一种机器人机械系统设计

.................................................................................................... 第一章绪 引 课题研究背景及意 本课题研究的主要内容和重 研究的主要内 研究的重 本章小 第二章签字机器人机械系统的设 引 丝杠副和导轨副的对比分析和选 签字机器人驱动方案的对比分析及选 并联签字机器人机械臂机构设计和优 并联机器人机械臂机构的选型设 并联机器人机械臂机构的尺度设 并联签字机器人系统的机械结构设 并联签字机器人机械系统的仿真造 本章小 第三章信息的数字处 引 并联签字机器人的轨迹规 并联机器人系统的控制原 信息处理的算 机器人操作面板的设 坐标数据的转 信息处理程序的设 数据处理程序的仿真测 本章小 第四章实验系统的调 第五章研究总结和展 研究总 需要进一步研究和解决的问 参考文 附录A：McirosoftVisualC++关键的程 致 引先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则行动。自从1962年研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术发展课题研究背景及本课题研究的主要内容和重1-1的上位机控制系统原理图设计出形的输号形的输号输 本章小引学过VC++等原因，的没做出来，因此只作本地的。其主要的功能是在PC丝杠副和导轨副的对比分析和杠副传动效率通常是传统的滑动丝杠系统的2~4倍，高达90%~98%，并且由于只是使工作台带械臂移动，以写出不同的字，而且在写字的过程中工作台的经过对市场中已有的滑动丝杠副进行比较和选择，最后决择选用由艾签字机器人驱动方案的对比分机器人的电机驱动方式通常有以下几种【5步进电机：步进电机的控制性能好，可直接实现数字控制。并且具有20HS4006A420BYGH步进电机。该型号步进电机一些相步进电机的驱动器选用与其配套的M420B型两相混合式步进电机驱动器,这样能更好的与所选的步进电机进行匹配。并且这款步进电机驱有很多的优能够光电信号输表2-2电流设 表2-3细分设1248B并联签字机器人机械臂机构设面双度五杆机构作为该并联签字机器人机械臂。通常，平面五杆机构主是用在较大尺寸的机器人及其机械臂上的。随着小 2-3常见铰链五杆 ee 2-4在确定合适的五杆机构时，一般遵守的选择准则是2-3中（a,d,e）所示类型的输入比较容易实现2-3中的可以将驱构固定在机架上，这样将能够在很大的程度上提高机构的刚度【8。合考虑各种实际情况，最后选定如图2-3中的e所示类型，同时选取具有对称形ABDE CD 5yCC32D14AEx图2-5平面双度五杆机构模作用在A和E上，驱动两个曲柄作为驱动的输入端。这样可以减少中间机构，文献9和10中，五杆机构中是否有曲柄和有几个曲柄，不仅和机构尺|BCCD|AEABDEBC |BCCD|AEABDEBC

(2-2(R2-R1)>R2>2R1 2P2P41Q3AE 圆 图2-7铰链C的工作空在图2-6中的平面五杆机分成铰接点C处断开。2-6中很容易1BC杆与AB2BC杆与AB杆的杆长之和。由于该平面五杆机构的工作点C同时受以上两个开链机构限制，如2-7，可以看出其工作空间是两个相等的圆环的交集，即为图中的阴影部分。2-7x轴上半部分的工作空间是需要的，现对x轴上半部分的工作空间进行理论分析【11，12。端工作点C的工作空间的面积。S1为：S1=(S2,4－2S2,3+S1,3 S1,3S2,4S2,3为

2(RR)2(RR)Rsin cos1R3/2(R2R1 2(RR)2(RR)Rsin cos2R3/(2(R2R1 (RR)2(sin24)(RR)2(sin2322

