（机械设计及理论专业论文）新型单臂护理机器人机型设计与控制.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 护理机器人是专门为高位截瘫的残疾人或重病人设计的，可以在病房或家庭 中代替护理人员完成护理工作。随着科学技术的飞速发展，机器人的应用范围不 断扩大，护理机器人也将逐步进入家庭。本文将展示一种新型护理机械臂的设计 方案，这种新型护理机械臂在整体结构上采用两个平行四边形相互串联。一方面， 这种新型护理机械臂在平面定位时具有冗余自由度，提高了避障能力，末端执行 器姿态控制也十分灵活；另一方面，这种新型护理机械臂的手腕驱动电机被转移 到了基座上，从而减小了前臂重量，提高了有效承载能力。本文在理论与实践两 个方面对这种新型护理机械臂做了研究。把p r o e n g i n e e r 与a d a m s 结合起来， 提出了机械系统仿真分析的设计方法。 在实践上。设计并制作了新型护理机械臂的控制系统，包括机械部分设计、 外观设计、电源、步进电机驱动及控制、输入及输出装置等部分的设计并以 p r o t e i d x p 为设计工具，制作了以新型m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机为核心的控制系统电 路板。 设计了单片机的控制程序，包括步进电机控制、键盘读入、液晶显示屏输出 等部分。提出了以单片机为控制器时轨迹模拟程序设计的查表法。同时该程序可 以实现三个原动件以不同的转速运动。 关键词：护理机器人，冗余自由度，仿真分析，单片机，m s p 4 3 0 ，轨迹模拟 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yt h en u r s i n gr o b o t s w i l lg e ti n t ot h eh o u s e h o l d s t h e yc e nn u r s et h ep a t i e n t si n s t e a do ft h e m a n p o w e r u n l i k et h eo r d i n a r yt a n d e m o rp a r a l l e lr o b o ta r m ，t h i sp a p e r p r e s e n t san e wc o n c e p t u a ld e s i g ns c h e m ef o rn u r s i n gr o b o ta r m t h em a i n s t r u c t u r eo ft h er o b o ta r mi sab u n c ho ft w op a r a l l e l o g r a m s t h i sn e ws t r u c t u r e m a k e st h ea r m e a s i l yt ob eo p e r a t e db u ta l s or e d u c e st h et o r q u eo ne l b o w j o i n t a n ds h o u l d e rj o i n td u et ot h ew e i g h to ff o r e a r m t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri s n o to n l yo nt h et h e o r yb u ta l s oo nt h ep r a c t i c e w i t ht h ec o m b i n a t i o no f p r o e n g i n e e ra n dt h ea d a m s ，t h ep a p e rb r i n g s f o r w a r dan e wm e t h o do f m e c h a n i c a ld e s i g n i np r a c t i c e ，t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h i sn e wt y p en u r s i n gr o b o ta r mi s d e s i g n e da n dm a d e i ti n c l u d e st h ed e s i g no fm e c h a n i c a lp a r t 。a p p e a r a n c e ， p o w e rs u p p l y ，s t e p - m o t o rd r i v e 。