Delta并联机器人系统总体设计论文.docx

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Delta并联机器人系统总体设计论文

本科毕业设计（论文）

Delta并联机器人系统总体设计

摘要

近些年，delta机器人越来越得到大多数人的关注，并逐渐开始在工业上得到成熟的应用。

与串联机器人相比，并联机器人有很大优势。

其中之一就是可以把电机固定在基座上，这样就可以减轻机器机构上的重量。

当需要直接驱动时，把电机固定在基座上是一个必要的田间。

因此，并联机器人非常适合直接驱动的情况。

并联机器人的另一个优点就是他的刚度很高，这些特征可以得到更多的精准度和更快的操作。

Delta机器人是其中非常重要的一种。

在本书中，介绍了并联机器人的产生特点及应用。

计算了机器人的自由度，位置正反解，并分析了它的空间奇异形位。

还通过分析比较几种控制器和方案，选择其中最适合的方案。

并设计了delta机器人的控制电路，并详细介绍它的控制器功能。

关键词：

并联机构位置反解步进电机结构设计

Abstract

Inrecentyears,increasedinterestinparallelrobotshasbeenobserved..Parallelrobotspossessanumberofadvantageswhencomporedtoserialarms,Themostimportantoneiscertainlythepossibilitytokeepthemotorsfixedintothebase,thusallowingalargereductionoftherobotstructure’sactivemobilemass.keepingthemotorsontherobotbaseisarequairmentwhendirect-driveisused,thus,parallelrobotsarewellsuitedtodirect-driveactuation.Anotheradvantageofparallelrobotsistheirhighrigiditg.thesefeaturesallowmorepreciseandmuchfastermanipulations.Thedeltaparallelrobotisveryfamousamongthem.

Inthispaper,thehistoryapplicationcharacteroftheparallelrobotsareintroduced.AndIcomptedthedegreeoffreeoftheparallelrobot,analysisthesingularposition.Thepositionsolutionandpositioninversesolutiontoo.Atlast,thereareseveralmethordsofcontrolling.AndIchoiceoneofthenwhichisbettersuitedtothisrobot.Thismethodwillbeintroducedlatter.

Keyword:

paralleldelta,positioninversesolution,singularposition

第1章绪论

1.1国内外串、并联机器人的研究现状

现在国际上对工业机器人的应用比较成熟，尤其是在辐射污染大，复杂难以施工和巨大沉重的工件难以使用人力的环境，往往机器人成为最好的选择。

现在列举几个在国内流行的几种机器人类型：

1、串联机器人

串联机器人是目前最常见的工业机器人。

 他们往往有一个拟人化的机械手臂结构，即刚性连接的串行链，由（主要是旋转）接头连接，形成一个“肩”，“肘”，“手腕”。

他们的主要优势是他们尊重自己的音量和占用地面空间大的工作空间。

其主要缺点是：

一个开放的运动结构所固有的低刚度

链接的错误的积累和放大

携带和移动的执行器的重量过大

他们可以操纵的有效载荷相对较低

它需要至少六自由度机器人的工作空间中任意位置和方向放置在对操纵的对象。

因此，许多串行机器人有6个关节。

然而，在当今业界最流行的串行机器人的应用是挑选和地方组装。

由于这仅需要4个自由度，建立所谓的特殊装配机器人的SCARA型。

图1-1：

SCAR型串联机器人

2、并联机器人

并联机器人是一类全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系，因而扩大了整个机器人的应用领域。

并联机器人可以作为航天上的飞船对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器。

近年来还研究将它用作虚拟6轴加工中心，以及毫米级的微型机器人等，可以预见这类机器人在21世纪将有广阔的发展前景。

它的复杂的机构学问题属于空间多自由度多环并联机构学理论这一新分支，这项理论是随着并联机器人研究而发展起来的，他不仅直接针对并联机器人，对于随机器人高技术发展起来的多机器人协调、多足步行机、多指多关节高灵活手爪等构成的并联多环机构学问题，都具有十分重要的指导意义。

并联机器人所具有的优点：

（1）与串联机构相比刚度大，结构稳定；

（2）承载能力大;

（3）微动精度高;

（4）运动负荷小;

（5）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。

由于机器人在线实时计算是要计算反解的，这对串联式十分不利，而并联式却容易实现。

并联机器人的典型类型stewart型机器人。

图1-2并联机器人

国内外学术界和工程界对研究和开发并联机床都非常重视。

1994年在芝加哥国际机床博览会（IMTS’94）上首次展出了称为“六足虫”（Hexapod）和“变异型”（VARIAX）的数控机床与加工中心并引起了轰动[。

此后，各主要工业国家都投入了 大量的人力和物力进行并联机床的研究与开发。

如美国IngersollMilling公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司，英国GeodeticTechnology公司，俄罗斯Lapik公司，德国Mikromat公司、亚琛工业大学、汉诺威大学、斯图加特大学,挪威Multicraft公司，瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典Neos机器人公司，意大利Comau机床公司，丹麦Braun公司，日本丰田公司、日立公司、三菱公司、韩国SENATECHNOLOGIES公司等单位相继研制出不同结构形式的数控机床、激光加工和水射流机床、坐标测量机等基于并联机构的制造设备。

