（机械制造及其自动化专业论文）一种科普并联机器人设计与实现.pdf

中文摘要 针对机器人科普性的需求，本文基于天津大学承担的国家8 6 3 专题项目“高 速包装机器人及其成套装备 中类d e i t a 机器人的研究成果，提出了用于中国科 技馆展品的并联机器人实现方案，详细设计了该机器人的机械及控制系统，编制 了使用操作方法并开展了实际应用。全文工作内容概括如下： 口基于类d e i t a 机器人，提出了科普机器人的总体设计方案，规划了科普 展示功能，并用s 0 1 d w o r i s 建立了整机的三维模型，最终确定了机构尺 度参数，为科普作品的最终实施奠定了基础。 口规划了科普机器人的抓取路径和抓取策略，基于修正梯形运动规律实现 了科普机器人的运动控制。 口在分析控制系统硬件功能需求基础上，设计出整套电气图，对电气元件 进行选型，并搭建了硬件平台，为控制软件功能的实现提供了硬件基础。 口分析了控制系统软件功能需求，划分软件体系层次，规划软件主程序及 主要功能模块的流程图，使用l a b v i e w 虚拟仪器开发工具进行了控制系 统界面的设计和控制软件编写。 口制定了科普机器人的使用手册，详细描述了各功能操作的方法，方便了 用户的使用和维护。本文所研制的科普机器人在中国科技馆获得成功应 用。 关键诃：类d e i t a 机器人，控制系统，科普， s o i d w o r i ( s ，l a b v i e w a b s t r a c t t h i sp a p e ra i m sa tt h ei n c r e a s i n gd e m a n di nt h ep o p u l 撕z a t i o no fr o b o t ，b 嬲e do n t h em a i nr e s e a r c h i n gf i n d i n g sa b o u ti m i t a t i n gd e l t ar o b o to fs p e c i 矗cn a t i o n a ln o 8 6 3 p r o j e c “1 i g h s p e e dp a c k a g i n gr o b o ta n di t sw h o i es c tf a c i l i t i e s ，w h i c hi sh e a d e db y t i a n j i nu n i v e r s i t 弘锄df i n a 儿yp u t sf o r t ht i l ep r o p o s a lo nh o w t 0r e a l 娩et h ep a r a l l e l c o n l l e c t i n gr o b o t 嬲t h ee ) ( h i b i ti nc h i n as c i e n c e 粕dt e c h n o l o g ) ，m u s e u m t h ep a p e r a l s oi i i u s t r a t e st h ed e s i g no fr o b o t sm a c h i n e r ya n di t sc o n t r o ls y s t e mi n d e t a i l ， p r o g m m so p e r a t i n gi n s t r i l c t i o n s 锄d 印p l i e sa l lt h e s et op r a c t i c e t h es u i 砌盯i e sa 心 a sf o i l o w s ： 口b a s e do ni m i t a t j n gd e i t ar o b o t ，t h ep a p e rp u t sf o r t ht h eg e n e r a id e s i g n p r o p o s a i o f p o p u i a rr o b o t ， m a k e sap l a no f e x h i b i t i n gf u n c t j o n o f p o p u i a r i z a t i o n ， t a k et h ea d v a n t a g eo fs o f t w a r es o i i d w o r k st 0 s e tu p 3 一d i m e n t i o n a im o d e io fi n t e g r a t e de q u i p m e n t ，a n df i n a ys e t t i ed o w nt h e s c a n gr a r a m e t e i a y i n g t h ei m p o r t a n tf o u n d a t j o nf o rt h ep r a c t i c a l r e a i i z a t i o no fp o p u i a rm a c h i n e r yw o r i s 白 p r o g r a m m i n gg r a b b j n gp a t ha n dg r a b b i