a n di n p u t o u t p u tp a r t t h ep r i n tc i r c u i tb o a r d o ft h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hu s e sn e wm s p 4 3 0m c ue si t sc o r ei sm a d e p r o t e li su s e da sac i r c u i tb o a r d sd e s i g nt 0 0 1 t h ec o n t r o l l i n gp r o g r a mi nm c up a r ti sd e s i g n e d ，a n di ti n c l u d e st h ep a r t o fs t e p - m o t o rc o n t r o l l i n g ，k e y b o a r di n p u t ，a n dl c do u t p u t a n dt h eam e t h o d c a l l e dt a b l ev i e w i sb r o u g h tf o r w a r d t h i sm e t h o dc a nb eu s e dt os i m u l a t et h e t r a c kw h e nt h ec o n t r o is y s t e mj sb a s e do no n l ya nm c u k e yw o r d s ：n u r s i n gr o b o ta r m 。r e d u n d a n c y 。s i n g l ec h i p ，m s p 4 3 0 t r a c ks i m u l a t i o n n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或中英文摘要编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名 衢触 指导教师签名 雏1 7 2 0 0 4 年石月z o 日2 0 0 4 年6 , 9 2 oi = i 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容p a 夕t , ，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 胳鸸 日期：2 0 0 4 年6 月2 0 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 据中国残疾人联合会公布的一项统计数据显示，目前，中国有6 0 0 0 多万残 疾人，其中肢体残疾者达8 7 7 万人 1 】。另外，每年由脑动脉梗塞与破裂出血而 引起的偏瘫，大约数十万残疾后遗症病人丧失肢体运动肌的功能。为这一庞大的 肢体残疾人群体提供机械化护理和康复治疗，是广大医护工作者和科技工作者面 临的亟待解决的任务。 1 1 护理机器人的基本概念 1 1 1 护理机器人的定义 护理机器人是专为高位截瘫残疾人或重病人设计的，可以在病房或残疾人家 庭中代替护理人员的一些工作。比如为患者喝水、送药、进食等。护理机器人的 主要功能是帮助肢体不便者拿取用品，它在第二代机器人服务机器人中占有 重要地位。与其他的服务机器人如清洁机器人、搬运机器人等相比，护理机器人 有其特殊要求。除了安全性以外，它的用户界面特殊、工作强度不大、精度不高， 但应有一定程度的智能化。 下图为护理机器人的示意图。 图1 1 护理机器人的示意 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 护理机器人的分类 根据护理机器人整体移动情况可分为如下3 种类型： ( 一) 工作站式机器人：工作站由操作平台、四周物品和设备构成，机器人 按操作要求，从相应的物品架上抓取所需物品。属于此类机器人的有美国的 d e s k t o pv o c a t i o n a la s s i s t a n tr o b o t 机器人、加拿大的r e g e n c i e s 机器人和法国的 m a s t e r 机器人等。 ( 二) 搭载式机器人：它是装在轮椅上的多自由度机械手。荷兰的m a n u s 机 器人便属于此类，机械手具有5 个自由度。 ( 三) 移动式护理机器人：它是将机械手装在可移动的小车上，因此活动范围 比较大，可实现在大范围内作业。美国s t a n f o r d 大学开发的m o v a r 机器人可以 穿行到各个房间，机械手上装有力传感器和接近觉传感器以保证工作安全可靠移 动式护理机器人通常应用在医院，可以同时为多个病人服务。 护理机器人由微机或单片机控制，采用手动或语音识别等控制方式，由患者 直接用手操作或发出预先规定的命令词，护理机器人接收到这些命令就会完成相 应的动作或任务。 1 2 护理机器人的现状及发展趋势 在护理机器人的研究和和应用过程中，欧美国家起步较早，以上所提到的五 种机器人都是在欧美国家先后研制的。 2 0 世纪8 0 年代，日本研制出一种名叫“梅鲁根”的看护机器人，它能按照 患者的命令，用两只机械手轻轻地抱起病人，并把病人从床上移n 4 , 车上，再送 病人去检查；它还能把病人送到轮椅上，推到户外去活动：或者把病人送进浴盆 中为病人洗澡。 2 0 0 1 年8 月，日本东京以南的横须贺市正在举办一场机器人博览会，一种 有“护理助手”之称的机器人大出风头。这套神奇的护理机器人是专门为护理人 员设计的。由于护理人员中女性占多数，力气较小，帮助病人移动十分吃力。有 了这套“护理助手”，即便是比较瘦弱的女护士，也能变成“大力士”。护理助 手上安有许多传感器，分别与人的胳膊、大腿、小腿以及臀部的肌肉相连。