。作为一个前沿研 究领域，许多大型会议均设多个专题讨论，有众多的研究工作者展开了对并联机 器人的研究，取得了大量的研究成果。 迄今为止，并联机构已在多足步行机、多指灵巧手、多机器人协同工作系统、 飞行模拟器、空间站对接、射电望远镜，强力承载装置、外科手术、盒属切削机 床及微操作等方面都取得显著进展。另外在物料高速搬运和分检方面采用可实 现末端执行器的高速3 维平动的d e l t a 并联机构的方案也获得很大成功，目前， h i t a c h i ，a b b 等公司已将其产业化，并成功地用于巧克力、饼干等多种食品包装 高速流水线。从发展的趋势看，并联机构作为一项新兴技术在工业、民用、军事、 航天及其它特种行业等各个领域必将具有巨大的应用潜力和广泛的应用前景，被 认为是能够适应2 1 谴纪灵活多变乍产环境的新一代高速、高柔性、离经济性的制 造装备。 1 - 3 2 国内外混联机器人的发展现状。”1 ” 由于并联机器人的工作空间较小，它的活动平台远远不如串联机器人手部来 得灵活。可是任何事物都是一分为二的，若用并联式的优点比串联式的缺点，也 同样令人吃惊。首先，并联结构其末端件上的平台同时经由多根杆支承，与串联 的悬臂梁相比，刚度大、而且结构稳定；第二，由于刚度大，并联式较串联式在 相同的自重或体积下有高得多的承载能力；第三，串联式末端件上的误差是各个 关常误差的积累和放大，因此误差大而精度低并联式没有那样的积累和放大关 火津人学硕十学位论文 第一章绪论 系，误差小而精度高；第四，串联式机器人的驱动电动机及传动系统大都放存运 动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而并联式则很容易将驱 动装置安放在机架或接近机架的位置，减小了运动负荷，机器人的运动部分重量 轻、速度高、动态性能好；第五，在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十 分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要 计算反解的，这就对串联式十分不利，而并联式却容易实现。 从以上分析看来，并联式与串联式确实形成了鲜明的对比，在优缺点二串联 的优点恰是并联的缺点，丽并联的优点又恰是串联的缺点。在应用上不是替代作 用而是互补，它们各自都有其特殊的应用领域。因此，目前许多学者i f 致力于将 这两种机构结合起来组成串、并混联式机器人，以便充分发挥各自的优点，弥补 各a 的缺点。以此来扩大机器人的应用范围。因此混联机构是今后机器人领域的 一个发展方向。 目前国内外对串一并混联机器人的研究，已取得了大量的研究成果并在生产 实际中得到应用。例如图1 1 所示瑞士研制的h e x a g i d e 机床，让铰接在导轨上移 动，其主动件可以采用传统的机床进给部件。日本h o n d a 公司也推卅了类似这种 结构的串并混联机床h v 5 0 0 0 型。这些机床的特点是结构相对简单，主轴可以实 现高速进给，又能提供较大的加工空间。串并联机构与s t e w a r t 平台相比较，具有 工作空削大，无奇异点，易控制等优点，容易克服因并联机构在作直线运动时， 控制困难精度低的缺点。 义如瑞典的s m t t f i c e p t 公司采用的三自由度并联机构加串联机构的混联方 案也已获得很大的成功。其生产的t r i c e p t 6 0 0 和8 0 5 型并联机床已售出2 0 0 余台， 波音、沃尔沃、大众、通用、空中客车，宝马汽车公司以及美国别克汽车公司( 中 国1 均购置了这种机床，用于航空航天铝结构件、复合材料的高速铣削、汽车大 础模具制作、激光切割、空间多位姿安装等，取得了显著的经济效益。 1 3 3 国内教学机器人发展现状钉 “教学机器人”多是指为配合理工科院校“机器人学”和有关课程的教学所研 制的演示或实验用机器人。教学机器人的原型是工业机器人( 机械手) ，大都具 备了丁业机器人的一般特点，能够演示工、眦机器人的典型功能，并在一定程度 满足枫器人理论研究的需要。