n gs t r a t e g yo fp o p u i a rr o b o ta n d r e a i i z i n gt h em o v i n gc o n t r o lo fp o p u i a rr o b o to nt h eb a s j so ft h em o t i o no f m o d i f i e dt r a p e z o i d 口o nt h eb a s i so fa n a i y z i n gt h eh a r d w a r ef u n c t i o no fc o n t r o is y s t e m ，w e d e s i g nt h ec o m p i e t es e to fe i e c tr c a id i a g r a m ， c h 0 0 s et h em o d e io f e i e c t r i c a ic o m p o n e n t sa n db u du pt h eh a r d w a r ep i a t f o r mt oo f f e rs u p p o r t f o rt h er e a l i z a t i o no fc o n t r o i n gs o f t w a r ef u n c t i o n s 口 m a k i n ga na n a l y s i so fd e m a n d si ns o f t w a r ef u n c t i o n so fc o n t r o i n gs y s t e m ， c l e a r i n gs y s t e m a t i ci a y e r so fs o f t w a r e ，p i a n n i n gm a i np r o g r a ma sw e a st h e f i o w d i a g r a m o f f u n c t i o n a im o d u l ea n d u s i n gv i r t u a id e v e i o p i n g i n s t r u m e n t - l a b v i e wt od e s i g na n dp r o g r a mc o n t r o i i i n gs y s t e mj n t e r f a c e 口 c o m p o s i n gt h ei n s t r u c t i o nm a n u a io fp o p u i a rr o b o t ，d e s cr j b i n go p e r a t i o ni n d e t a a n dm a k eu s e r ro p e r a t i o na n dm a j n t a i n i n gm o r ec o n v e n i e n t t h e r o b o td e v e i o p e dt h u so b t a i n e dt h es u c c e s s f u ia p p i i c a t i o ni ns c i e n c ea n d r e c h n o i o g ym u s e u mo fc h i n a k e yw o r d sli m i t a t i n gd e i t ar o b o t ，c o n t r o is y s t e m ，p o p ui ar z a t i o n ，s o i i d w o r k s ， l a b v i e w 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论帚一早殖比 随着社会的进步、科技的发展，机器人技术日趋成熟，取得了很大的进步， 机器人也离人们的生活越来越近。科学技术的进一步发展的同时，出现了各种各 样的普及科技知识的形式【】，其中有机器人大赛、科普知识宣传片、科普机器人 等【2 】【3 】。比如2 0 0 7 “银泉杯”中国机器人大赛暨r o b o c u p 中国公开赛在济南西部 新城区大学科技园举行【4 】，国防科技大学、北京大学、哈尔滨工程大学成为本次 比赛的赢家，分别获得了r 0 b o c u p 中型组4 对4 比赛、水中机器人比赛、空中 机器人比赛的冠军。此次大赛参赛队伍4 1 6 支，参赛选手1 2 0 0 余人，观众人数 达3 万余人，各项数据均创历届大赛之最。其竞技性、科技性、趣味性引发了全 社会对科普的极大兴趣。机器人科普作品可以使人们了解到机器人能干什么，用 机器人有什么好处，机器人对未来生活的影响等，充分展示出机器人的魅力【5 1 【6 1 同时，提高机器人教育和机器人文化普及，对机器人技术研究和应用有很大的促 进作用，正确处理普及和提高的关系是我国机器人技术及应用发展的前提川。这 不仅符合国家加强科普教育、用科技武装人们头脑的方针嗍，而且对机器人产业 化大有裨益。 并联机器人作为机器人的一个重要分支1 9 】，以其独特的优点、具有广阔的应 用前景。