Delta并联机器人系统总体设计

燕山大学本科生毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）Delta 并联机器人系统总体设计燕 山 大 学2012年 6 月 摘要I本科毕业设计（论文）Delta 并联机器人系统总体设计学院（系）： 里仁学院 专 业： 08 机电 3班 学生 姓名 学 指导 教师： II答辩 日期： 2012 年 6月 燕山大学毕业设计 (论文)任务书学院：里仁学院 系级教学单位：机械工程系 学号 081101011560学生姓名 专 业班 级 08机电 3班题目名称 delta并联机器人系统设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ） ；工程技术实验研究型（ ） ；理论研究型（ ） ；计算机软件型（ ） ；综合型（ ） 。2.文管类（ ） ；3.外语类（ ） ；4.艺术类（ ） 。题目类型 1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目题目来源 科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容确定三自由度移动并联机器人整体方案， ；比较各种方案优越性，并选择一种设计，包括（机械本体结构方案、零部件选取、控制系统方案） ；进行并联机器人三维实体设计，造型，计算，仿真模拟；搭建控制方案，设计电气系统；机器人负载不大于 5 kg，工作空间 1 m1 m0.6 m基本要求设计说明书 60-70页，绘图工作量不小于 3张 A0机械系统整体装配图一张 A0机械系统部件图一张 A1主要零件图电气控制原理一张 A1参考资料徐灏，邱宣怀等编，机械设计手册，机械工业出版社；机器人设计图册，机械工业出版社；赵景山, 冯之敬, 褚福磊，机器人机构自由度分析理论，科学出版社；肖南峰等，工业机器人，机械工业出版社；黄真，赵永生，赵铁石等，高等空间机构学，机械工业出版社；方承远，张振国，工厂电气控制技术，机械工业出版社。I周 次 14周 58周 912周 1316周 1718周应完成的内容查阅收集资料，提交文献综述和开题报报告、外文翻译；节点考核确定机构整体方案，比较各种方案优越性，并选取一种合理机构；三维造型并对主要零件结构强度校核。绘制机械图纸，并选取机器人运动控制器、搭建控制系统；中期考核完善控制系统，绘制机械及电气图纸。撰写论文制作 PPT准备答辩指导教师：职称： 年 月 日系级教学单位审批：年 月 日摘要近些年，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IAbstractIn recent years ,increased interest in parallel robots has been observedParallel robots possess a number of advantages when compored to serial arms, The most importantone is certainly the possibility to keep the motors fixed into the base ,thus allowing a large reduction of the robot structures active mobile mass.keeping the motors on the robot base is a requairment when direct-drive is used ,thus ,parallel robots are well suited to direct-drive actuation.Another advantage of parallel robots is their high rigiditg.these features allow more precise and much faster mani pulations. The delta parallel robot is very famous among them.In this paper,the historyapplication character of the parallel robots are introduced .And I compted the degree of free of the parallel robot,analysis the singular position. The position solution and position inverse solution too. At last, there are