而且操作更简单，成本低廉，适合高等大号院校 用于对机器人技术、机电一体化等课程的教学。 目前，因内已有部分高校研制丌发出了较为成型的机器人教学研究设备，有 些已经在教学中投入使用。 t 海交通大学机器人研究所研制的e d u r o b 0 1 _ 石8 0 i i 型教学机器人是 天沣人学硕f ：学位沦文 第章绪论 一种血自由度多关节的机器人，该机器人具备工业机器人的基本功能，良好的儿 放性及舒适的使用晃面，主要用于各大专院校机器人相关学科的教学和科研等， 已有十多台在有关高校作为本科教学实验的基础设备投入使用。 苏州大学机电系实验室研制的关节式教学机器人采用i b m p c 微机进行直 接控制，具有六个自由度( 五个转动副和一个移动副) ，由旋转台、肩部、人臂、 小臂和手部以串联方式联接构成，在i 维空间有较高的灵活性和较高的精度。 华巾科技大学丌发的h n c i r 型教学机器人总体结构为立式关节形式，具有 五个自由度，各关节均采用步进电机经谐波减速器和绳轮驱动，机器人的控制系 统是以工业p c 机为硬件平台，住华中i 型数控系统软件平台上进行二次开发而成 的开放式控制系统。机器人作业可用示教手动操作完成，也可通过示教编程或直 接编程实现轨迹控制。 固高科技推出两自由度平面机械手、三自由度机械手、四自由度商角坐标机 械手、s c a r a 机器人和“冗余并联机器人”等教学实验系统。除进行教学和培训 外，还州用于细小零件的搬运和电子元件的装配、搬运等工业作业。 沈阳新陆自动化系统有限公司和东北大学自辛，f 发出町重组教学机器人，教 学模型为开放式系列化产品，选用不同的模块可组成串联机器人、并联机器人、 平面六杆机器人等典型的教学机器人实验系统。机器人工作性能很简单，没有具 体的性能指标。 1 3 。4 开放式数控系统的研究现状。6 ”1 计算机数控技术( c n c ) 已经有了四十多年的历史，曾为制造业带来了深刻 的变革。但是传统的数控系统大多是封闭专用的体系结构，它们采用专用的计算 机硬件系统和专用的软件系统。数控技术全部掌握在生产商手中，对于用户来说 是一个黑匣子，不同厂商的产品之间从软件、硬件都不兼容，使得数控系统无法 使用最新的计算机技术。另外，需增加用户的特殊功能时耍从头开始设计，开发 费用高，升级能力和可扩展能力都比较差。这些都直接限制了数控技术的发展。 随着多品种中小批量生产的趋势f i 益增强，需要根据不同的用户需求迅速、 高效、低成本地设计面向用户的控制系统。这就要求c n c 系统具有模块化、可重 构和可扩充的特点。从使用角度看，新型c n c 系统应能在各种计算机软硬件平台 上运行，并提供统。风格的用户交互环境，以便于用户的操作、维护和系统的更 新换代。新一代数控系统开放式c n c 系统的提出正足适应了数控技术这一发 展的需要。 丌放式c n c 具有如下特点：可以用高级语言编程( c 语言、v c 、v b 等) ；软 件模块化，提高c n c 性能无需改写软件，而且可与流行软件相结合：机械制造商 大津人学硕十学位论文 第章绪论 和用户可以容易地开发具有个性的应用软件；采用标准化接门，可灵活选用电机， 驱动装置和反馈元件；操作简单，易于使用和维护。 1 国外研究现状”“。 开放式数控系统的概念在8 0 年代初就己出现。早在1 9 8 1 年，美国困防郭为了 减少军备制造对门本控制系统的依赖性，开始了名为“下一代控制器( n g c ) ” 的计划，并成市了“美困囤家制造科学中心( n c m s ) ”，其主要目的是拟订并推 进关于新代开放式控制系统的详细分析与规范。作为n g c 的后续工作，美国国 防部启动j o a s y s s 页目，其目的是建立并安装8 套控制器，并在6 种不同场所对 其进行测试。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，目前世界上最具 影响力的研究计划为欧洲的o s a c a 、美国的o m a c 以及日本的o s e c 。这三个计 划的实现基本上代表了开放性数控的发展现状。 2 国内研究现状0 4 2 5 1 国内学者和科研单位也对开放式数控系统的体系结构和软、硬件丌发也做了 大量研究工作。