通过 这些传感器，人体肌肉收缩的信息很快便能传递到与护理服连接的计算机上，计 算机随即发出信号，“激活”护理服，增强人体肌肉力量。这种机器人完全依靠 2 江苏大学硕士学位论文 气压t 作，而无需电力驱动，人们穿上它非常安全 当前国际上已有日常生活护理机器人系统。这一系统可在重残人处于卧床状 态、身体不能自由活动的情况下，通过设置在床边的护理装置( 机器人部件) ， 对重残人进行饮食照料，包括从贮藏柜中拿物品等服务长期卧床而意识健全的 重残人，可在病房、家庭中使用这种机器人，在相应机构的配合下可实现的护理 项目有：体位变换、躯体移动、饮食料理、信息传递( 通讯) 、紧急逃离等。从 长远的角度看，许多规划人员认为，随着老年人的数量和家庭护理的费用增加， 用于个人护理的机器人需求量肯定会飞速增长。护理机器人的研究是康复工程的 重要组成部分。康复，就是要使残疾人与健全人同样平等地参与各种社会活动， 成为人类社会中普通的一员，实现自身价值，为社会做出贡献。残疾人的康复， 除靠自身的努力拼搏、不断进取之外，还需要社会在医疗技术、教育手段、就业 方式和社会交往方面给予帮助。在这些帮助中，需要工程技术及其产品教术 辅助器具等实物给以支持，如轮椅，假肢、矫形器等。辅助器具在残疾人康复的 各个环节上，都起着不可缺少、无法替代的作用。 目前在国内，护理机器人仍处于研究阶段。因此，广泛深入地开展这方面的 研究，对整个社会来讲都是具有深远意义的。 1 3 本课题研究的内容及意义 单臂护理机器人通常固定在病人床前的适当位置，通过病人自己的简便操 作，就可以按照其意志，抓取远处的东西，辅助进水、进食、进药等。实际上这 种单臂护理机器人就是具有多个自由度的智能机械手。 本课题的主要内容是设计新型的单臂护理机器人，并对其进行理论分析和控 制系统设计。这种新型单臂护理机器人采用双平行四边形串连的连杆机构。连杆 机构具有多方面独特的优点，因而在各种机构中得到了广泛的应用，农业、纺织、 轻工、重型、冶金、精密等各种机械行业中大量应用平面连杆机构。例如：在农 业机械和重型机械中，通常利用了连杆机构运动副能承受重载、防止污染及其它 有害影响的优点。 近百年来，世界各国学者对连杆机构进行了大量的研究，人们所以花如此大的 精力去研究它，就在于连杆机构具有结构简单、制造容易、性价比高、家庭容易承 受、易于推广等优点。无论是过去还是现在，对于连杆机构的钻研都有重要的意义。 江苏大学硕士学位论文 第二章单臂护理机器人的机型设计 机型设计通常从功能入手，凭借设计师丰富的经验和渊博的学识，在已有机 械系统中进行不断筛选、组合和改进。机械系统的创新往往是一件看似简单做起 来难的事情。事实上，机构创新往往是组合创新。 从单臀护理机器人的功能看，帮助使用者喝水、送药、迸食等功能抽象为物 体的搬运。我们先来比较一下开链机器人与闭链机器人的机构特点。 2 1 开链机器人与闭链机器人的机构特点比较【2 】 开链机器人的机构特点：各杆顺序连接构成单开链，相邻连杆间为转动副或 移动副。由单自由度关节组成的开链机器人，其自由度数等于该机器人的关节数。 运动学正解：由全转动副组成的开链机器人，在其运动学分析时，把所有的 关节变量都看作是转角，在工作空间内，当给定一组关节转角，确定末端执行器 坐标系相对于基础坐标系的位型称为“正解”。运动学正解可以通过把各个关节 引起的刚体运动叠加求出。 运动学逆解：给定末端执行器坐标系所期望的位型，找出该位型的关节转角 的过程称为“逆解”。该问题可能有多解、唯一解或无解。求解运动学逆解问题 时，首先要将问题细分为几个子问题。每个子问题可能无解、有一个解或多个解， 这与末端执行器的给定位置有关。如果该位型超出机器人的工作空间，那么肯定 无解，且至少有一个子问题无解。当位型空间处于工作空间内，且有多组关节转 角对应与末端执行器的同一个位置映射，此时出现多解。如果某个予问题有多解， 那么整个求解过程应考虑每个解的情况。 闭链机器人的机构特点：在末端执行器与机器人基座之间通过两个或多个分 支运动链连接组成闭式链。相对于开链机器人而言，闭链机器人具有刚性大和便 于布置驱动装置等优点。 运动学正解：可以通过令每个分支运动链所确定的末端执行器的位置相等来 描叙。由于关节变量相互制约，并联机器人的关节空间就不是简单地象开链机构 那样为各关节空间的笛卡儿积。相反，需要对并联机器人自由度，机构中的关节 数和构件数做仔细分析。 4 江苏大学硕士学位论文 运动学逆解；并联机器人的运动学逆解问题可以通过对连接基座和末端执行 器的各个单开链机构运动学逆解的处理来解决 通常情况下，串联式开式链组成的机器人，其运动学正解容易、逆解难；并 联式闭式链组成的机器人，其运动学逆解容易、正解难。 2 2 双平行四边形串连机构特点 一般而言，对护理机械臂有三个基本要求【3 】：第一，噪音低且运动平稳。 第二，在尺寸较小的情况下具有较强的承载能力。第三，末端执行器的位姿控制 方便灵活。为了满足这些要求，研究人员在机械臂的结构、运动模型、控制器和 阻尼器等方面开展了许多创造性的工作。 在对开链机器人、闭链机器人以及s a c a r a 型机器人【4 】的深入研究基础上， 本文提出一种新的护理机械臂机型并对机械臂的结构，运动模型、控制器等方 面开展了独立的研究。 