222cos3((R2R1

(R2R1

)/(2(R2R1)R3

(2-cos4

R)2R2

R)2)/(2(R2R1)R3

C3AE、C4AE和C4EA半部分中的阴影部分。而所设计的并联签字机器人机械臂的工作空间是a×b=9×10mm的矩形工作空间。为了使设计的并联签字机器人外形尺寸尽可能的(xR/2)2y2(RR(xR3/2)2y2(R2

(2-2-7所示，设矩形右边的两个顶点的坐标分别为Q(x1,y1P(x2y2

x1x2a/ y2y1y(RR)2(RR)2(aR3) (RR)2(aR3) R3 minf(R,R)(R(RR) 2aR32

S2S

(RR)(RR) 2aR32 2(R2R1)R32R1RR2010里优化工具箱（OptimizationToolbox)中的优化算法函数来求解。而其中求解有约束条件最优化问题的函数有：fminbnd、fminmax、fmincon、f等【13将a9mm,b10mm,d22mm代入上式中，并在 R2010中编写functionf=obj2(x)e=acos(d/(2*(x(2)-g=acos(((x(2)+x(1))^2+d^2-(x(2)-h=acos(((x(2)-x(1))^2+d^2-(x(2)+x(1))^2)/(2*(x(2)-function[c,ceq]=test2(x)ceq=((x(2)+x(1))^2-(a*0.5+d*0.5)^2)^0.5-((x(2)-x(1))^2-(a*0.5-d*0.5)^2)^0.5-5、6等值时，很快就出结果了。最后经过多次初值的选择和调试，得出结果如xfexit

运动，同时还使其独立的关节的变量数目减少。工作点C预定的运动轨迹。运动的失真程度通常是用灵巧度来衡量的，Salisbury等人提出了机器人的C(J)||J||||J1 或等于1的数，即1C(J) 如果C(J)的值越大，那么该矩阵的逆矩阵J1的精度和稳定性就越低，输入数是不可以由向量范数来诱导的Frobenius范数，它的定义是全部元素平方和的tr(JTJ||tr(JTJ上式中，tr()是矩阵对角线上各元和，表示的是矩阵的迹。所以此tr(JTJtr(JTJ

tr(tr(J1TJJ J12 J 22JC(J)1(J2J2J2J2 J 2-5C的位置(xcycxR3RcosR R3RcosR ycR1sin1R2sin2R1sin4R2sin在上式方程中，在方程的两边分别对时间tx(RsinRsin2)Rsin2

2

2

4(2-4y(RcosRcos 2)Rcos2 2 2 又由方程式（2-19），在两边分别对1,4进行求导，就可以求得2

R1sin(3

Rsin(21 R2sin( 1 2 R2sin(2 1 RsinRsin2sin(3 sin(23 Rsin2sin(43

sin(3 2cossin( Rsin

Rcos2sin(432 sin(32将矩阵J中各元素的值分别代入到式（2-18）中，就可以得到在平面五杆机sin2(23)sin2()sin2()2cos()sin()sin(C(J)

sin(21)sin(43)sin(2(2-当平面五杆机构处于奇异位形时，其雅可比矩阵行列式的条件是det(J)和det(J2-7所示，显然，当43,或4＝3＋，12或时，平面五杆机构的末端工作点C刚好在可达工作空间的边界线，此时正好满足雅可比矩阵行列式det(J)0的条件，即在此时会出现奇异位形，但不满足雅可比矩阵行列式det(J)达到要求，就要使这四个顶点的雅可比矩阵条件数远离∞，尽量接近1。对图2-7中C点的工作空间进行分析，就可以发现，只要通过改善输入杆的尺寸参数(xR/2)2y2R2R22R(xR/2)cos2yRsin c (xR/2)2y2R2R22R(xR/2)cos2yRsin c c 2c22212 c (xR/2)2y2R2R22R(xR/2)cos2yRsin R c 2c22212 c c AcosBsin 有关，具有唯一性。再由图2-6中机器人的安装模式，可求出末端工作点C在可22yR 4R(xR/2)4222R(xR/2)yRR22 2c2R(xR/2)(xR/2)2y2R2 c c 13