自上世纪8 0 年代以来，并联机器人成为机器人行业内学者和制造商的 研究热点之一，并得到了大量的应用【i o j f l l 】。让更多的世人了解、研究从而使用并 联机器人的一个有效方式是研制一种科普并联机器人。 2 0 0 7 年天津大学承担了国家8 6 3 专题项目“高速包装机器人及其成套装备j 发明了一种新型三平动高速并联机械手，该机器人结构新颖轻巧，非常适合完成 对轻小物料的高速抓放操作【1 2 j 。本文所研制的科普机器人作品即以该新型三平动 高速并联机器人为主体，通过演示、体验、感受等手段恰当地运用机电一体化技 术、计算机控制等技术，在科普展项中把机器人拥有的功能以智能性、准确性、 稳定性和艺术性的方式表现得淋漓尽致，使观众既获得艺术享受又接受了科普教 育，完成后的机器人科普展品将应用于中国科技馆展示。 1 2 国内外研究状况 第一章绪论 1 2 1 并联机器人在国内外发展状况 1 9 6 5 年，德国s t e w a r t 发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训 练飞行员【，引。澳大利亚著名机构学教授h u n t 于1 9 7 8 年提出将并联机构用于机器 人手臂。随后，m a c c a i i j o n 和p h a m d j 首次将该机构按操作器设计，成功的将 s t e w a r t 机构用于装配生产线，标志着真正意义上的并联机器人的诞生【1 4 】。典型 的s t e w a r t 并联机器人如图1 1 所示。目前，s t e w a r t 并联机构主要用于6 自由度 模拟平台【1 5 】。 图1 1 典型的s t e w a r t 并联机器人图1 2d e i t a 机构 图1 3d e m a u r 似d e i t a 机器人构成的饼干包装线 ， 口 第一章绪论 图1 4 a b b 公司的d e i t a 机器人 1 9 8 5 年法国r c l a v e l 博士发明了d e i t a 机构【1 6 j ，机构简图如图1 2 所。1 9 8 7 年，瑞士d e m a u r e x 公司生产制造出d e i t a 机器人( 如图1 3 ) ，主要用于巧克力， 饼干等多种食品包装。随后，瑞典a b b 集团公司获得了d e i t a 并联机器人的生产 许可证，并推出了f l e p i c k e ri r b3 4 0 型、d e i t ac 1 0 0 0 型取放机器人【1 8 1 ( 如图1 4 ) 。 1 9 9 9 年底，d e m a u r e x 公司为了提高竞争能力打入世界市场【1 9 】，加入了瑞士工业 集团公司( s w i s sl n d u s t r i a ig r o u p ，简称s i g ) ，并共同推出了新一代的c 3 3 和c 3 3 e 型d e i t a 并联机器人( 如图1 5 ) 。d e i t a 机构是一种典型的高速并联机构，结构轻 巧，特别适用于对物料的高速抓取。目前，d e i t a 并联机器人已经广泛应用于化 妆品、食品和药品的包装和电子产品的装配，成为世界装机台套数最多的一种并 联机器人【z 例。鉴于其结构新颖、轻巧、速度高，且具有良好的展示性，是并联机 器人中最为典型的代表，作为科普机器人的选择方案，非常适合。 图l - 5s i g 公司的d e l t a 机器人图1 6 类d e l t a 机器人样机 第一章绪论 国内对并联机器人的研究也取得了一定的研究成果。在天津大学黄田教授的 带领下，天津大学发明了一种类d e n a 机器人机构川( 如图1 6 ) ，该机构采用两端 含可消隙虎克铰的平行四边形支链结构，便于装配调整。此机械手由机架、动平 台和三条均布且包含有平行四边形结构的支链组成，在伺服电机驱动下可实现机 械手的三平动自由度。该机械手结构轻巧、操作简单，配以先进的视觉系统，通 过轨迹优化和任务导向的程序设计，可提供快速精准的拾取与包装解决方案。 本文所研制的科普作品将选用天津大学发明的类d e n a 机构。机械手可以用 圆柱片拼出不同语种、不同内容的问候语或简单图形，加深了观众的体验效果。 观众通过触摸屏输入简单文字或图形，观察并联机械手高速轻盈的分拣拼字动作 过程，体验一款新型工业机器人在工业领域的应用形式，了解并联机械手的基本 结构与工作原理。 1 2 2 科普作品国内外现状 随着机器人技术的普及，全球掀起了机器人科普热的浪潮【2 2 1 。各种类别的机 器人大赛，如国际机器人奥林匹克竞赛、r 0 b o c u p 公开赛( 如图1 7 ) 、f l l 世 锦赛( 如图1 8 ) 等【2 3 】在许多国家也多次举办。其中比赛形式多样，有机器人足 球比赛、投篮比赛等。机器人大赛融趣味性、观赏性、科普性为一体，日益得到 许多人尤其是青少年的关注和喜爱，搭建了人们了解和关注人工智能和机器人科 学与技术的一座桥梁。让人们与机器人有了亲密接触的机会，深入了解到机器人 的基本结构和基本原理【2 4 j 。也可以此为契机，促进电子信息、通讯、信息技术等 相关产业的综合发展，带动信息产业发展及自主创新能力的提升，推动国际国内 科技文化交流和高科技人才的培养引进【2 5 】。