并联机床所涉及的基本理论问题同样引起了许多研究单位的重视,由美国国家科学基金会动议，1998年在意大利召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，2000年在美国召开了第二届国际并联运动学机器专题研讨会。

我国已在国家“九五”科技攻关计划和“863”高技术发展计划中对并联机床的研究与开发予以支持。

中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、东北大学、河北工业大学等单位的研究人员也在积极从事并联机床领域的研究工作，并与相关企业合作研制了数台结构形式各异的样机.基于并联机器人的多坐标数控机床研究已成为机器人研究领域以及机床制造领域的研究热点。

目前，国内外所推出的各种并联机床大多数都是单纯利用并联机构（尤其是其中的Stewart平台机构）来构造机床（也有一些在并联机构的动平台上再串接一、两个转动关节以增加工具的姿态空间）。

根据其相应的并联机构所具有的自由度主要有6自由度（6条腿）以及3自由度（3条腿）两类；按照各分支链的驱动方式可分为两种形式：

一种形式为各分支链（定长杆）的一端通过滑块（或丝杠螺母副）沿固定平台导轨移动（简称“腿滑动”）来改变动平台的位置及姿态；另一种形式为通过各分支链杆长的伸缩（简称“腿伸缩”）来改变动平台的位置及姿态。

Delta机器人是并联机器人中的一种优秀代表。

可以成功的在狭小的工作空间进行高速抓取物体，以此做为本次课设的样机。

1.2针对delta机器人的研究成果

对于delta机器人机构控制器参数整定的方法，天津大学的王有启，黄田教授，针对delta并联机构，考虑随位姿实时变化的惯性负栽对伺服控制系统的影响，提出了一类三自由度高速并联机器人控制器参数整定新方法。

首先借助于矢量法导出delta机构的逆运动学和逆动力学模型，消元法建立其正解模型。

在此基础上，建立机电耦合控制模型，直接以机器人末端执行器在整个工作空间运动轨迹的均方根值误差作为综合性能优化目标，在无穷多PID参数非线性组合中离线整定出一组最优值，并通过进行前馈补偿，进一步提高系统精度。

天津大学张利敏，梅江平，赵学满研究广泛用于髙速抓放操作的delta机械手动力尺度综合方法。

在建立系统运动学和刚体动力学模型的基础上，利用奇异值分解原理，提出一种基于单轴最大驱动力矩全域最大值最小的动力学性能评价指标。

该指标可表示为系统尺度和惯性参数及位形的显函数形式，可直接用于观察奇异位形的出现条件。

在考虑工作空间/机构尺度比、速度、精度和刚度等尺度和映射特性约束基础上，利用工程实例研究映射特性约束对尺度参数和动力学性能评价指标的影响规律，并据此综合出一组在满足上述约束条件下使得系统动力学性能最优的尺度参数。

认真分析市场中的delta机器人，我们不难发现delta机器人为满足在狭小的工作空间高速运转的工作环境，在设计有以下几个特点

（1）材料选取注重经济实惠，但更要注意材质质量轻巧。

（2）工作手臂结构较灵活的，减少重量均在考虑范围之内。

（3）电机安放位置较为固定，也是为了减少电机本身的重量产生较大惯性力。

（4）在电机的选取时，在满足工作载荷的前提下，要考虑市面上质量最轻的那种，以适应要求。

这是因为在狭小的环境下高速工作，在较短时间内停止会产生较大的惯性力。

我们知道在速度一定时，若质量越大，产生的惯性力就越大，而过大的惯性力是delta机器人的机械结构无法承受的。

所以在设计中一定要考虑质量的减轻。

其他就是要注意和生产实际相结合，设计中注意后期维护的简单，方便工作者对机器人的保养。

1.3delta机器人的发展趋势

来自中科院沈阳自动化所专家课题组的预测表明，到2011年，我国机器人市场保有量将增至48600台，年销售额约9O多亿元。

根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势预测，到2015年，我国机器人市场容量将达十几万台套。

这无疑是我国对工业机器人进行研究开发的良好时机，特别是在某些例如本课题所面向的还没有工业机器人涉及却拥有极高应用价值的生产领域中使用的工业机器人，更值得我们关注和思考。

而日本、美国、德国等发达国家的工业机器人技术相对于我国有较大领先，这些国家在工业机器人的发展趋势上主要体现在以下几个方面：

①性能不断提高，单机价格不断下降；②机械结构向模块化、可重构化发展；③控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；④发展虚拟现实技术。

这也为我国制定工业机器人发展战略和具体研制某类的机器人起到一定的启示作用。

日本工业机器人的装备量约占世界工业机器人装备量的60%，日本在发展工业机器人技术上，将主要精力集中于以下几个领域：

①视觉传感器；②力传感器；③控制功能，其中包括机器人臂的柔软控制功能、多机器人协调控制功能、冲突检测功能；④离线编程系统；⑤实时监视控制系统。

[16]从中可以看出，日本在发展工业机器人时也重视其智能型和易操作性的提高，向着工业机器人自主进行生