2yR4R(xR2yR4R(xR/2)4yR222(xR/2)yR c2R R/2)(xR/2)2y2R2c 22yR 4R(xR/2)4222R(xR/2)yRR22 2c22 2yR 4R(xR2yR 4R(xR/2)4222R(xR/2)yRR22 2c1

(2-输入杆R1的函数关系式：C(J)f 的区间范围内的。在式（2-29）中，雅可比矩阵条件数与R1存在一定的函数关系，R1此可以用R2010优化工具箱中的求有约束一元函数最小值的优化算fmibnd进行优化计算。再次在R2010中编程：[xfvalexitflag]=fminbnd(@myfun,6.7,10,options);由于fminbnd2-8可知，当雅可比矩阵条件数取最小值时：R1=4，显然是不合理的，因此要调整R1的一维搜索范（6.7,1R1值进行调整，最后得出平面五杆机构的加工尺寸为：雅可比矩阵条件数由C(J调整到C(J2.4917并联签字机器人系统的机械结构设虑到加工及成本问题，选用一段天线作为笔套，即简单又方便取材。并联签字机器人机械系统的仿真造在工程中，常用Autocad设计和绘制零件图与装配图，用于指导零件的横向步进电机的机架的轴孔和装配后的滑动丝杠副的轴承座轴承孔要在同一直测设计出来的零件能否装配成功和整个机构运转过程中的各零件是否会发生干现用Pro/ENGINEER设计各零部件的详细尺寸，进行实体建模，然后用Pro/E的装配模块，完成整个机械系统的装配。这样专配体内在和外在的关系涉或尺寸设计不对等原因导致装配【17。本章小引的内容而定的，当书写者从PC机中输入文字或图形后，其路径和轨迹就是确定而对电磁铁的控制和对使工作平台横向移动的步进电机的控制都只是一个辅助PC机上用鼠标输入的方式作为信息的输入方式，由PC机来完成数据信息的处信息处理的算点都随PC机上的输入文字的而确定，并且还规定了控制机械臂的每个电机的转动方向。由PC机输入的文字的各笔画中各像素点的位置坐标信息，再将这在明确设计任务后，在VisualC++开发中创建一个框应用程序。编3-1所示的控制面板。操作面板的框内处理后的数据都保存在一个数据链表结构中【21在指定的并联签字机器人机械臂的工作空间（9×10mm）内建立如图3-2b所那么并联签字机器人机械臂工作台上的坐标系画成90×100个网格点，也就是说在PC机的操作面板上的平面直角坐标系与平常看到的直角坐标系不同，其默认的原点位于屏幕左上角，x轴的正方向向右，y轴的正方向向下。以第一个作面板和机器人机械臂工作台上的网格点就形成了9：1的规律，并联签字机器人机械臂的运动轨迹就与书写者在操作面板上输入文字的轨迹存在着一定图3-2aPC机操作面板坐标系划分图 图3-2b并联机器人工作台的坐标划CBCBD1,tE4,tAC的坐标为(xt,yt)，对应于机C的坐标为(xt',yt')

x 1x45 t1 y t yt x1x135x y (3-2)t yt 同理，第三个框：

1x225 x xy (3-3)t yt x1x315x y (3-4)t yt 下面以第一个框的数据处理为研究对象。将式（3-2）中(xtyt(xc,yc)并代入方程式（2-28）AB和ED(1,t,4,tC’时，对应的角度1,t＝1,t1