通过近几年各种各类的机器人大赛， 我们能够深刻的感受到科普机器人形式也逐年丰富，从以前只能实现单一任务的 机器人发展到现在会表演的机器人( 如图1 9 ) 、会做操的机器人、会跳舞的机器 人、与人下棋的机器人、智能机器人、仿生机器人等多种形式。目前，工业上用 到的串联机器人已经在中国科技馆有展示( 如图1 1 0 ) ，主要展示了串联机器人 的灵活的运动姿态，让人们亲眼目睹了机器人的高超本领，对机器人产生浓厚的 兴趣，拉近了人与机器人的距离。近年来出现了一类拓扑结构完全迥异于串联机 器人的并联机器人，随着对并联机器人研究的不断深入，并联机器人在工业上的 应用也越来越广泛，作为一种具备结构创新的新兴机器人【2 6 】，并联机器人以其独 特的特点在机器厶科普作品中也开始得到关注。 第一章绪论 图l 7 r o b o c u p 公开赛 图1 - 8f l l 世锦赛 图1 9 机器人乐队图1 1 0 串联机器人科普作品 1 2 3s o l i d w o r j ! ( s 实体建模和仿真技术 应用建模软件对设计对象进行实体建棋2 7 】【2 8 】，是现代设计中常用的一种设 计方法，用来支持设计方案讨论、设计验证、提交用户试用等等。传统设计与制 造过程中，往往采用制造物理样机( p h y s i c a ip r o t o t ) ，p e ) 的方法【2 9 】，但是物理样机 生产周期长，成本高。进入九十年代后，随着计算机技术，实体建模在产品设计 和制造过程中逐渐显示出其重要作用。 美国的计算机建模水平基本上代表了国际先进水平。其航空航天等工程领域 对结构系统的高性能要求推动了复杂系统的实体建模和仿真技术的研究【3 0 】【3 l 】。 主要是仿真产品的几何特性、运动学及动力学性能。通过实体建模技术进行产品 外形设计、布局设计、装配及工作情况仿真，目的是减少设计迭代次数，提高设 第一章绪论 计效率。 美国波音公司的波音7 7 7 的研制是采用实体建模和仿真技术的典型实例，开 发周期从通常的8 年减少到5 年，设计、装机、测试均是在计算机中模拟完成， 初步做到无纸化设计，保证了一次试飞成功f 3 2 j 【3 3 1 。 在并联运动机床( p a r a l l e lk i n e m a t i cm a c h i n e s ，p ) 的开发过程中越来越多 地采用实体建模和仿真技术。给定研究对象的关键参数，借助于实体建模，并联 运动机床的结构分析可以快速进行f 蚓。实体建模技术能够实现机构工作空间的预 估、系统动态性能分析、构件作用载荷计算以及加工、装配过程误差分析。 我国“九五”期间开始重视实体建模和仿真等相关技术，哈尔滨工业大学依 据其研制的并联机床的设计图纸，对机床各部分零件进行参数化实体造型；然后 按照各零件之间的装配关系进行实体装配，并经过渲染形成具有真实感的、参数 化的并联机床实体模型。根据给定刀头点的轨迹和轨迹上各点对应刀具轴线矢 量，采用逆解的方法，实时、动态地显示出并联机床的工作过程【3 5 】。天津大学的 黄田教授等人在研究以机构为核心的各种电池分选装备时也使用了实体建模和 仿真技术对机械手布局及电池分选状况等情况进行了分析、比较，从中选择最佳 设计方案。 目前市面上的建模软件很多，其中较常用的有c a x a 制造工程师、 p r o e | n g i n e e rw i l d f i r c 、s o i i d w o r i ( s 、s o l i d e d g e 等。而s o i i d 、v o d ( s 是市场份额增 长最快，技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件【蚓。它可运行于 w i i l d o w sn t x p 等平台上，是一套基于w i n d o w s 的c a d c a e c a m 桌面集成系 统，是由美国s o l i d w o r k s 公司在总结和继承了大型机械c a d 软件的基础上，在 w i i l d o w s 环境下实现的一个机械三维c a d 软件。 使用s o l i d w o r i ( s 软件进行实体建模，建模后的样机在模仿产品的特性方面， 功能上和物理样机等同，但实体建模技术发展的终极目标是基于现有的产品设计 信息逼真地生成产品的实体模型。应用实体建模技术，可以使产品的设计者、使 用者和制造者，在产品研制的早期，直观形象地对样机进行优化设计、性能测试 以及制造仿真【3 7 】。s o l i d w o r l ( s 软件的实体建模具有成本低、速度快、灵活性强和 减少设计反复的优点。通过实体建模对各种设计方案进行综合比较，选出最优设 计，同时尽早发现设计中可能出现的错误。从本质上讲，实体建模与仿真技术是 分不开的【3 8 】。采用实体建模和仿真技术进行复杂机电产品研发，能够有效地克服 传统研发模式存在的不足。 