several methords of controlling. And I choice one of then which is better suited to this robot. This method will be introduced latter.Key word: parallel delta, position inverse solution , singular position 燕山大学本科生毕业设计（论文）II目 录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1国内外串、并联机器人的研究现状 11.2针对 DELTA机器人的研究成果 41.3 DELTA机器人的发展趋势 51.4 论文主要完成的工作 .7第 2 章 delta 机器人的结构设计 82.1 DELTA机器人的总体结构设计 82.2 上顶板 .82.3上臂 92.4 L形板的设计 102.5 下底板支撑架的设计 .112.6 机械手的确定 .112.7 电机的选取 .132.8 减速器的选择与计算计算 .142.9 轴承的计算 .152.10 本章小结 .16第 3 章 电气控制系统设计 .173.1 概述 .173.2 DELTA机器人控制系统模型 173.3 运动控制方法的选取 .173.3.1 传统的控制方法 .173.3.2 基于运动控制器的机器人控制系统 .183.4 DELTA机器人控制系统的硬件组成 183.4.1 通用 Galil DMC一 2182多轴运动控制器 .19III3.4.2 功率放大器 .193.4.3 增量式编码器 .203.5 运动控制器和运动控制卡的区别 .203.6本章小结 21结论 .22参考文献 .39致谢 .41附录 142附录 248附录 354燕山大学本科生毕业设计（论文）0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 型串联机器人第 1章 绪论 12、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 年在燕山大学本科生毕业设计（论文）2芝加哥国际机床博览会(IMTS94)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。第 1章 绪论 31.2 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。燕山大学本科生毕业设计（论文）4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。1.3 delta 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 48 600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：性能不断提高，单机价格不断下降；机械结构向模块化、可重构化发展；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；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：视觉传感器；力传感器；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；离线编程系统；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产活动的目标发展，尽量减少使用过程中有人来干预的成分。联机器人虽然经过了几十年的研究，在理论上比较成熟，但是很大程度上是在大学的实验室，真正投入到生产实践中的并联机器人甚少。近年来，先进制造技术的发展对并联机器人的研究和发展起着积极的促进作用。随着先进制造技术的发展，工业机器人已从当初的柔性上下料装置，正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加第 1章 绪论 5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。Delta并联机器人最早是在 1985年由 R.clavel提出的，因其基座平台和运动平台都呈三角形形状而得名。Delta 机器人作为并联机构的一种，具有上述的诸多优点和各种可能的应用，是目前商业应用最成功的机器人之一。当初，比如，当在运动平台上装上适当的末端执行器后，特别适用于电子元器件的快速装配插接。在轻工业中的包装，pick-and-place 操作，医学手术等也有较多应用。在国外 Delta机器人已经成功的应用在大范围的领域中，而且取得了不错的业绩。