4,t 由于之前所选定的步进电机为步距角是1.8º/步的步进电机，型号为由上两式中得到的(1,t,4,t)正好为步进电机步距角的整数倍，那么给步进电n1,tINT(1,t/0.90.5)(1,t INT /0.9 n4,tINT(4,t/0.90.5)(4,t /0.9 信息处理程序的处理为例，下面讲述PCMousePoint动态双链表的数据结构下，并且该数据结构定义为：struct{doubleX;//x坐标数据变量doubleY;//y坐标数据变量MousePoint*next;序就会调用一次动态双链表数据结构的函数Save，保存这个网格点的坐标MousePoint*Save(doublex,doubley){MousePoint*pS;pS=newMousePoint;pS- if(!(pEnd->X==x&&pEnd-} deletepS;}其它三个用于数据信息的动态链表为MousePoint3。数据结构定义和保存函数定义都与MousePoint{{{}strMessage.Format("LeftButtonPressedatCDC* -R3/2)+(u-R3/2)*(u-R3/2)+v*v+R1*R1-{} }{{}}struct{intAngle1;//AB杆转动的步进脉冲数intAngle4;//驱动DE杆转动时步进脉冲数CountPulse*follow;CountPulse*Number(intn,intm)//转换脉冲数的保存函数 CountPulse*cS;delete}双数据链表CountPulse中。 {if(!((end->X==127&&end->Y==127)||(end->X==-127&&end->Y==-127)||end->Y==125){

(end->X==126&&end->Y==126)||(end->X==125(end->X==124&&end->Y==124if((end->X-start-i=INT((end->X-start-{i=INT((end->X-start->X)/k-}j=INT((end->Y-start->Y)/k-if(!(i==0&&{while((i>30)|(i<-30)|(j>30)|(j<-{{}elseif(i<-{}{}

{}elseif(j<-{}{}

}}}{ }}if((end2!=NULL)||(end3!=NULL)||{}是分别控制落笔和抬笔的信号。126，125是控制辅助电机的数据，它们分别控但在此时，经过转换后所形成的新的脉冲数据并没有实际的意义，只是表示从签字时中间点的上一位置移动到下一位置时步进电机所需要的脉冲数，并没有80些特殊数据，计数极限是123个脉冲。这样，在双数据链表CountPulse中while(point!=NULL){if(!(point-{if(point-{}

}{}

unsignedcharzero1;m_strEditTXData=point- intunsignedcharexag1;CByteArraybinData1;}if(!(point-{if(point-{unsignedcharzero2;}{m_strEditTXData=point-}}{}

