多功能平面并联机械手示教仪 设计说明书.doc

多功能平面并联机械手示教仪设计者：王旭东，赵 宣，赵 彬、周长兴，张百齐指导教师：赵卫军，金 悦（西安交通大学机械工程学院，西安710049）作品内容简介本作品是一种新的教学型平面并联机械手示教实验设备，其基于平面五连杆机构进行教学演示，既可用于工业机器人课程的实验和机械设计基础课程的机构演示教学，也可帮助学生进一步理解并联机构及其工业应用。本作品的基本原理是通过与上位机通信，获取在控制界面上鼠标当前有效位置，运用运动位置逆解方程将坐标转换成两电机转角，从而驱动并联机构实现执行末端的运动。同时可以通过上位机的配套软件改变与检测执行机构的运动状态，并将参数实时反映在上位机的控制界面中。本作品机构上除了基本的平面并联机构外，还增加了不完全齿轮机构和直线运动机构来实现抓取和绘画功能，具有演示复杂轨迹曲线的功能与复现轨迹曲线，还可以演示工业机器人在工厂的分拣动作，这提高了实验仪器的趣味性与实验内容的丰富性。本示教仪具有较大的开放性，学生可以从机构学、力传递特性、运动学与控制策略等多方面自主实践探究，提高学生独立思考的能力与创造力。本示教仪不仅将机械类学生所学理论与前沿科学紧密相联，使学生能直观地学习并深入了解并联机构的特性，同时提高学生自主创新实验的能力，对机械类学生创造力的培养具有重要的意义。本作品经调试达到了预期的效果与功能。经市场调查与分析，现有市场并无此类仪器设备，在量产的情况下，可将成本控制在2000-3000元，在高校机械类课堂内具有一定的推广价值。 图1 机械手模型渲染图 图2 并联机械手实物图联系人：王旭东 联系电话Email: 1. 研究背景与设计目标1.1 研究背景自09年以来，中国市场经济面临着经济模式转型与劳动成本提高的困境，而解决这一困境的有效措施是企业使用工业机器人来代替人力劳动降低成本，提高生产效益。随着当今工业现代化的迅猛发展，以及加工工艺的不断完善，控制技术的不断进步，工业机器人的应用前景已被越来越多的企业认可。工业机器人既保证了产品的质量，又减少了在特殊环境下工作的危险性，同时降低了工作人员的劳动强度与技术熟练要求。如图3所示中国工业机器人的需求每年正逐步地增加，而我国工业机器人研究起步较晚，与西方国家存在一定的差距，且工业机器人多依赖进口，这严重影响我国经济的发展。图3 中国工业机器人需求量但高校机械教学实验设备未及时与社会发展需求很好地接轨，经过市场产品调研与分析，市场上并未存在较为成熟且以应用颇广的并联机器人为研究对象的教学型实验设备。并联机构是由2个或者2个以上的驱动器通过杆系同时作用于运动平台的空间机构。它的特点是所有的分支机构可同时接受驱动器的输入，而最终同时给出输出，并联机构在机构学上属于多路闭环机构。本小组决定采用以五连杆为基础的二自由度平面并联机构作为示教设备，其可以实现工作平面内的任意移动。虽然其为最简单的并联机构，但是可以引导机械类学生了解并联机构在工程上的应用价值，并进一步学习和掌握并联机构的结构特点、运动学分析方法和控制技术等，促进机器人技术在机械类学生内的普及。1.2 设计目标1）学生上手快且易理解，作品采用图形化界面，避免了繁杂的编程与函数库的学习。机械结构与被亚克力透明盒包装的电路结构清晰可见，从学生认知的角度讲，学生能够清晰地把握整个作品或实验仪器的结构；2）了解并联机构的基本概念并对工业机器人有初步的认识，学生能够了解什么是并联机构，相比串联机构其具有什么优势，以及并联机器人以及其在工业生产上应用的前景；3）学生能综合运用机械各学科知识分析并联机构，能计算机构的自由度并能简化机构模型从而建立并求解机构的运动学方程。