1 2 4 控制系统国内外研究状况 机器人的驱动最常见的方式是采用伺服电机f 3 9 】，目前，对伺服电机的控制有 第一章绪论 几种方案：一是传统的数控模式一直接数控，既系统的功能分别由专用的处理器 承担，控制系统核心的位置控制器采用模拟驱动接口，这种方案主要是应用在一 些实验室小型设备中，技术不是很成熟，可靠性相对也不高；二是各大公司开发 的专用控制系统，如西门子、武汉华中数控开发的数控系统，这也是现在数控机 床的主流控制系统，但开放性不强，成本也较高，此方案不适合被采用；三是 p l c + 运动控制模块【加】，此方案是将控制模块综合，减少处理器的数目，采用集 成化控制功能的数字驱动方案，但由于p l c 的体系结构是封闭的，各p l c 厂家 的硬件体系互不兼容，p l c 主要应用在可靠性要求较高而实时性差的环境中；四 是基于p c + 运动控制卡的控制方案【4 l 】，此种控制方式由于灵活性及成本低等特 点，能够更好的应用于并联机构的控制中。 纵观目前演示设备的控制软件开发平台，虚拟仪器软件以其“软件即仪器” 的概念得到大量应用。l a b v i e w 【4 2 1 【4 3 】是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t l l j m e n t ， 简称n i 公司) 推出的一门图形化编程语言，同时也是著名的虚拟仪器开发平台 作为一门图形化编程语言( g 语言) ，l a b v i e w 秉承了其简单易用的一贯作风， 使用户能够快速编写出功能强大的应用程序；l a b e w 基于工业标准的图形化 开发环境，结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及专为测试测量与自动 化控制应用设计的高端性能与配置功能，它使用数据流编程方法来描述程序的执 行，可以在短时间内构建出复杂的应用程序，能为数据采集、仪器控制、测量分 析和数据显示托各种应用提供必要的开发工具。l a b v i e w 为运动控制提供了n i m o t i o n 模块，该模块集成了大量子v i ，包含了几乎所有针对伺服电机和步进电 机的控制指令，在对高速运转的电机进行可靠控制的同时可以及时反馈电机状 态，为机械手末端执行器的动作执行提供准确的参考信号。鉴于此，本文的科普 作品控制系统软件将基于图形化编程语言l a b v i e w 开发实现。 1 3 论文的主要研究内容 本文基于类d e l t a 机器人的研究成果，研制一种科技展品，用于中国科技馆 作品展示。该科普作品通过三平动高速并联机械手抓取圆柱片拼出观众通过触摸 屏输入的不同语种、不同内容的文字或简单图形，使观众观察并了解到并联机械 手的结构和工作原理。研究内容主要包括：科普作品的整体方案的设计，控制系 统硬件设计，控制系统软件设计，机械手抓取策略规划及实验等。全文安排如下： 第一章阐述所研究课题的来源及意义，简述国内外发展状况，引出本文的 主要研究内容。 第二章科普作品的整体方案设计，运动学分析，主要包括类d e l 协机械手 第一章绪论 与机架及工作台布局设计、整机的虚拟造型、科普功能具体实现方法等。 第三章机械手轨迹路径规划及抓取策略规划。 第四章科普作品的控制系统硬件平台设计。主要为结合第二章的功能实现 方法，分析科普作品的硬件功能需求，设计出硬件系统体系结构并搭建硬件平台。 第五章科普作品的软件设计。设计出科普作品的软件体系结构，绘制出程 序的流程图，并使用图形化开发工具l a b v i e w 设计控制系统控制界面等。 第六章科普作品操作过程详细描述，为用户使用和维护该作品提供便利。 第七章全文总结与工作展望。 第二章科普机器人整体设计 2 1 引言 第二章科普机器人整体方案设计 科普机器人的整体方案优劣，关系到该作品受观众的喜好程度。通过互动增 强观众对机器人的兴趣是科普作品的有效表现方式，在互动中可使充分了解机器 人。 本章将基于类d e l t a 机构，研究科普机器人整机布局设计和实现科普性的具 体方案，进而开展详细的机械设计，并采用三维实体软件建立整机的三维造型， 结合展示功能的作业空间要求，综合出所需机器人的尺度参数。 2 2 类d e l l 队机械手简介 类d e n a 机械手【：5 】是天津大学开发的具有自主知识产权的三平动并联机构， 该机构由机架、动平台和三条平行四边形结构的支链组成，其中采用两端含可消 隙虎克铰的平行四边形支链结构，便于装配调整。机械手由伺服电机进行驱动， 伺服电机经减速机把动力传给主动臂，主动臂通过从动臂进而带动动平台运动， 这样实现机械手的三平动自由度。 天津大学该课题组己研制出的类d e l t a 机械手的样机( 图2 1 ) ，并形成模块化 安装。该模块通过静平台( 图2 2 ) 上的三个a 1 3 安装孔可实现机器人与机架的方便 连接。在此，仅需考虑科普机器人完成展示作业的工作空间需求及整机布局方式。 图2 1类d e i t a 机械手图2 2 静平台 第二章科普机器人整体设计 2 3 实现科普性的具体方案 图2 3 示出了本科普机器人的总体布局方案。外观采用鲜艳的黄色，该方案 设计成以圆柱体为外观布局，分为上下两部分。上部分为标准圆柱，通过支柱支 撑，四周安装透明玻璃，并联机器人悬挂在顶部。下部分为圆台形底座，内部放 置机器人的控制系统。