例如，在瑞士，巧克力生产商 chocolat Frey，采用由 Bosch的包装技术公司 Sigpick Systems AG提供的新的生产线，这条生产线上，八个 Delta机器人将巧克力放到泡沫盒里，再把泡沫盒放到纸箱里，减少了 chocolat Frey公司的工作量，最主要的是整个操作系统简便易行，只需简单的修改一下操作系统就可以适应新的包装规格，这种简易性使得该公司可以快速而从容的应对市场的新需求。不久前，位居全球 500强之列的电力和自动化 技术领导厂商 ABB公司，高调宣布其进行机器人的投资建设，并列出了投资的 10大理由，这十大理由包括降低运营成本、提升产品质量和一致性、改善员工工作条件、扩大产量、增强制造柔性、减少原料浪费、提高良品率等。中国处在改革开放的关键时期，各行各业正是在高速发展的黄金阶段，高新技术产业更是朝气蓬勃。市场的快速发展带来了绝佳的研究机遇，因此，我以为在我国全面建设小康社会、大力发展现代化工业同时，机器人是个不可避免的话题。在我国进入老龄化社会，劳动力逐渐短缺之际，传燕山大学本科生毕业设计（论文）6统工业中大量危险和重复性高的工作必将由越来越多的机器人来代替。但相对外国的机器强国而言，我国的机器基础较为薄弱，机器人技术的发展水平还相对较低，难以应对发展大潮。Delta 机器人，作为机器人行业中的佼佼者，具有很高的研究价值和解决中国实际的现实价值。Delta机器人发明于 20世纪 80年代初，诞生在瑞士的洛桑联邦理工学院。当时工业生产中迫切需要一种机器人，这种机器人可以以一个非常高的速度操纵轻小物体，delta 机器人应运而生。在 1987年，Demaurex 公司为 Delta机器人购买生产许可证，开始时 Delta机器人主要应用于包装行业。1991 年，雷蒙 Clavel介绍来自 parallle的 Rapide和他的博士论文，在他的论文中，他构想了 4个自由度的设想，并接手了 delta机器人的研究工作。并在 1999年获得了黄金机器人奖。此外，在 1999年，ABB柔性自动化开始出售自己的 delta机器人，FlexPicker。1999 年底，Delta机器人还销往 Sigpack Systems公司。1.4 论文主要完成的工作完成 delta机器人总体结构设计，对电机的选取，对结构的研究1.机械结构部分包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择2.针对设计要求结合所选用的电机，设计电机的驱动模块，并讨论系统设计的可靠性问题 。第 2章 delta 机器人的结构设计 7第 2 章 delta 机器人的结构设计2.1 delta 机器人的总体结构设计Delta机器人是根据前人的研究成果所设计，这些是都有些原件的，在根据前辈设计的基础之上，我在一些方面有所创新，以下为我所设计的总体结构：图 2-1 delta机器人总体结构2.2 上顶板为了实现上顶板对强度的要求，我在上底板之上设计了上底板轴承板如下图 2-2：上顶板支撑板燕山大学本科生毕业设计（论文）8在安装中，将支撑饭安放在上底板之上，通过其中的肋板可以达到将上顶板加固的作用。这样就可以防止由于上顶板板面过于宽广，而是板的安装不够稳定，无法实现对电机甚至是整个机器的固定。有了支撑板，我们就可以顺利的将上顶板设计成如下形状：图 2-3：上顶板在本设计中，上顶板设计成如同电风扇的扇叶，形状是比较美观的。而且也较为节省材料。没有如同整个一个大实心板一般，那样就过于浪费材料了，而且显得过于笨重，且不好加工。如上图的设计不仅可以是加工变得容易，而且节省材料，减少了陈本费。而且在其中也节约了空间，没一个位置是没有用的，这样就足以完成设计的目标。但是，仅仅这样还不够，上底板必须要保证一定的平面度和粗糙度，这样才能达到装配的要求，实现整体和谐。2.3 上臂上臂的设计是要其既可以实现对上臂及其以下部件的支撑，又可以实现电机的转矩传动。因此，既要保证构件的刚度，也要实现重量较轻的目的，这样在高速运转中，不会因为较大的质量而产生过大的惯性力，导致整个机器的不稳定运行。因此，在设计中我才用了如下的结构:图 2-4：上臂第 2章 delta 机器人的结构设计 9在如上的上臂中，我没有设计成直通的圆柱形的上臂。因为，上臂在工作中所承担的力并不是一样的，每一个部分的作用也不是一致的，所以圆柱形是愚蠢的。我在臂的下缘做成弧形。因为上臂承担电动机转矩的部分处，承担着更大的支撑力，而在与小连杆接触的部分，这部分力是很小的，因此，力小的部分一定要把尺寸做小一些，过大完全没有必要。在力大的部分一定要经尺寸做大，过小的尺寸很难达到足够的强度，这样会发生危险。而弧形的结构就完全可以实现上面所说的要求，前大，后小，可以。