学习简单的数控编程方法与控制技术控制机械手的运动；4）学生能积极探索并联机构的相关特性，如在此示教仪的基础上探究平面五杆机构的运动特性与机构特点，运动学动力学模型的建立，最优路径策略的制定等。2. 方案设计122.1 整体方案设计本示教仪选用STM32作为主控，通过与上位机通信以及上位机的配套软件改变执行机构的运动状态并检测运动状态；它也可以与电机驱动器通信，并通过电机驱动器控制伺服电机，通过电机转动使并联机构运动。该控制为半闭环控制，虽然不能直接检测杆末端的位置，但是当整个机构间隙比较小并且晃动不大时，可以通过检测伺服电机的转动状态计算出杆末端的运动状态，从而进行控制。图4为控制系统整体方案。图4 整体方案设计.2.2. 机械结构整体设计作为实验仪器设备，既要保证实验结果的清晰性，同时也保证机构运动流畅。图5是并联机械手三维装配模型渲染图，图6是最终设备的基本尺寸图。 图5 并联机械手三维装配模型渲染图图6 实验设备的基本尺寸为确定各支链杆的尺寸，本小组将平面并联机构简化为平面五连杆机构，在保证平面五连杆机构的的运动轨迹域不存在死点，即存在双曲柄条件时，应满足两主动杆之和最短且两主动杆与最长杆的长度和应小于或等于其余两杆之和。本小组选取的尺寸如下图7所示：图7 平面并联机构连杆尺寸图在进行平面并联机构连杆部分的结构设计时本小组对连杆材料进行了分析，最终本小组选择了性能优异的碳纤维管作为连杆的主要材料，有效降低运动构件的惯性，同时通过增加副臂形成平行四边形，保证末端平台一直平行机架的同时加强了整个连杆的强度与刚度。这不仅保证了机构的动力性能，同时减低了机构对驱动源转速与扭矩的要求。在肘架连接处由于需要承受较大的交变应力，并且考虑方便制造加工的条件下，本小组选择了铝合金，肘架处爆炸图如图8所示。连杆机构薄弱处在连接部分，但是该机构自重极小，只有500克左右，经过ANSYS受力分析（详见说明书机械校核部分），机械结构强度与刚度满足产品要求。图8 肘架爆炸图1 2 . 相关机构设计A. 抓取机构本示教仪有抓取与分拣功能，该抓取机械手主要是进行旋转运动，综合考虑到末端运动平台空间的大小与旋转抓取扭矩的大小，本小组选用体积较小但性能优异特别是扭矩较大的舵机作为动力源进行驱动。机械手“手指”部分采用不完全齿轮机构，可以精确传动转动角度并能夹紧被抓物体。不完全齿轮模数，分度圆直径。抓取机械手手指部分下图9所示，驱动舵机与“手指”之间使用法兰连接，法兰是舵机配件中的标准件，“手指”使用线切割与数控铣床加工完成，保证了两零件间的同轴度，使传动平稳。 图9 机械手手指部分模型 图10 舵机实物图B. 画笔机构考虑到画笔需要抬笔动作，该动作为直线运动，经过对伺服电机加曲柄滑块机构、直线电机、气缸三个驱动之间的对比，由于气缸质量轻，惯性小，不用增加运动转换机构等优点，我们选择了气缸作为驱动。因为抬笔运动的行程极小，需要力也较小，为了节约空间，最终选择了微型针孔气缸。虽然使用气缸需要提供外部气源，但是由于针孔气缸内径极小，对气的需求也极小，所以气源不需要经常更换。为了改善运动的平稳性，在气缸两侧增加了直线导杆，减少由于笔的自重引起的晃动。下图为画笔机构的模型：图11 抬笔机构示意图C. 减振设计示教仪底座为保证其运行的平稳性，为其配备了较大的支撑座。但由于焊接热变形等因素，底座不能与安放面保持良好的接触，为此本小组采用了工业橡胶吸盘，通过四个橡胶吸盘与安放面接触，不仅改善底座不平的问题，而且更好的隔离外界振动对本实验设备的影响。2.4. 电路控制分析1) 控制部分硬件选择机械手的控制包含了接收上位机命令，位置解算，通过CAN总线给电机控制盒发角度命令等。