图2 1 双平行四边形串连机构原理图 图2 1 是这种新型机械臂的结构简图。其中虚线代表虚约束链，虚约束链 不仅能够增强整个机构的刚度和强度，还能避免平行四边形在特殊位置( 四边共 江苏大学硕士学位论文 线) 时运动的不确定性。我们可以看出新型机械臂实际上是由两个平行四边形四 杆机构相串联构成的开式链。通过与s c a r a 机器人比较可以看出，手腕姿态控 制电机从手腕参考点转移到了基座位置。 图2 2s c a r a 机型与新机型机械臂比较示意图 图2 2 为s c a r a 型机器臂( a ) 与本文新型护理机械臂( b ) 比较示意图。新型护 理机械臂的另一个优势是具有较高的承载能力与s c a r a 机械臂相比较，这种 6 江苏大学硕士学位论文 设计方案同样具有3 个旋转关节，并且轴线相互平行。不同之处在于手腕的姿态 控制电机从机械臂腕关节转移到了基座，从而使得机械臂的肘关节和肩关节不再 承受因姿态控制电机的重力所产生倾覆力矩 4 】。 2 3 特殊位置时运动不确定性的讨论 图2 3 和图2 4 为机械臂各转动关节在运动中从一般相对位置( a ) 到特殊 位置( b ) 的示意。实验中，让步进电机3 驱动原动件3 ，即连杆a ，以顺时针转 动，当a ：4 与b 马共线时，如上图( b ) 所示的相对特殊位置。这个相对特殊 位置不受原动件1 ，即o b , 和原动件2 ，即蜀b ：转动的影响。当步进电机3 继续 转动，原动件爿：爿，顺时针转动通过相对特殊位置时，由于虚约束链的存在，机 械臂的位形如图2 4 所示。若去掉连杆c ：c 3 再来重复以上动作，当步进电机3 继续驱动原动件彳：4 顺时针转动通过相对特殊位置时，则可能出现下图2 ，5 和图 2 6 所示的两种位形，这就导致了运动的不确定性。 ( a ) 图2 3 一般位置示意 7 aj 0 3 ) 图2 , 4 特殊位置示意 江苏大学硕士学位论文 c 2 q 、 a b t a i b 图2 5 有约束示意 图2 6 无约束示意 通过上面的分析与实验，当原动件2 ，即连杆蜀岛与连杆a 。a 2 共线时，是另 外一种相对特殊位置，这时连杆q g 将起到控制位形作用的。综上所述，虚约 束链c 。c ：g 的存在不仅对提高机械臂的结构刚度和强度上起到作用，对机械臂 运动位形确定性也起到了关键作用。 2 4 新型单臂护理机器人性能预测与机构综合 2 4 1 自由度分析 根据平面机构自由度公式【5 】【6 】：f = 3 n - 2 p l 一乓，该机构的自由度 ，= 3 7 2 9 = 3 。要保证整个机构具有确定的运动，系统需要3 个原动件， 为此，在图2 1 所示的3 个位置，口：，7 1 3 处设计为原动件。 2 4 1 位形正解 为了方便分析末端执行器( p 点) 的位姿正解，如图2 1 和图2 7 所示，共 设s 。，s ，s ：，s ，s ，s ，s6 六个坐标系，各坐标系的z 轴均垂直指向纸外。 结构参数：原动件1 杆长厶、原动件2 杆长厶、原动件3 杆长厶和连杆厶，关 节变量口l ，口2 ，口3 ，0 l ，02 ，03 ，口。 8 其中： 江苏大学硕士学位论文 口l = 万3 一口l 口2 = ，r 6 + 口2 口3 = 口2 一口， o = 亢一露6 一a3 图2 7 位形分析 相邻杆件间位姿矩阵r 。o ，t 2 1 ，r ，2 ，丁3 ，r ? 如下： t ：= rc o s 岛 7 ：一l “n 岛 b l 。0 咖 | | 9 ( c o s 口2 ，li s i n 口2 2 2 1 0 【 o j s i n 占2 c o s 口2 o o s i n 以 c o s 以 o o 、，、， 厶o o ， 厶o o ， o o l 0 o o l o 、llli 0 o o l 0 o l o 尻阢 咖瞄。 吼护 蓦o o c 一 ，。l 哦峨o o = 、 、1 幺o o o o l o 以以 咖瞄。o 、l， k o o o 0 l o 江苏大学硕士学位论文 末端执行器( p 点) 的位姿矩阵【7 】【8 】： 啦吖r 2 l t 3 2 t 川= ( 髻 - c o s s i n m ( 2 # 。，3 m + f z ? 习 酞2 万。3 d ：j q f 厶c o s ( 2 # 3 + u o + c o s ( 融+ 钙- # 6 ) + 2c o s 包+ a 2 一# 6 ) + f ic o s ( 一万3 ) 1 班卜删3 怕卜印m ”铲州玄如嵫怕啊旧+ 厶5 峨呵佃j 公式( 2 ) 代表该机械臂末端执行器( p 点) 的姿态矩阵，公式( 3 ) 代表该 机械臂末端执行器( p 点) 的位置矩阵。从公式( 2 ) 和公式( 3 ) 可以看出末端 执行器具有较好的解偶性，其姿态仅仅与关节变量巩有关，不受其它关节变量 的影响。只要保证3 个原动件l 、原动件2 和原动件3 的转速比为1 ：1 ：i ，并 且原动件i 与原动件2 和原动件3 转向相反，即可实现在手腕参考点位置不变的 情况下，改变手腕的姿态 4 】。 2 4 3 工作空间分析 通过前面对其自由度的分析可知，该机构共有三个自由度。只需确定三个参 量即可确定机构的位置，这三个参量分别为q ，啦，如图2 1 所示。在分析 该机构的工作空间时，我们可以将其简化为平面3 r 连杆机构。