我们知道臂的转矩在机器人的设计中很是重要，在上臂上，受到的力是纵向的，若是将臂的两侧挖空一些，对转矩的影响是微乎其微的，但是此举可以很明显的减少上臂的重量耗费的材料，因此在设计是，我选在在臂的两侧加工的薄一点，这样就实现了轻质量，强度够，对于形状的选取，我选择那种较为容易加工的形状。虽不美观，但是实用，这也是机械设计的一个小原则。2.4 L 形板的设计电机与上顶板的连接要保证精准与稳定，稳定的电机才能给出完整的输出，因此再设计上我选择了 L形板。L形板的设计如下图 2-5：L 形板电机在设计上要采用悬挂的方式，因此在接触的稳定上一定要有较大的接触面积。而 L形板就可以满足如上的要求。上表面设计的足够平整，这样有助于接触的稳定，增加链接的刚度。在板上我设计了加强筋，因为 L形板的缺点就是转折处过于窄小，容易产生力的集中，使 L板断裂开。因此在转折处，我们加入了加强筋，这样就增加了在转折处的强度，实现板稳定性的增强。燕山大学本科生毕业设计（论文）10在板的上部分一个加工有定位销孔，且具有 1:50的斜度，孔的加工要有足够的的精度。因为机器人的运动是精密的，如果定位不够准确直接影响机器人的运动精度，误差的累积就会是机器人的运动实现过大的错误，无法达到规定的运动范围。2.5 下底板支撑架的设计下底板支撑架是用来固定下四连杆与下底板的，通过它来带动下底板以至于吸盘组的移动，设计精度是其中不可缺少的要求。为了保证下底板的安装精度，我在支撑架的中间设计了一个如同轴肩作用的凸台，这样就可以达到定位的作用。四连杆机构下半部分的轴是个通孔，无法达到精确定位的目的，因此，我们现在轴上加工出挡圈槽，这个槽的精度一定要高，这样才可以保证下底板支撑架处于中间的部位。对轴承的固定，除了要用下底板支架的凸台外，还要增加一个挡圈的作用。用它可以轻松的挡住轴承的左右移动，实现对轴承的固定，更是定位的作用。我的设计形状如下：图 2-6：下底板支撑架为了保证装配的准确与安装的顺利，一定要将支撑架的下底板加工平整，保证一定的平面度，这样才可以实现装配的顺利。为了使支架与下底板固定安稳，需要在螺丝孔上涂抹固定胶，这样才可以做到足够的安装平稳与精度。2.6 机械手的确定根据老师的任务书，我是给与我们的要求是要可以抓取 5KG的物品，而并没有要求具体的拾取方法，如果采用机械手抓取，结构太过于复杂，很难以实现。就如同吸铁石可以吸起铁物品一样，我们可以通过吸盘来吸取物品，只不过这个吸盘要求较大的吸力。第 2章 delta 机器人的结构设计 11经过多方面的比较，我决定采用 PA系列真空吸盘这种吸盘越来越多的应用在自动化设备上，并在机械手上有广泛的应用。在选取的过程中，应定要计算好所需的压力。图 2-7：吸盘压力的产生，是大气压和真空压的压差与大气压与大气所施加给真空压测的面积的乘积。因此真空压力力量大也不会超过大气压的力，另外，大气压的变化也会引起吸附力的变化。下面是洗盘组的安装结构图：图 2-8 吸盘组的装配示意图1：吸盘，2：气管，3：三通，4：吸盘支撑板，5：M6 螺钉，6：M4 螺钉。使用吸盘还有一个好处，就是重量较轻。若使用机械手，手臂的金属质量会很大，而且需要电气传动，附加的重量也会很大。若使用吸气盘就可以很轻松的解决这个问题。吸盘的动力来自于空气压缩机。而压缩机可以游离在机械体之外，而不必安装在机器本身上，这样就减轻了机器本身的质量，将空气压缩机与地板上的吸盘组连接可以有较大的柔性，安装方燕山大学本科生毕业设计（论文）12便，且不会影响机器人本身的运动，具有很多的优点。因此，在拥有足够的拉力时，选择吸盘是不错的。装配的俯视剖面图：图 2-9 吸盘组的俯视图在选择吸盘时，先设定真空压力，设定时根据真空源的规格留出余量。根据我的任务书中规定的任务，需要抓起大概 5KG重物，我选取了 40cm直径的吸盘，共需四组吸盘，这样就可以得到足够的拉扯力，每个吸盘均是通过三通来与其他的吸盘联系，其中靠气管来连接。这样就确定了吸盘组的结构了，完成了对 delta机器人机器手的计算与设计。2.7 电机的选取电动机驱动不需要能量转换。对于机器人来说，控制灵活，使用方便，噪音低，启动力矩大是其主要的要求。目前在额定功率下的工业机器人大多采用这类驱动。至于电机的类型我们有以下得出。永磁式直流伺服电动机，它具有体积小，转矩大，输出力矩和电流成正比，伺服性能好，反应快速，功率重量比大，稳定性能好等优点。印刷绕组永磁直流伺服电动机，这种伺服电机转动惯量小，快速反应性能和转换性能好，机械性能好，输出力矩平稳，低速运转性能好，寿命长，适用于频繁启动，制动，正反转工作的场合。步进电动机，步进电动机转自无绕组，由永磁体构成转子磁场，他可将电脉冲信号直接转化为转角。转角大小与输入脉冲成正比，通过改变脉冲频率来调速。其旋转方向取决于输入脉冲的相序。步进电机伺服系统多第 2章 delta 机器人的结构设计 13用于开环控制电路，因此结构简单，位置和速度易于控制，起响应速度快，输出力矩较大，能快速启动，反转和制动，可精确定位。