“八血”数控科技联合攻关，国内厂商和科研机构相继开发了具 有自丰版权的开放式数控系统，特别是提出丌发中华i 型和航天i 型两个基本系 统及系列化产品，是我国数控技术发展史上的一个转折点。 随着微电子技术和硬件设计技术的发展，尤其是通用p c 机的硬件技术在市 场的激烈竞争中表现出强大的优势，它为软件的开发和运行创造了良好的支撑环 境。目前，国内已有的开放式数控系统有4 种型号，即华中i 型、中华i 型、航 天i 型和蓝天i 型。与o s e c 计划相同，这四个品牌都采用不同的途径利用p c 机 的现有研究成果。如珠峰公司和华中理工大学，利用i p c + 控制卡构成硬件平台， 开发了中华i 型和华中【型数控系统；与此同时，航天数控集团公司利用通用p c 的体系结构，设计了通片j p c 机加数控通用专用模板的单机数控系统，作为普及 型推向市场，并以此为基础与通用p c 机互联构成了典型的前后台结构的多机系 统，。蓝天足在原7 5 0 0 系列的基础上，通过二次集成缩小化设计后与通用p c 机构 成了8 5 0 0 系列的多机系统。 四大开放结构的数控系统有着各自的优点，但从数控系统的长远发展看还有 许多要改进之处，如相互之间兼容性，对体系结构的阐述都局限于具体的现实层 面，没有提高到一种理论的抽象的层面。同时各个系统虽然模块化，但没有标准 化、层次化，没有用到国际 二新的技术，与国外相比在开发思想上还存在定的 差距。 天津人学硕上学何沦文 第一章绪沦 1 4 课题研究意义 由1 3 2 的分析可以看出，混联机构是今后机器人研究与应用的一个发展方 向。而教学机器人就是为人们学习机器入领域的各项最新技术服务的，应使学乍 在教事中通过直接接触的教学机器人去感觉最新的机器人技术。“教学型串并 混联装配机械手”就是为配合传统教学方式的改革、适应机器人领域闩新月异的 发展趋势、进步提高大、中专职业院校实验装备水平、丰富机器人教学及相应 的实验内容而研制丌发的种全新的教学机器人。近年来有许多单位和学校自行 研发了不同功能的教学型丁业机器人。但大部分都是串联机构组成的，由并联机 构或串一并混联机构丌发的教学型机器人的应用实例，迄今为止国内很少见到。 而北京仪器仪表工业学校与天津大学机械学院联合丌发的“教学型串一并混联装 配机械手”实验装置及其配套实验课程，有望填补国内该领域的空白。 机械手采用开放式数控系统也是当今时代数控技术最重要的发展趋势，采 用丌放式数控体系结构可以根据用户需要配置最合适的控制系统，还可将用户的 软件集成到系统控制器，实现系统的集成和扩展，同时也使系统的操作、维护更 为方便。国外并联机构的数控系统多是基于底层核心代码完全公开的商用开放式 数控系统建造的，价格昂贵。国内开发的商用开放式数控系统目前还无法满足并 联机构运动控制的要求，冈此研究开发适合并联机构运动控制的丌放式数控系统 具有很重要的意义。 “教学型串一并混联装配机械手”作为典型的计算机控制机电系统，集成当 代多项共性技术和最新成果。既可模拟生产线上自动装配机械手的工作过程，又 可满足高等院校和大、中专职业院校数控技术、机电一体化、机械制造及其自动 化等专业丌设机器人学相关课程的实验需要。以这种教学型实验设备为基础开设 的教学实验课，可以使学生更为直接地理解工业机器人系统中各部分的功能；对 串联机构、并联机构及混联机构的工作过程有动态、感性的了解，熟悉各自的结 构、特点、工作原理、运动规律、应用场合和三者的区别。该没备既可以作为学 生丌发性实验和毕业设计的平台，还可供教师进行技术丌发和科研实验使用。因 此，开展此项技术研究对人才培养和高新技术的普及与推广具有重要的现实意 义，并具有一定的社会和经济价值。 1 5 本文主要研究内容 论文拟采用天津大学专利( 编号：2 0 0 1 a a 4 2 1 2 2 0 ) ，开发“教学型串一并混联 天津大学硕士学位论文第一章绪论 装配机械手”实验设备，全文主要内容如下： 一阐述课题的研究背景，综述围内外相关领域研究概况。 ：按照机械手运动路径，规划机械手的运动轨迹，再结合并联机构运动学 分析结果，为数控系统的轨迹控制策略、插补算法及运动控制提供依据。 