inttemp2;CByteArraybinData2;}开开N复YYY重Y重N绘画完Y数机机械臂开始签NY数据处结结3-4微小并联机器人信息处理程序流数据处理程序的仿真先就要看和处理之后的数据是否是正确的。经过处理后的脉冲数据都在头指针为PulseNumber的数据双链表结构按钮。在书绘完毕之后，左键单击这个按钮，在头指针PulseNumber下的数“127”和“-127”分别表示电磁铁通电控制信号和断电控制信号，126为使工作台向前移动的步进电机的控制信号，125是是工作台复位的步进电机的控制信图3- 值。这样，就能自动的在PC机中生成轨迹了，然后将PC机中生成轨迹和签字图3- 图3- 本章小设计了一种 44-4-5为PC机中输入的文字图形和并联签字机器人自动写的文字4-5研究Pro/E进行实物造型和仿真。在VisualC++6.0中编写上位机程序，设计并编写了数需要进一步研究和解决的问【1 Craig,J.J，贠超，等.机器人学导论[M].：机械工业 张贵钦.微机电系统(MEMS)研究现状及展望[J].组合机床与自动化加工技【3 【4 王洪斌,等.并联机器人的理论研究现状[D].自动化博览42-【5 2002.56-【6 [J].南昌大学学报,2003,5（4）：5-【7 民.混合输入五杆机构的分析与综合[D].：机电学院 ShrinivasSetc，Synthesisofafive-barmechanismwithvariabletopologyformotionbetweenextremepositons(SYNFBVTM)，MechanismandMachineTheory，36(2001)1147-1156.【9 【10】民，张策等.二度平面五杆机构的双曲柄存在条件[D].机械设计期【11】周，邹慧君，等.平面闭链五杆机构柔性工作空间的研究[J].机械工程【12】J.JCervantes-Sanchez,etcAsimplifiedapproachforobtainingtheworkspaceofaclassof2-dofplanarparallelmanipulators,MechanismandMachineTheory34(1999)1057-1073.【13】飞思科技产品研发中心.6.5辅助优化计算与设计[D].电子工业【14】周,,等.混合输入五杆机构的奇异性分析[J].交通大学学【15】H.R.MMADIDANIALI,etc,SingularityanlysisofplanarparallelmanipulatorsMechanismandMachineTheory,Vol30.No.5.pp665-678.1995.【16】，刘雄伟.CNC雕刻机平面并联机构的运动学设计[J].华侨大学学【17】杨迎新，肖乾，等.Pro/ENGINEERWidfire5.0中文版实用[M].： 【18 【20 .数控原理与系统[M].：机械工 【21 ，，等.实用VisualC++6.0 //RobotControllDlg.cpp:implementationfile#include"stdafx.h"#include#include#include"math.h"#ifdef#definenewDEBUG_NEW#undefTHIS_FILEstaticcharTHIS_FILE[]= FILE;//CAboutDlgdialogusedforAppclassCAboutDlg:public{//Dialog//{{AFX_Denum{IDD=IDD_ABOUTBOX//ClassWizardgeneratedvirtualfunctionvirtualvoidDoDataExchange(CDataExchange* //DDX/DDV//ImplementationCAboutDlg::CAboutDlg():{}voidCAboutDlg::DoDataExchange(CDataExchange*{}//Nomessage//CRobotControllDlgCRobotControllDlg::CRobotControllDlg(CWnd*pParent:CDialog(CRobotControllDlg::IDD,{m_strEditRXData=_T("");m_strEditTXData=_T("");//NotethatLoadIcondoesnotrequireasubsequentDestroyIconinWin32m_hIcon=AfxGetApp()->LoadIcon(IDR_MAINFRAME);}{ }MAND()ON_WM_PAINT()ON_BN_CLICKED(IDC_RESET,OnReset)ON_BN_CLICKED(IDC_REDRAW,OnRedraw)ON_BN_CLICKED(IDC_FINISH,OnFinish)ON_BN_CLICKED(IDC_TEST,OnTest)ON_BN_CLICKED(IDC_ANOLOG,OnAnolog)//CRobotControllDlgmessageBOOL{//Add itemtosystem//IDM_ABOUTBOXmustbeinthesystemcommandrange.ASSERT(IDM_ABOUTBOX<0xF000); *pSys =GetSystem if(pSys !=NULL){CStringstrAbout if(!strAbout { strAbout}}//Settheiconforthis Theframeworkdoesthis whentheapplication'smainwindowisnotadialogSetIcon(m_hIcon,TRUE); //SetbigiconSetIcon(m_hIcon, //Setsmall//TODO:Addextrainitialization return //return unlessyousetthefocustoa}void mand(UINTnID,LPARAM{if((nID&0xFFF0)=={}{}}

mand(nID,//Ifyouaddaminimizebuttontoyourdialog,youwillneedthecode todrawthe ForMFCapplicationsusing /view thisisautomaticallydoneforyoubythevoid{if{CPaintDCdc(this);//devicecontextforSendMessage(WM_ICONERASEBKGND, RAM)intcxIcon=CRectrect;intx=(rect.Width()-cxIcon+1)/2;inty=(rect.Height()-cyIcon+1)/}{}

//DrawtheiconCDC*CPenpenRed;CPen*pOldPen=pDC->SelectObject(&penRed);CBrush*bOLDBRUSH=pDC->SelectObject(&brBACKGROUND);CRectpDC-}//Thesystemcallsthistoobtainthecursortodisplaywhiletheuser theminimizedHCURSOR{return(HCURSOR)}ints=1,s2=1,s3=1,s4=1; intr=0;//测试时，刷新屏幕标志；int struct doubleX;doubleMousePointMousePoint*head=NULL;MousePointMousePoint*Save1(doublex,double{MousePoint*pS;pS-{if(!(pEnd->X==x&&pEnd-{}}{