由于受到结构的 限制，各个转动关节的关节变量只能在一定的范围内变化。分析该机构的工作空 间时采用传统的解析法或图解法不太方便 9 1 0 1 1 1 。实验中，我们采用离散循 环的方式通过程序计算出该机构的工作空间，计算方法如下所述。 把转动关节1 、转动关节2 和转动关节3 的关节变量在各自的旋转范围内进 行离散，通过三重循环，便可以计算出工作空间。 2 4 4m a t l a b 在工作空间分析中的应用 m a t l a b 软件是美国m a t hw o r k s 公司自八十年代中期推出的数学软件，它 具有优秀的数值计算能力；卓越的数据可视化能力；编程效率高且扩充能力强； 语句简单，易学易用。这些特点使其很快从众多的数学软件中脱颖而出。无论国 1 0 )、， 口 口 + 3 3 ，o 石 万 2 2 似眦 c s ，。 = o r 江苏大学硕士学位论文 内国外，m a t l a b 已经成为线性代数，自动控制理论、数理统计、动态系统仿 真等高级课程的基本数学工具【1 2 1 【1 3 】。 利用m a t l a b 计算工作空间的程序流程： 图2 8 工作空间计算流程 转动关节l 的关节变量口。 o 。, 3 6 0 。】，转动关节2 的关节变量 口： 7 5 。，2 8 5 。】，转动关节3 的关节变量盯，【- 4 2 。, 1 6 0 。】，转动关节4 的关 节变量吼不能独立变化。这里各个转动关节变量是相对转动关节1 的坐标系而 言的。 工作空间仿真结论： 江苏大学硕士学位论文 图2 1 0 工作空间仿真图 通过仿真，可以发现该机械臂的可达工作空间为以转动关节l 的轴，f i , 为圆 心，以r = l ：+ 岛+ 厶一上l 为半径的平面圆。可以说，这样的工作空间非常大。这 也正是该机械臂的显著特点之一。 2 4 s 壁障能力分析 理论上，具有两个自由度的平面机构可以到达工作空间的任意位置，因此， 该机构在平面内存在一个冗余自由度，当遇到障碍物时，通过改变各关节的运动 方式，就能方便灵活地避开障碍物体。从下表可以看出，由于冗余自由度的存在， 机械臂的末端执行器可以以不同的轨迹从a 点移动到b 点，即可避开障碍，又 能保持在b 点的姿态不变。 江苏大学硕士学位论文 表2 i 轨迹 厶岛厶 厶 初始角初始角初始角转动情况说明 图2 1 05 0 1 5 0 1 5 0 1 1 0 口= 3 0 口2 2 9 0- - 4 5 3 个原动件同时转可能与障 转速比1 ：l ：1碍相撞 图2 1 l5 01 5 0 1 5 0 1 1 0 口2 3 0 口2 2 9 0= - 4 5 原动件l 先转原动件2避开障碍 和3 后转，转速比i ：1 注：角度单位为度；长度单位为毫米 ， | 强 f 又 弘 i 、 、 舣 2 5 分析结论 净+ 、 、 、 ，= b ， 矗 图2 1 0 轨迹一 图2 1 1 轨迹二 通过以上深入分析和讨论可见：这种新型的护理机械臂与一般串联机械臂或 并联机械臂不同，采用串联平行四边形结构，既减轻了手腕关节对肘关节和肩关 节的重力倾覆力矩，又减小了机械臂的转动惯量，从而提高机械臂的承载能力和 定位精度。这种新型的护理机械臂存在冗余自由度，有利于机械臂的姿态控制和 避障。 1 3 江苏大学硕士学位论文 第三章虚拟样机设计与实验装置制作 3 1 机械臂虚拟样机设计 对多自由度连杆机构的运动学与动力学分析目前多采用解析法。而实际控制 中，原动件的驱动我们用步迸电机以离散的方式实现，这必将引入误差，这种误 差反映到动平台或末端执行器上所造成的影响用常规的方法难以确定。本课题从 仿真分析的角度，运用动态仿真a d a m s 软件和三维建模软件p r o e n g i n e e r 相结 合的方法，对以上新型护理机械臂进行设计与分析取得了较好的效果。 p r o e n g i n e e r 是当今世界上应用最为广泛的高档c a d 软件之一。由于它强 大的功能、全参数化的设计，被广泛应用于机械、汽车、航天和电子等行业。以 前机械产品设计，产品制造出来后，经常出现零件之间相互干涉，无法安装或安 装不能到位。采用p r o e n g i n e e r 设计产品，可以把设计错误消灭在设计阶段， 同时，用p r o e n g i n e e r 设计产品还是一个虚拟制造的过程。p r o e n g i n e e r w i l d f i r e 是目前最新版本，它在三维建模方面功能强大，应用方便灵活。本课 题的所有机械零件都是用p r o e n g i n e e r 设计出来的【1 4 】 1 5 】【1 6 】。然后，通过 p r o e n g i n e e r 的装配模块将各个零部件进行虚拟安装。 a d a m s 是美国m d i 公司为中档c a d 市场推出的全功能三维机构动态仿真软件， 它采用模拟样机技术，将强大的大位移、非线性分析求解功能与方便的用户界面 相结合，能与当今主流三维c a d 软件无缝集成【1 7 】【l8 】。 在p r o e n g i n e e r 的装配环境下进行机构仿真，首先需要建立一个三维实体 装配模型，如图3 1 所示，并根据实际情况在各零部件之间施加完整的装配约束， 对于有相对运动的零部件装配关系，应保留其自由度，构成运动副。