三 针对串一并混联装配机械于对控制系统的要求，结合实验目的，拟定 适合混联机构控制的开放式数控系统总体方案。确定数控系统的软、硬件结构。 四根据数控系统总体方案完成硬件选型，并分析硬件性能；进行备硬件模 块之问的连接；依据系统功能需求正确设置硬件参数。 五完成数控系统的软件开发，实现机械手的各项功能，研究适合并联机构 的插补方法，丌发一种模拟机器人语言，使该实验系统更适合教学需要。 天津入学硕1 二学俺论文 第二章机械手运动学模型b 轨迹规划 第二章机械手运动学模型与轨迹规划 机器人控制问题包含着两个相关的子问题运动控制和轨迹规划。运动学 分析是并联机构设计的核一i l , 内容。也是后续电机参数预估、数控系统建造的重要 理论基础。运动轨迹是设计控制系统工作的依据，它决定了系统的下作方式和效 率，因此对机械手运动轨迹加以规划尤为重要。 本章首先根据教学机器人的实验要求，确定机械手的结构，在此基础上按照 机械手运动路径，规划机械手的运动轨迹，再结合并联机构运动学分析结果，为 数控系统的轨迹控制策略、插补算法及运动控制提供依据。 2 1 教学实验概要 机器人技术知识面较广，要实验的内容较多，一门课程不可能都涉及到，本 文从为学生毕业设计作知识准备和实际需要的角度出发，考虑了2 类实验： 实验一：教师通过动画演示和实物分析使学生对串、并及混联机构的工作过 程有动态、感性的了解，熟悉机械手及其数控系统；掌握串、并及混联机构各自 的结构、特点、工作原理、运动规律、应用场合和三者的区别。 实验二：学生通过上机操作掌握串并混联装配机械手的使用方法，实现串 一并混联装配机械手的各种运动和装配过程。包括： ( 1 ) 机械手按不同轨迹、不同速度移动和转动； ( 2 ) 机械手按不同方式和不同速度实现轴和孔的自动装配( 按行装配、按 列装配和随机装配) ： ( 3 ) 运用机器人语言编程实现对机械手运动的控制，分别完成( 1 ) ( 2 ) 两 项功能。使学生能够运用机器人语言实现对机械手运动的控制。 2 2 机械手结构模型、工作原理”6 “教学型串一并混联装配机械手”实验系统的机械部分采用具有天津大学自 主知识产权的d i a m o n d 机构开发。d i a m o n d 机构是一种新型2 平动自由度全铰接并 联机构，该机构( 见图2 1 ) 由机架、动平台和两个结构相同的支链组成，机架 通过两个支链与动平台连接，形成闭环并联结构。各支链含两个平行四边形。由 查鲨查兰堡主兰堡堡苎 竺三里塑堕王堡型堂堕型兰垫竺塑型 - _ _ _ _ _ - ，_ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ ，_ _ _ _ _ _ _ - 一主动臂、一连架从动臂、三根从动臂组成，其中主动臂与连架从动臂甲行且等 长。两个安装在机架上的电机分别带动两个支链中的主动臂转动，并通过、f 行四 边形的从动臂组带动动平台在平面内作两自由度平动。动平台在运动过程中j 有 平移运动，平台方向不改变。通过更换在动平台上安装的气动手爪实现对不同类 型物体的抓取。 采用此机构可以 针对分拣或装配等实 际工作情况，既可以独 自完成两自由度的甲 动，也可与其他机构串 联组成三自由度的平 动。本实验系统的机械 结构就是由d i a m o n d 并 联机构与一直线运动 进给机构串接组成的3 自由度串一并混联机 构。如图2 一l 所示。将 静、平台安装在带有丝 图2 - l基rd i a m o n d 机构的三自由度混跃机械手 杠螺母副和步进电机驱动的工作台上，通过步进电机的驱动，可以使静平台带动 d i a m o n d 机构沿着固定在工作台上的导轨运动。 2 3 运动学模型删 机器人的运动学模型，是表示 机器人的输入与输出构件之间位 置、速度甚至加速度之间的关系。 其中机构的位置模型包括位置正解 与位置逆解。当已知机器人主动件 的位置求解机器人末端件的位姿称 为机器人的位置i 卜解；反之，若已 知机器人末端件的位姿求取机器人 主动件的位置称为机器人的位置逆 解。