控制芯片采用ST公司的STM32F407RGT6，其主要特性有：1.集成了新的DSP和FPU指令，而其精简的cortex-M4结构和储存加速器可以提升代码效率，而高速的主频可以提升控制算法的执行速度；2.存储加速器：自适应的实时控制加速器；3.多重的AHB总线矩阵架构配合多通道的DMA传输：采用的哈佛结构使得程序的执行和数据的传输达到并行处理模式，使得数据的传输并不需要主控来进行搬运，大大加速了传输速度和执行代码的效率；4.高速USART，可达10.5Mbits/s；5.高速CAN总线接口，速度可达1Mbits/s。总体电路如下：图12 电路总图2) 通信部分电路设计CAN总线接口电路CAN总线的接口电路选择TI公司的ISO1050，ISO1050是一个自带隔离的CAN总线收发器，其速度可以达到1M，这里利用了B0505S-1W作为隔离的DC-DC来对隔离后的CAN总线进行通信，电路如下：图13 CAN总线接口电路UART通信电路UART采用TI的MAX3232E电平转换电路。其中MAX3232E是一个电平转换芯片，其外设电路仅需要4个0.1uf的电容即可。其电路如下：图14 UART电路3) 控制部分整体思路二自由度平面并联机械手采用以STM32F407RGT6为核心的控制中心，其实现的功能包括：1. 对PC上位机传输的命令进行相应的解码；2. 对传输的信息所包含的坐标信息进行相应的运动学逆解得到PC上位机所要求的直流有刷电机所要转的角度；3. 对运动学逆解后获取的电机转角进行再编码通过PCB上自制的CAN总线模块传输到自制的电机控制盒；图16 电机控制盒实物图其中STM32利用自带的UART配合max3232转电平后与PC上位机进行通信，获取PC上位机编码后的信息。PC上位机获取鼠标的当前位置换算成实际的位置并通过自定义的通信格式编码后传输给STM32，当STM32收到信息后对其进行相应的译码解算出相应的角度。同时STM32将信息编码后，利用PCB板上的ISO1050转成差分电平后通过CAN总线将编码后的信息发送给自制的电机控制盒。自制电机控制盒收到信息后，对命令进行相应的译码操作后获取PC上位机所要求的转速和角度，电机控制盒采用位置、速度、电流闭环模型对直流有刷电机进行伺服的调节控制，从而使直流有刷电机以要求的速度运转到要求的角度，以达到PC上位机对平面二自由度并联机械手的控制。2.5. 产品相关理论参数 下表为本小组所选选用产品的部分参数表1 MAXON电机电机参数参数数值工作电压24V空载转速10700r/min减速后速46r/min堵转扭矩5.7Nm连续扭矩1.4Nm减速箱型号精密行星金属减速箱（输出滚珠轴承）减速比231:1表2 蓝箭舵机参数电压扭矩速度4.8V4.2kg.cm/58.32oz.in0.13s/60deg6.0V5.0kg.cm/69.43oz.in0.11s/60deg3. 理论计算.1. 气缸力计算本作品采用的是SMC针形气缸，由气缸压力计算公式： 其中：气缸截面积（） ，气缸直径为4； ：使用气压压力 ,本作品使用气压为0.7；：摩擦阻力与弹簧力（），测得真实值为7.0N；由此看出当气缸重启，标记笔对白板的冲击较小，且小于标记笔笔芯变形的最小5N力 。1233.13.2 机械结构强度分析与校核本小组设计的示教仪，作为一个实验仪器设备，其本身的结构安全性能是非常重要的，为此本小组针对机构中受力较大的重要但薄弱的部件进行分析。本小组采用的是商业化比较成熟的CAM分析软件ANSYS.下图所示为示教仪底座的受力分析图:从安全系数考虑，所加载荷为实际载荷的3倍即30N，从分析结果看出最大变形量为，满足强度与刚度要求。