上下部分中间为工作台面，在台面边缘布置观众操作台。 整体布局给人浑然一体的感觉。 为增加趣味性，此科普作品的展示方式有演示及互动操作，观众可以通过操 作台上的触摸屏输入简单文字或图形符号，观察并联机械手高速轻盈的分拣拼字 动作过程。操作时，首先观众在屏幕上输入简单文字或图形，然后确认；接着并 联机械手抓取工作台面周边的圆柱片并放置于工作台面中央，最终拼出观众输入 的简单文字或图形，完成拼写并停留一段时间后，机械手将圆柱片放回原处，然 后它也回到初始位置。或者提前编好程序，当观众到来时，机械手拼出不同语言、 不同内容的问候语，加深观众的印象。 图2 3 d e l t a 并联机械手 2 4 机械部分设计 图2 - 4 整体布局图 考虑到用于向观众展示，出于安全和观赏性的考虑，用玻璃钢罩罩在机架外 面，这样既不会影响观赏性，也能有效地防止观众由于近距离接触所带来的不必 要的伤害。机械部分总体布局设计如图2 4 所示，机械部分设计主要包括基于抓 取试件及摆字符要求的工作台设计与末端执行器设计、满足工作空间要求的机器 人尺度参数综合、。用于吊装机器人的机架及支撑设计、用于安装控制器件的控制 箱设计。 第二章科普机器人整体设计 2 4 1 工作台的设计 依据科普机器人实现科普性的具体方案，机器人将抓取圆柱片在工作台面上 再现观众所画的图符或字符。为使该图符或字符与观众所绘画的高度相似性，圆 柱片不宜太大，且再现字符时，圆柱片摆放要紧凑。为此，设计的圆柱片外径为 3 0 ，厚度为7 ，下部有4 5 度倒角，如图2 5 所示，数量一共2 1 6 个。初始状态， 这些圆柱片放置于工作台的边缘浅坑中。为满足上述摆放要求，设计的工作台为 直径7 8 0 m m 、厚1 0 m m 的圆盘，材料为铝，加工完毕后进行氧化处理。工作台 中间4 8 0 4 8 0 m m 的区域为摆字区域，外面四周为圆片的放置区域，如图2 6 所 示。工作台的直径是后续机器人尺度综合的目标。 图2 5 圆柱片 2 4 2 机架的设计 2 6 工作台图 根据总体布局图，考虑到机架的刚度及与机械手的连接、安装运输、展示现 场空间条件及外部装饰等因素，将机架设计为由三部分组成：底座、支柱、顶部 横梁，分别如图2 7 、2 8 、2 9 所示。支柱共三根，为外径8 0 ，壁厚5 的不锈钢 管，两端焊接有法兰；底座的三根立柱为外径为1 0 0 ，壁厚为5 的钢管，上部焊 接有法兰，此法兰与支柱下端的法兰通过m 10 螺栓进行连接，下端焊接有垫铁， 底座的横梁为5 0 5 0 4 的方钢，与三根立柱焊接，用于放置控制柜及工作台；顶 部横梁为6 段10 0 1o o 6 的方钢焊接而成，焊接完毕打工艺孔，上部支柱上端法 兰通过m l o 螺栓进行连接。 工作台安装于底座与三根支柱之间，在工作台边缘布置操作台，上面安装触 摸屏及必要的操作按钮，用于观众操作机器人。 第二章科普机器人整体设计 装配后如图2 1 嘶示，工作台高度为7 5 0 m m ，此高度适合观众操作及观察工 作台上机械手快速、准确抓放圆柱片的动作。机械手吊装在顶部横梁上，结合后 续机械手尺度综合可知，机架整体高度为2 0 6 0 m m 将可满足机械手的吊装及机械 手对工作台上的圆柱片的抓放操作。 图2 7 支架底座 图2 。8 支架支柱 2 4 3 控制箱的设计 图2 9 支架横梁 图2 1 0 支架 控制箱放在支架的底座中，考虑控制系统的硬件及与机架的连接，造型如图 2 1l 图2 1 2 所示，其中：主要支架用5 0 x 5 0 1 5 m m 的方钢焊接而成，其余用钢 板冲压而成；考虑到散热及安装电缆的需要，设计有散热孔及走线孔：前面板设 计有放置工控机显示屏的位置大小为4 4 5 3 3 8 m m ；中间设计有大小为 第二章科普机器人整体设计 7 9 0 4 3 0 m m 的安装板，用于安装伺服电机驱动器、空气开关、交流接触器等电 气元件，用螺栓固定在控制箱内部的导轨上；控制箱整体大小为 8 0 0 7 0 0 6 0 0 m m 。 图2 1 l 控制箱三维造型( 正面)图2 1 2 控制箱三维造型( 背面) 2 4 4 末端执行器设计 天津大学课题组已经完成的机械手设计中，其动平台如图2 1 3 所示，其中4 个m 5 螺纹孔用于安装末端执行器。在科普作品的设计中，机械手对圆柱片的抓 放操作采用吸盘电磁铁，用吸盘电磁铁靠电流的通断来控制机械手抓放圆柱片， 控制简单方便，经济可靠，且不需气源等其他动力。 图2 1 3 动平台图2 1 4图2 1 4 吸盘电磁铁 吸盘电磁铁选用北京恩利集机械设备有限公司生产的y s d 2 5 0 型吸盘电磁 铁，直径2 5 m m ，最大吸引力5 k g ，远远满足了要求。吸盘电磁铁如图2 - 1 4 所示， 靠中间螺纹孔进行连接。考虑吸盘电磁铁与被吸取的圆柱片均为金属，为此，需 第二章科普机器人整体设计 要设计一带有缓冲装置的末端执行器，该执行器包括吸盘电磁铁安装架、弹簧及 连接法兰。安装架如图2 一1 5 所示，此安装架下部放置吸盘电磁铁，一侧有螺纹 孔，用于安装顶丝，使电磁铁更牢固，另一侧留有放置导线的槽：中间有孔，通 过此孔用螺栓与吸盘电磁铁上螺纹孔连接；上部是螺纹孔，用于与动平台之间的 连接。 