如果安装了 a d a m s 的m e c h p r o 插件，便可以在p r o e n g i n e e r 的主菜单中调用m o t i o n 菜单。 使运动模型的建立更加方便。 1 4 江苏大学硕士学位论文 圈3 1 护理机械臂虚拟样机 3 2 p r o e n g i n e e r 中调用a d a m s 的方法 下面简要介绍一下在p r o e n g i n e e r 中调用a d a m s 进行机构分析的方法。相 关详细信息可以参阅m d i 公司官方公布的方法，即在a d a m s 帮助文件中关于 m e c h a n i s m p r o 部分的描述。 对于v 1 2 的版本而言，首先要安装m e c h p r o 。即运行s e t u p _ m e c h p r o e x e 文 件。 第二步，将a d a m s 安装目录下m e c h p r o 目录中的文件m e c h p r o e n v 拷贝到 p r o e 安装目录中的i 4 8 6 _ n t o b j 子目录下； 第三步，编辑a d a m s 安装目录下m e c h p r o 目录中的文件p r o t k d a t 和p r o e 安装目录中i 4 8 6 _ n t t e x t u s a s c i i 子目录下的文件p r o t k d a t 第四步，运行p r o e ，在装配模式下，菜单中会出现m e c h p r o 选项，这时 就可以调用a d a m s 进行机构分析了。 如果运行p r o e 时出现c p u 不能运行该软件的警告，则应该给系统设定一个 环境变量l ml i c e n s e _ _ f i l e 使它指向a d a m s 的l i c e n s e 文件：如果要进行模型求 解，则应事先启动a d a m s 的l i c e n s e 管理器，否则会出现很多中间文件不能产生 江苏大学硕士学位论文 的错误，当然就不会产生最后的结果文件了。 最后，在p r o e 中也可以将建好的模型存为a d m 文件，直接调用a d a m s v i e w ， 并在其中导入该a d m 文件，然后进行分析。 3 3 机构仿真流程与实现方法 第一步，确定零件运动属性。为了减少仿真树中零件和运动副的数量，可以 将一组一起运动的零件组成一个整体，即相对静止的零件定义成一个构件。定义 材质及相应属性。 第二步，定义运动副。运动副是各个构件间组成的可动联结。m e c h p r o 插件 中可以定义的运动副种类有转动副、移动副、圆柱副、球铰链、万向节、平面副 和螺旋副。 表3 1 运动副类型及属性 运动副种类自由度独立运动类型主要装配关系 转动副1旋转运动 轴对齐、匹配、面对齐、插入 移动副1直线运动轴对齐、匹配、面对齐、插入 圆柱副 2 旋转运动+ 亘线垤功轴对齐 球铰链 3 3 个旋转运动连接( 点对点) 万向节 22 个旋转运动 平面副 3 1 个旋转运动+ 2 个直线运动匹配、面对齐 螺旋副 l 媒旋压明轴对齐 第三步，确定作用力。机构运动模型中的作用力，可以是单向作用力，也可 以是3 个方向的力分量和3 方向的力矩分量。在定义力时，需要说明是力还是力 矩、力的作用构件和力的作用点、力的大小和方向。可以指定力作用在一对构件 上，构成作用力和反作用力。 第四步，定义原动件的运动规律。机构运动仿真模型中原动件的数目和运动 形式由结构的自由度和运动副类型确定，原动件的运动规律可通过设置驱动函数 来实现。运动形式一般为直线运动和旋转运动。 第五步，运动模拟。运动模型建立后，通过设置仿真参数、指定模拟时间， 帧间隔和总帧数进行机构运动仿真仿真过程可以在屏幕上监视。 第六步，干涉检查。指定装配模型中多个零件在相应的驱动条件下运动，找 6 江苏大学硕士学位论文 出干涉发生位置和干涉量。如果发现干涉，可以在p r o e n g i n e e r 的零件库中进 行必要修改，直到干涉被消除 第七步，输出仿真结果。 通过对图3 1 所示的虚拟机械臂的动态仿真，按照发现干涉修改零件 再发现再修改的流程，最终确定了各个零部件的形状和尺寸，从而得到 尽可能大的可达工作空间。 3 4 机械臂实验装置制作 3 4 1 零部件设计 整个系统共有杆件6 根，转盘3 个，轴销7 个，各个连杆、转盘和底座用金 属铝制成，具有质量轻、美观等优点。考虑到各个零件的重力对主轴的倾覆力矩， 远离主轴的零件尽量减小尺寸。转盘3 位于机械臂末端，其上嵌入轻质的滑动轴 承，转盘1 和转盘2 比较接近中心轴，其上嵌入轻质的滚动轴承 1 9 】【2 0 】。 3 4 2 步进电机【2 1 1 作为驱动原动件转动的动力源可以采用伺服电机或者步进电机，这两种电机 的特性不同。伺服电机采用闭环控制较好，一般用于精度和动力特性要求比较高 的场合，但是其成本比较高，通常是步迸电机的数倍。步进电机的精度相对伺服 电机要低，但由于在不失步的情况下，用开环的控制方法就可以达到闭环的控制 效果，控制较为简单，成本也低。综合考虑具体的应用需求，在该系统中采用了 步进电机作为动力源。