从机器人控制的角度来说， 般已知机器人末端件所要走的轨 o ( j ，y ) 图2 - 2 机构运动简图 天津人学硕i 学何沦文 第二章机械r 运动学模型与轨迹规划 迹，通过反解来求得各杆件关节相应的轨迹。因此机器人的反解是进行机器人轨 迹控制的基础。 考虑到网2 1 巾主动臂与连架从动臂，内从动臂与外从动臂等长且平行，故 在运动学分析时可将原系统简化为图2 2 所示的2 自由度平面5 杆铰接机构。 由本课题机械设计子课题中得出如卜- 结论： 1 位置逆解模型 r0 1 l = 2 a r c t m l i = 2 a r c t a n 爿，+ 一，2 一c ，2 + b ，2 三! 二兰( 2 - 1 ) 4 一一。2 c ，2 + 巨2 c b 式中： a ，= 一2 l l y e = - 2 l l ( x s g n ( i ) e ) c ，= x 2 + y 2 + p 2 + 2 一，2 2 2 s g n ( i ) e x 川：一主、从动臂杆k s g n ( f ) = 1 1 ；曼 h ，支链i 中主、从动臂的单位矢量： e 两手动臂轴线间距与动平台内侧两铰点间距之差； x ，y 动平台参考点07 的举标 2 位置正解模型 机构的位置正解是在数控系统中实现实时监控末端执行器点位功能的理论 基础。 石= y = g ，一扛丽 f + c x d 式中： c = + z 1 ( c o s o l l c o s 0 1 2 ) ) d = 1 1 ( s i n o l l s i n 0 1 2 ) e = 一e l l ( c o s o l l + c o s 0 1 2 ) 一g ：+ 扛甄 f f 2 2 1 r，、l 天津人学硕士学何沦文 第二章机械手运动学模删与轨迹胤划 川+ 罟 g ，= 警嘴叫p - c o s o l ，+ l i 知吼 等+ e 2 + l l2 - 1 2 2 + 2 1 t i e s i n o u + s g 嘲喝1 3 速度逆解模型 速度模型是为了建立机器人操作速度和关节速度的映射关系。 式中： ( x e l lc o s 0 1 ) v x + ( y 一，is i n 0 1 ) v ， ，= 一l 1 l y c o s o l 一( x p ) s i n o l 】 ( x 十e i tc o s 0 2 ) v ，+ ( y 一，ls i n 0 2 ) v y1 = y c o s 0 2 一( x + e ) s i n 0 2 】 v ，和v 。表示点动平台o 的速度分量 1 o 和0 9 ：主动臂和从动臂的角速度； 2 4 机械手运动轨迹规划 ( 2 3 ) 轨迹是沿着无冲突路径的关于时间的函数。轨迹规划不仅要求机械手到达目 标点，而且必须沿着要求的路径在一定精度范围内移动，往往还有速度和加速度 要求例。 轨迹规划既可以在关节变量空间中进行，也可以在笛卡尔空间进行。对于关 节变量空间的规划来说，要规划关节变量的时间函数，以便描述机器人的预定任 务。在笛卡尔空间规划中，要规划机械手手部末端位置的时问函数，而相应的关 节位置可根据机械手的运动学逆解导出。关节空间轨迹规划的方法简单，不会产 生奇异位置，但如果要求绕过障碍物或要求机器人末端按预定路径运动，那么就 要采用笛卡尔空间法，关节空间法是难以实现的。显然教学型串一并混联装配机 械手的空间运动须在笛号尔空间进行规划。 2 4 1 机械手运动路径规划 按照设计要求装配操作中机械手运动顺序见图2 ，3 ： 天泮大学硕士学位论文 第一章机械手运动学模型与轨迹埘划 机械手下降卜抓紧零件机械手上升 直线运动到装配孔上方 机械t - t i 蜂松开零件- - - 1 1 , - 机械手上升直线运动回到下一个零件的位置上 机械手对每个轴的装配都需经力往( 装配) 、返( 抓取) 两个运动过程。而 每个过程中，机械手末端都要顺序经过e 升平移一下降三个阶段。装配t 艺要求 手爪在上升和下降段必须保持一定距离内的直线运动，如图2 3 中的a b 和d i - i 段。