考虑到运动过程中会有冲击及尽量减少吸盘电磁铁在抓取圆柱片时与其之 间的间隙，要求吸盘电磁铁与动平台之间要有缓冲，这里采用弹簧进行连接。弹 簧采用压簧，如图2 1 6 所示。考虑到装拆方便及安装弹簧的需要，设计连接法 兰如图2 1 7 所示。法兰与动平台通过四个孔用螺栓进行连接，法兰下部作为弹 簧的固定支撑。 图2 1 5 安装架图图2 1 7 连接法兰 完整的末端执行器与动平台装配结构如图2 1 8 、图2 1 9 所示。 图2 1 8 动平台装配i图2 1 9 动平台装配2 2 5 新型三平动并联机械手尺度综合 量一 第二章科普机器人整体设计 为满足机械手抓取工作空间及高速性能需求，须综合出一套合理的机械手尺 度参数，机械手的尺度综合】旨在给定操作空间，在兼顾铰链等工程约束条件下 求解各杆件长度。 2 5 1 工作空间及设计变量 如图2 2 0 ( a ) 所示，令主动臂所能达到的上下极限角为日。和以。给定9 。，巳， 彳，和p 后，点的可达空间为主动臂到达上、下角极限时，以主动臂末端 为圆心，以从动臂杆长为半径六个球面包络而成的封闭几何体，如图2 2 0 ( b ) 所 示。在抓取操作中，一般要求安装在动平台上的手爪在一个有规则的区间内运动， 故定义机械手的任务空间为一直径为刃，高为乃的圆柱体，记为形。 据此，机械手的尺度综合问题可归结为：在给定工作空间直径刀和高度石， 确定彳、五、矿和，使得其全域操作性能最优的问题。参照现有d e l t a 机械手 的设计，取旯。= 乃刃= 0 2 0 2 5 。 z 夕 ， 躺 乡帛 r 尺 u 锐 | j | ：严：= ：。：- ：r ：- ： ，：o ：- ： _ _ ：= ：= ：； f 。 ：一： _ d ( a ) 2 5 2 性能指标 图2 2 0 可达空间及任务空间示意图 ( b ) d e l t a 并联机构的尺度综合可归结为：给定形( 设计空间妒乃) ，确定杆长 ，五、动静平台半径差p 以及设计空间上极限距离静平台高度乃，使得操作性 能最优。从运动学角度看，机构的操作性能主要指从关节空间到操作空间的运动 速度映射特性。根据运动学分析中的日= 咖式可知，雅可比矩阵表示由动平 第二章科普机器人整体设计 台操作速度到关节速度( 本文为主动臂旋转速度) 的线性映射。雅可比矩阵的条 件数被认为是最适合的操作性能指标，它被定义为 髟= 垒坠 ( 2 1 ) 式中，仃一= m a x ( _ ) ，盯瞌= ( 历) ，分别为的最大和最小奇异值，九( ，= l ，2 ，3 ) 为厂的特征值。注意到条件数随机构位形变化，选用下面表达式作为空间的操 作性能指标： 石= 够 ， 2 5 3 工程约束 在确定性能评价指标后，必须考虑机械手受到的工程约束。首先，考虑到在 机架上应留有足够空间安装三个伺服电机，因此 f ( 2 3 ) 其次，需考虑的约束为工作空间与机构体积比，可表示为 南 倍4 ， 显然可见，若6 过小，则机构的尺寸较工作空间过大；反之，若6 过大则会影响 操作性能。为了使机构相对于给定的工作空间要尽可能紧凑，选定体积比 2 5 4 优化设计及结果分析 根据上述分析，d e n a 机械手的尺度综合问题可归结为受如下不等式约束的 非线性规划问题： m i nm a x ( 石) ( 2 5 ) s t 血f ，。j ns 。“ 曲五。，z o i n z 乙。 南 第二章科普机器人整体设计 由前述布局及功能设计可知，可给定工作空间群为半径月= 5 5 0m m ，高 乃= 2 5 0m m 的圆柱体，基于工程可实现因素考虑，取= 1 5 0m m ，6 = 1 1 ， 缸= 3 0 0 m m ，一= 4 0 0 哪，m i n = 7 0 0 i n f l l ，一= l o o o 嗍，比= 6 0 0 m r n ， 髟。= 1 0 0 0 舢。 表2 1 商用d e l t a 机械手尺度参数( 单位：咖) p乏 1 5 03 5 08 0 05 8 0 表2 2 t j u d e i t a 机械手与商用d e i t a 机械手性能对比 调用m a t i a b o p t i m i z a t i o nt o o ib o x 中的序列二次规划( s q p ) 函数f m i n c o n 求 可得圆整后的尺度参数最优值f ，彳，) = ( 1 5 0 ，3 5 0 ，9 5 0 ，6 9 0 ) 为说明 t j u d e l t a 机械手设计的有效性，故考虑与商用d e l t a 机械手进行综合性能对比 表l 为商用d e l t a 机械手的尺度参，表2 即为上述两种机械手在等同的暖、主( 从) 动臂截面参数和伺服电机惯性参数的情况下，针对速度、精度的对比，其中i | 叫| 一 0 州1分别表示在i 例= l 和| i 硎= l 的条件下，点的全域最小速度和全域最大 位置误差。由表2 可知，利用本文提出的设计方法得到的d e l t a 机械手，在速度、 伺服精度以及驱动力矩方面均优于现有商用d e i t a 机械手。 具体实现时，机械手的三条平行四边形从动支链采用可预紧虎克铰链与主动 臂和动平台连接，且可预紧虎克铰采用开放式设计，通过拉簧消除铰链间隙。