图17 示教仪整体框架的受力分析下图零件受力比较复杂，是连接主动臂与从动臂的重要零件，本小组对其进行尺寸计算后，进行了受力分析。从分析结果中可以看到最大变形量只有能够满足机构运动中的强度与刚度要求。图18 杆连接三角件的受力分析运用同种方法对电机座进行受力分析，对受力面施加30N局部载荷，电机座的最大变形量也在合理范围内，说明安全性能符合要求。图19 电机座变形分析最后对整个架子进行模态分析，以确定机械手在运动过程中是否存在振动。最后本小组也采用隔振的技术，在机架底座上安放工业橡胶吸盘，整个机架的抗震性能大幅提高。图20 机架的模态分析 图21 机架模态分析10阶模态图谱3.3 机构运动模型简化本作品所使用的并联机械手由两组支链和执行末端动平台组成。而各组支链包含两个铰链平行四边形杆结构，分别有机架-主动臂-连架-副主动臂-支架；支架-从动臂-动平台组成，而各构件件采用转动副连接。通过电机控制主动臂驱动下可实现动平台在平面内的2自由度纯平动。由于平面并联机械手杆数过多，分析不便，本小组对模型进行了如下简化：由平行四边形机构的性质可知，其连接的机构或者杆之间始终具有平行关系，从图中易看出并联机械手执行末端的动平台总是平行于固定架，即执行末端总为一刚体的纯平动，每一时刻动平台相对固定平台的姿态是不变的。因此本小组将考虑到主动杆与连架从动杆及三根从动杆等长且平行。在此做运动特性分析时，将系统简化为二自由度5杆铰接结构，如下图23所示。但平面并联机构与五连杆存在一定的区别，平面并联机械手由于虚约束的加入，比五连杆具有更好的刚度，此外平面并联机械手有一个作纯平动的运动平台。 图22 二自由度平面并联机械手 图23 简化为五杆机构示意图3.4 机构位置逆解分析假设主动杆回零是动平台参考点的重复定位误差很小，因此我们可在机构零点位置建立坐标系，其中动平台参考点的位矢，主动杆与轴正方向的转角已知点位置，求两主动杆的转角，首先我们在固定参考下构造闭环方程：上述矢量具体表达为：式中：分别表示支链中主、从动杆杆长和单位矢量；表示两主动杆轴线间距与动平台两侧两铰点间距之差。由Mathematica符号运算功能，可解出：公式中：据此可以得到的关系式：由简化后五连杆的尺寸，将代入中运动学解析中得到公式：可得出如下两个运动方程：本小组利用电机转角与平面内坐标的数学关系，为机械手绘图提供理论基础。3 ..4.3.5 齿轮连杆机构分析从以上分析我们可以知道，平面并联机械手可以看成是平面五连杆机构，通过控制两电机转速比为定值时，形成类似定传动比的齿轮连杆机构。通过查询齿轮连杆机构轨迹图图谱可知，改变传动比可以得到不同的类型的图形，如当时且初始相位相同，本作品末端画笔机构在平面内的绘制的图形为圆。这为本作品绘图提供了理论基础同时提高了学生对齿轮连杆机构感性的认识与对机械的兴趣。图24 齿轮连杆绘圆4. 作品性能根据前面的理论计算、结构分析与电路，本小组设计并制造了图26所示的作品同时也完成了图25所示的UI人机交互界面，并完成了相关的实验测试，本作品基本能够实现预期的实验功能。本作品中电机实际转角由于两电机通过连杆相互耦合，实际电机转角在之间而在范围内。通过测试运动平台最大的运动速度为，机械手运动平台末端位置精度。这已基本能够满足正常的教学需求。图25 作品UI人机交互界面图26 实物作品5. 创新点与前景123455.1 创新点1、 集机械绘画、分拣零件等功能，趣味性高；2、 通过控制界面鼠标位置的移动改变机械手的在平面内运动状态，操作界面直观、学生实验上手快；3、 本作品可转化为齿轮连杆机构，通过控制两电机转速比的不同，实现不同的轨迹；4、连接上位机控制，可以进行数控编程；5、可以记录轨