这是因为： ( 1 ) 在抓取下降段，为防止手爪与待装配轴干涉，需要保持其运动路径与轴的轴 线平行； f 2 ) 在装配上升段，为保证手爪能够顺利地将轴从定位孔中提出，需保持其运动 路径与定位孔轴线平行； ( 3 ) 在装配下降段，需要保证轴的最终运动方向垂直向卜_ ，使得轴能够平稳地落 在待装配的孔卜； ( 4 ) 在手爪松开轴回程中，应保持一段垂直上升过程，以防止与正在f 落的轴发 生十涉。 在平移阶段，为防止手爪及其所携带的轴与储料区、装配区等周边装置干涉， 需要将其提升到一定的高度。可见，装配过程中机械手的运动是按规定的路径进 行的连续运动，需要在工作空间内做插补计算，并保证a b 、( i - 1 直线段达到一 定的轨迹精度。 四 爿 矧2 3 鼗配过稗机械手运动路径 2 4 2 机械手运动轨迹规划 为了简化计算，在轨迹规划中，首先将手爪运动路径分为a c 、c f 、f h 段直线如图2 - 3 ，对于每一轨迹段，机械手运动不能有大的冲击。所以，设 定手爪的运动规律在每一段上为静止专加速专减速静止，这要求动平台的 速度和加速度在轨迹段的起点和终点处为零，且位移运动规律关于时间的一、 二阶导数连续，三阶导数有限。由凸轮设计理论知，存在若干满足上述要求的 位移运动规律可资利用，如摆线、改进的正弦曲线，以及3 - 4 5 次和4 - 5 6 7 查堂查：! 兰堡! ：堂堡堕茎 笙三兰塑燮王兰垫兰堡型兰垫竺塑型 - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ _ _ - - _ - 次多项式等。研究结果表明，采用3 - 4 5 次多项式作为机械手末端运动规律运 动时间短、过程冲击和残余振动小”1 ，比较适合本研究对象。 针对上述3 - 4 5 次多项式运动规律，手爪起止点的连续条件是： r = 0 ，j = o ，v = 0 ，a = 0 f = 1 ，s = i ，v = 0 ，a = 0 式中： r ，s ，v ，“分别表示动平台的位移、速度和加速度： 1 运动规律设计 b 知边界条件个数为6 个即：警三? 筹需要确定的系数 胛+ 1 = 6 ，设五次多项式运动规律为： s = c o + c 1 + c 2 - f2 + c 3 r 3 + c 4 r4 + c s r 5 ( 2 4 ) v = c 1 + 2 c 2 f + 3 c 3 r2 + 4 c 4 r3 十5 c 5 r 4 ( 2 5 ) 日= 2 c 2 + 6 c 3 f + 1 2 c 4 z - 2 + 2 0 c 5 r 3 ( 2 6 ) 将卜述的6 个边界条件代入式( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 和( 2 6 ) 中得： 0 = c 0 = q 0 = 2 c 2 1 = c o + c l + c 2 + c 3 + c 4 + c 5 0 = c 1 + 2 c 2 + 3 c 3 + 4 c 4 + 5 c 5 0 = 2 c 2 + 6 c 3 + 1 2 c 4 + 2 0 c 5 联解上述方程组得：c o = 0 ，c 1 = o ，c 2 = o ，c 3 = 1 0 ，c 4 = - 1 5 ，c 5 = 6 将以上所的六个系数代入式( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 和( 2 - 6 ) ，得： s = 1 0 f3 1 5 r4 + 6 r 5 f 2 7 ) v = 3 0 r2 6 0 r3 + 3 0 r 4 f 2 8 ) a = 6 0 r 一1 8 0 r 2 + 1 2 0 v 3 ( 2 - 9 ) 按照式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 所作的位移、速度、加速度曲线分别如图2 - 4 、2 - 5 和2 - 6 所示。 由图可知：= 1 8 7 5 0 m s a 。= 5 7 7 3 5m s 2 设手爪的最大允许加速度为n 。，r = 圭( t 为总行程 所用时间) 天 仁大学硕士学位论文第二章机械手运动学模型i 轨迹规划 图2 4 位移曲线 7 图2