保持转矩( h o l d i n gt o r q u e ) 是指步进电机通电但没有转 动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在 低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰 减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重 要的参数之一。比如，本装置选用的常州微特电机总厂生产的混合式4 2 b y g h 0 2 3 型步进电机，其保持转矩为2 5 0 0 9 c m 。 步进电机有单端输出和双端输出两种形式，考虑到定位和安装因素采用了双 端输出的型号。步进电机与减速器之间用弹性钢片联轴节连接。在加工精度不高 和关节频繁启动换向时，弹性钢片联轴节既可以避免电机被卡死又能缓冲冲击， 江苏大学硕士学位论文 起到缓冲器的作用。 在这个系统中，选用了常用的、精度比较高的步距角为1 8 0 9 度的混合式 步进电机，全步走的时候每步是1 8 度，半步走的时步距角为o 9 度。实际中使 用的步距角为o 9 度，因此，电机完成一整周的转动需要走3 6 0 0 9 = 4 0 0 步。 磁阻式的步进电机由于耗电和发热量都比较大而没有选用。 步进电机的精度选择相当重要，精度选择过低，将会导致末端执行器运动轨 迹曲线不够平滑，产生锯齿状的曲线。从曲线平滑的角度来看，电机的精度越高 越好，但由于电机的精度要和编码器保持一致，精度选择过高，将使编码器的精 度也要随之选择很高，数据采集与输出时的数据量将增大很多，这将给单片机的 数据处理带来困难。 3 4 3 减速器 为了提高运动的轨迹精度和机械臂整体承载能力，降低系统成本，步进电机 1 和步进电机2 通过减速器来驱动原动件。由于难于购买到体积较小，传动比合 适的减速器，自行设计了双头微型行星齿轮减速器，其原理图如下。 3 ( k 2 ) 图3 2 减速器 传动比计算： 根据公式 2 2 】f = l 一舔= l + 毛z l 毛= 7 ，z 2 = 1 1 ，z 3 = 2 9 ，i = 3 6 7 为了满足减速器体积较小，传动比较大和强度较高等要求。优先确定齿轮的 江苏大学硕士学位论文 模数和相互啮合齿轮的中心距。显然，齿轮l 的齿数小于不发生根切的最小齿数， 为了避免发生根切，齿轮1 和齿轮3 采取正变位加工，齿轮2 采取负变位加工， 这样可以达到等强度的要求，充分发挥齿轮的承载能力。有关齿轮设计的更多细 节这里不再赘述。 行星传动具有行星运动和功率分流的传动特点，同时由于采用内齿轮副可以 充分利用内啮合承载能力大和内齿圈内部的可容空间，具有机构紧凑、外廓尺寸 小、重量轻等优点。在通常情况下，当传递功率和传动比相同时，行星传动的体 积和重量约为普通齿轮传动的l 2 1 6 ：另外，在装配条件允许的情况下，可 以采用数个行星轮均匀分布在内外中心轮之间，可以用均载装置保持各行星轮间 载荷均匀分布和功率均匀分流，不仅可平衡各个行星轮和转臂的惯性力，而且显 著提高了行星传动的平衡性和抗冲击、震动的能力。经使用发现该减速器结构紧 凑、运转平稳、精度较高，可广泛用于微型机械及小型机械手的驱动源中。 通过虚拟样机的设计与仿真，在p r o e n g i n e e r 的工程图模块下，生成各个 零部件的工程图纸，然后到工厂加工零件。 下图为自行组装的机械臂实物图片。 图3 3 护理机械臂实物照片 1 9 江苏大学硕士学位论文 第四章控制系统设计 4 1 控制系统的设计目标 一个完整的机器人系统包括机械部分，控制系统的硬件部分和软件部分，三 个部分之间相互作用、有机结合，为实现系统功能各施其职。对单臂护理机器人 进行控制的目的是使其能够实现三个原动件按照输出轨迹要求分别实现一定规 律的转动运动和轨迹输出两个功能。机械部分的设计在上一章中已经做了详细的 介绍，下面重点介绍一下控制部分的硬件设计和软件设计。 4 2 硬件部分设计 机器人的控制系统相当复杂，在过去很长一段时间里，机器人都通过微型计 算机控制。这样的机器人系统往往应用在工业领域，价格昂贵。作为嵌入式系统 应用产品的主流控制芯片，单片机越来越多的应用在信息家电、智能仪表、智能 保安系统等产品中。由于人们对舒适、便捷、安全生活环境的需求，医疗设备和 护理设备也有走进家庭的必要和趋势。 单片机作为嵌入式信息产品的技术核心【2 3 】，为适应这种发展的要求，单片 机的设计和使用也面临着全新的挑战。随着微电子技术的发展，单片机处理器的 能力不断提高，从最初的8 位到1 6 位，进而3 2 位。功能越来越强大，执行速度 越来越快、集成度、精确度也越来越高，应用领域进一步拓宽。 4 2 1 ，单片机芯片的选择 本课题研究的机械臂系统，其外部需要连接的设备比较多，包括：三个步进 电机驱动器、一个光电开关、二个限位开关、4 x 4 的键盘、2 x1 6 l c d 液晶显示 屏、蜂鸣器、指示灯等。如果采用常用的5 1 系列单片机，因其只具有4 个8 位 i o 口，无法实现与这么多外部设备直接相连，只有进行总线扩展才能满足外设 的需求，这将会增加系统设计的复杂度，系统的可靠性也会有所降低。 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器公司( t i ) 近几年开发的新一代1 6 位单 片机，该单片机在设计上打破常规，采用了全新的概念，其突出的优点是低电源 江苏大学硕士学位论文 电压、超低功耗，非常适合各种功率要求低的应用场合。