}deletepS;}struct doubleX2;doubleY2;MousePoint2*head2=NULL;MousePoint2MousePoint2*Save2(doublex,double{MousePoint2*pS2;pS2-{if(!(pEnd2->X2==x&&pEnd2-{}}{

}deletepS2;}struct doubleX3;doubleY3;MousePoint3*head3=NULL;MousePoint3MousePoint3*Save3(doublex,double{MousePoint3*pS3;pS3-{if(!(pEnd3->X3==x&&pEnd3-{}}{

}deletepS3;}struct doubleX4;doubleMousePoint4*Save4(doublex,double{MousePoint4*pS4;pS4-{if(!(pEnd4->X4==x&&pEnd4-{}}{

}deletepS4;}struct //intCountPulseCountPulse*PulseNumber=NULL;//脉冲数链表头指针；CountPulse*cEnd=NULL; CountPulse*Number(intn,int CountPulse*cS;cS=newCountPulse;cS-deletecS;}struct {intMousePoint1MousePoint1*save(intX1,int {MousePoint1*pS1;delete}voidCRobotControllDlg::OnMouseMove(UINTnFlags,CPoint{CStringdoublep,q;doubleintR1,R2,R3;{{{} CDC*pDC=GetDC();v=INT((- //坐标变换-R3/2)+(u-R3/2)*(u-R3/2)+v*v+R1*R1-{} }{

{}}

if((point.x<=270*2)&(point.x>=270)&{{} CDC*pDC=GetDC();v=INT((- //坐标变换-R3/2)+(u-R3/2)*(u-R3/2)+v*v+R1*R1-{} }{

{Save2(-127,-}}

if((point.x<=270*3)&(point.x>270*2)&{{} CDC*pDC=GetDC();v=INT((- //坐标变换-R3/2)+(u-R3/2)*(u-R3/2)+v*v+R1*R1-{} }{

{Save3(-127,-}}//

if((point.x<=270*4)&(point.x>270*3)&{{} CDC*pDC=GetDC();v=INT((- //坐标变换}}-R3/2)+(u-R3/2)*(u-R3/2)+v*v+R1*R1-{}}{

{}}}{strMessage.Format("PleasepressLeftButtontodraw!"); } } }}CDialog::OnMouseMove(nFlags,}void{}void{{CDC*CPenpenRed;CPen*pOldPen=pDC->SelectObject(&penRed);CBrush*bOLDBRUSH=pDC->SelectObject(&brBACKGROUND);CRectpDC-}void{inti,j;intdoublep,q;MousePoint2*start2=head2;MousePoint3*start3=head3;MousePoint4*start4=head4; { end->Y==-127)||end->Y==125){

(end->X==124&&end->Y==124if((end->X-start-i=INT((end->X-start-{i=INT((end->X-start->X)/k-}j=INT((end->Y-start-j=INT((end->Y-start->Y)/k-if(!(i==0&&{while((i>30)|(i<-30)|(j>30)|(j<-{{}elseif(i<-{}{

}{}elseif(j<-{}{}

}{

} }}if((end2!=NULL)||(end3!=NULL)||{} {if(!((end2->X2==127&&end2->Y2==127)||(end2->X2==-127end2->Y2==-127)(end2->X2==126&&end2->Y2==126)||(end2->X2==125end2->Y2==125)(end2->X2==124&&end2-{if((end2->X2-start2-i=INT((end2->X2-start2-{i=INT((end2->X2-start2->X2)/k-}j=INT((end2->Y2-start2->Y2)/k-if(!(i==0&&{while((i>30)|(i<-30)|(j>30)|(j<-{{}elseif(i<-{}{}

{}el