为 了减少运动部件质量，主动臂和从动臂均采用碳纤维制作。 2 6 本章小结 本章基于课题组已经完成的类d e i t a 机械手，开展了总体方案设计，主要包 括实现科普性的具体方案及机械设计，取得如下结论： 1 提出了基于高速类d e l t a 机构的科普并联机器人概念，并规划了实现科普 性的具体方案，该方案采用机器人摆放圆柱片再现观众绘制的图符，既展示了机 器人的高速性、灵活性和准确性，又实现了机器人与观众的互动。 2 给出了科普机器人的机械总体布局，在此基础上，设计了各部分的详细 第二章科普机器人整体设计 机械结构，并完成三维实体造型。 3 依据科普机器人抓放圆柱片这一表现形式，给出了机器人的工作空间要 求，据此，以雅可比矩阵的条件全域均值作为性能指标，并考虑工程约束，将机 械手的尺度综合问题归结为受约束的非线性规划问题，最终优化设计出一套机械 手的尺度参数。本章为后续章节奠定了基础。 第三章科普机器人动作规划 3 1 引言 第三章科普机器人动作规划 高速并联机械手轨迹规划的目标为在给定位移与最大加速度的前提下，优化 其末端执行器的运动轨迹，使得其运行时间和机械振动趋于最小。这就要求其轨 迹至少应满足以下两点：( 1 ) 末端执行器始末两点速度、加速度为零；( 2 ) 位移曲线 对时间的一阶、二阶导数连续，三阶导数( 跃度) 有上界。本章介绍了一种修正梯 形的运动规律，并针对机械手p t p 操作的典型工况作柔性路径优化，确定出了一 种适合高速并联轻型机械手快速高精度盯p 操作的最佳运动轨迹。 同时，考虑到待摆文字图形及圆片原始位置，结合高速并联机械手的抓放操 作特点，介绍了一种就近原则的码字策略，进一步提高了科普机器人的整体码字 速度。 3 2 高速并苇泖械手抓放轨迹 高速并联机构工业应用场合多为p i c k a n d p i a c e 抓放操作1 4 5 l ，可以采用门字 形轨迹一方面在拐角处由于突变容易造成机械手抖颤，另一方面也降低了抓取速 率。因此，探求一种合理的弧线过渡模式，对提高机械手的整个工作性能将是非 常具有意义的一项工作。 考虑到运动过程中存在一定高度的障碍物，而且要求轨迹所用时间最短，所 以采用速度插补的方法，进行如下轨迹规划。运动路径分为六段( 如图3 1 ) ：直 线段砺，丽，蕊；弧线辟砺，丽。即在上升段的中点互点处开始给 水平的速度，同时继续有上升的运动，到达只点时，上升的速度为零并沿着水平 路径直线运动，当到达刀点的时候开始给向下的速度，同时继续有水平的运动。 到达只点时，水平的速度为零并沿着下降的路径直线运动，最终速度回零。 图3 1 路径规划 1 9 i ，2 +忍 第三章科普机器人动作规划 为在给定位移与最大加速度( 电机驱动力矩) 的前提下，使得其运行时间和机 械振动趋于最小，其末端执行器的运动轨迹至少应满足以下两点： ( 1 ) 末端执行器始末两点速度、加速度为零； ( 2 ) 位移曲线对时间的一阶、二阶导数连续，三阶导数( 跃度) 有上界。 经计算比较，认为修正梯形运动规律是在相同位移下和相同最大加速度下，运行 周期短，综合性能好的一种。其加速度曲线为： s ；n 粤力 。 c o s 等c ，一酬s i7 ”i 卵i 一吒。 一s 弘别 式( 3 一1 ) 两边对时间积分，得到其速度曲线 一丢c 。s ( 等力+ 彳 口一七b 丢s ；n i 等c ，一言乃i + f石8 1 n i7 【，一i 印l 托 一a o 七d 一丢s ；n i 等c ，一吾刃卜z一石8 1 n i7 【，一i 印f + z ( o ，吉乃 专乃 唁阳乃 ( 3 - - ) 翮吾刀 弓阳乃 ( o ，言乃 c 吉刀 唁阳乃 p 2 ， 阳吾乃 弓阳乃 式中彳、彦、c 、刃、石。为 哥足帚奴。 跟据边界条件：，= 。时，矿= o ，有彳= 击丁，进而可解得 刀= ( 击一言) 7 ，f = ( 击+ 书丁， 刀_ ( 去+ 司丁，占= 击厂。 把各常数代入式f 3 2 1 ，可得 第三章科普机器人动作规划 l ，2 一丢c 。s 每力+ 击， ，+ ( 击一丢) ， 丢s ；n 等c ，一言乃 + ( 击+ 丢) ， 一t ，+ ( 击+ 吾) ， 一丢s ；n 等c ，一吾乃 + 击丁 式( 3 3 ) 两边对时间积分，有 2 一( 寺2 s i n 专力+ 衙+ 4 吉，2 + 厨+ 眉 一套2 c o s 争到一q 一丢户+ 历+ 4 ( 丢) 2 c 。s 等c ，一詈乃 + 毋+ 互 ( o ，昙乃 咭乃 g 7 ，昙乃 ( 3 - 3 ) 、88 、。 毒厂 ，昙乃 、88 7 弓轫 唁黜乃 ( 3 - 4 ) 喀吾乃 弓翮乃 由边界条件：，= 0 时，= o ，可得4 = 0 ，进而可解得 4 = ( 去一击) 严，q = 一古严， 4 = ( 击一盖) 严，互= 吉， 将各常数代入式( 3 - 4 ) ，可得 j 2 白2 s 畔力+ 去乃 三广+ ( 击一去) 刀+ ( 去一去) 严 kc o s 降c ，一剐+ 怯+ 习乃一去u 2 一三广+ 怯+ 习刀+ 皓一盖) 严 喙) 2 c o s 眵c ，一吾乃 + 去刀+ 昙严 当，= 丁时，有j = (