有多个系列和型号，它 们分别由一些基本功能模块按不同应用目标组合而成。由于其功能远远超过其他 系列单片机的功能因而又称之为混合型单片机。典型应用是智能家庭仪表、医疗 设备和保安系统等方面，由于其较高的性能价格比，应用己日趋广泛 2 4 1 1 2 5 1 。 m s p 4 3 0 系列单片机具有以下一些共同特点【2 6 】【2 7 】： 1 低电压，超低功耗 m s p 4 3 0 系列单片机，在1 - 8 3 6 v 电压、l 州z 的时钟条件下运行耗电电流 在0 1 4 0 0 u a 之间，因工作模式的不同而不同；具有1 6 个中断源，并且可以任 意嵌套，使用方便灵活；用中断请求将c p u 唤醒只要6 u s ，可编制出实时性特别 高的源代码：可将c p u 置于省电模式，以中断方式唤醒程序。 2 强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机，为1 6 位r i s c 结构，r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 代表m c u 的所有指令都是利用一些简单的指令组成的，简单的指令代 表m c u 的线路可以尽量做到最佳化，而提高执行速率，相对的使得一个指令所 需的时间减到最短。m s p 4 3 0 系列单片机具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数寻址， 4 种目的操作数寻址) ，简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存 器以及片内数据存储器都可以参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高 处理速度，在8 m h z 晶体驱动下，指令周期为1 2 5 u s 。 3 系统工作稳定 上电复位，先由d c o 振荡器启动c p u ，保证程序从正确的位置开始执行，保 证晶体振荡器有足够的时间起振及稳定时间。然后可通过软件来设置系统的时钟 频率。如果晶体振荡器在用作c p u 时钟时发生故障，d c o 会自动启功，保证系统 正常运行；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 4 丰富的片上外围模块 m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设，它们分别是以下 一些外围模块的不同组合；看门狗( w d t ) 、定时器a ( t i m e r _ _ a ) 、定时器b ( t i m e r _ b ) 、比较器、串口0 ( u s a r t o ) 、串口1 ( u s a r t i ) 、硬件乘法器、液晶 驱动器、l o 位1 2 位a d c 、1 4 位a d c ，数十个可以实现方向设置及中断功能的 并行输入输出端口、基本定时器( b a s i ct i m e r ) 。 5 方便高效的开发环境 江苏大学硕士学位论文 m s p 4 3 0 系列单片机均可由m s pf e t 4 3 0 p 1 4 0 f l a s h 仿真工具( f e t ) 提供支持。 该f e t 是一种完整的集成开发环境、包括源代码级调试器、仿真器、汇编链接 器、c 编译器等。对于f l a s h 型则有更方便的开发调试环境，因为通过器件片内 的j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h ，可以采用先下载程序到f l a s h 内， 再进行程序调试。开发语言有汇编语言和c 语言。 6 适应工业级运行环境 m s p 4 3 0 系列单片机的运行环境温度为- - 4 0 + 8 5 度，所设计的产品适合运 行于工业环境下。 7 多种时钟模块 m s p 4 3 0 单片机有三种时钟源可以选择提供给a c l k 、s m c l k 、m c l k 。其中l f x t i 提供给外围设备3 2 7 6 8 h z 的时钟，l f x t 2 可以提供高达8 m h z 的时钟供单片机运 行使用，d c o 为单片机内部提供，并具有锁相环，为系统提供一个内部时钟源， 当x t a l t 2 没有提供时，系统依靠o c o 运行，整个时钟配置可以通过d c o c t l ， b c s c t l i ，b c s c t l 2 和s r 等控制寄存器中相应的位来选择和控制，以满足用户对 系统的要求。 8 型号种类多 m s p 4 3 0 系列单片机型号种类繁多，可以满足不同系统的需求。 根据本课题需要，选用m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列中的1 4 9 这一款芯片，它由以下主 要部分组成： 1 基础时钟模块。数控振荡器d c o 、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器。 2 两通道串行通信接口可用于异