交流伺服电动机，交流伺服电动机和伺服驱动器组成了交流伺服系统，伺服电动机可以是异步型交流伺服电动机或同步行交流伺服电机，同步型交流伺服电动机是一台机组，由永磁式交流同步电机，转子位置传感器和速度传感器组成。还可以配置提供位置反馈信息的位置传感器和安全制动器。直接驱动电机即电机与其负载直接耦合在一起，中间不需要配置任何机械减速装置，但价格较高，其结构特点转子为较薄的圆环，放置在内外定子之间，这样可以减少转子质量，增大转矩。通过以上比较，并考虑系统的控制精度，控制方式及其成本和难易程度，决定采用易于控制，定位准确的步进电机。依据所选择的电动机额定功率应大于工作机所需的电动机功率即：（公式 1）rP0式中 电动机额定功率，Kw；oP工作机所需的电动机功率，Kw；r已知 ，L=0.4m 106.78NF.2所以 .21.2.365N所以 350489wPLw所需电动机功率由下式计算：（公式 2）rP式中 工作机所需有效功率，由工作机的工艺阻力及运行参数w确定。电动机到工作机的总效率。（公式 3）kwPnwr 13.064.89.21额定功率 =0.37Kw 0.13Kw0该电动机减速器的各项参数：n=21r/min T=161Nm c=1.7 i=66.592燕山大学本科生毕业设计（论文）142.8 减速器的选择与计算计算电机输出转速较高，一般不能直接接到车轮轴上，需要减速机构来降速，同时也提高了转距。减速装置的形式多种多样，选择一种合适的减速装置对机器人的性能有着相当重要的作用。驱动轮机械传动形式有多种，主要分为：链条传动；皮带传动；蜗杆传动和齿轮传动等。链条传动：优点是：工况相同时，传动尺寸紧凑；没有滑动；不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷小；效率高；能在恶劣的环境中使用。缺点：瞬时速度不均匀，高速运转是传动不平稳；不易在载荷变化大和急促反向的传动中使用；工作噪音大。皮带传动：优点是：能缓和冲击；运行平稳无噪音；制造和安装精度要求低；过载时能打滑，防止其他零件的损坏。缺点：有弹性滑动和打滑，效率低不能保证准确的传动比；轴上载荷大；寿命低。蜗杆传动：优点：结构紧凑；工作平稳；无噪声；冲击震动小；能得到很大的单级传动比。缺点是：传动比相同下效率比齿轮低；需要用贵重的减磨材料制造。齿轮传动：工作可靠，使用寿命长；易于维护；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度使用范围很广。缺点是：制造复杂成本高；不宜用于轴间距的传动。比较以上传动形式，结合本设计中机器人的要求：输出转矩大传动效率高噪音小等条件，我们采用两级齿轮传动，减速比为 15。电机轴直接作为输入轴安装主动齿轮，不是用联轴器，既提高了精度又减轻了重量。齿轮参数如下:第一级减速： , m=3, , mm, , mm,31i10z3d302z92d第二级减速： , m=3, , mm, , mm,53 51根据设计需要大传动比的减速器，所设计的减速器传动比为 5.17，为三级齿轮减速器，第一级传动比为 1.654，第二级传动比为 3.125。 2.9 轴承的计算由于 delta机器人的下半部分并不是很重，并不需要轴承去承受较多的力，因此轴承采用深沟球轴承。下面是对深沟球轴承的演算：（公式 1）)(601hrPCnL由机械设计手册查的 e = 0.44 ,第 2章 delta 机器人的结构设计 15（公式 2）reFsN9.13FrNr08.5612sr7.5240 r43.2475.8.1112 sa 轴承压紧，轴承放松。则 sF.N09.2431.39807.51oraC4.1e624r .0211.9.375eFra22408.6r X = 0.44 ，Y = 1.474.1fpN1.8)(1arrFPN50722pf 21r只计算寿命。 )(3)(6011 hPCnLrh由此可以得到，深沟球轴承的寿命足够，这样在机械设计手册中进行查询，在保证寿命的同时，尽量减少轴承的外径，最后决定选取的轴承代号为 GB-T 276-1994 61902。2.10 本章小结Delta机器人是一种比较成熟的机器人，在方案设计上没有太多的其他的构想。但是在设计细节上力求精致，可以达到加工和安装的要求。在每一个部件的选取上，都尽量以较轻的质量和强度为基准。这也是 Delta机器人快速抓取物体，完成预定目标的要求。燕山大学本科生毕业设计（论文）16第 3章 电气控制系统设计17第 3 章 电气控制系统设计3.1 概述并联式 delta机器人机构采用的是少自由度并联极构，与串联机构相比，虽然并联机构有着许多潜在的“天生”优点，但是由于其机构的复杂性及运动学的非线性所造成的困难，使得并联就够的优点不能充分的体现出来并达到预期的性能。为了解决并联式 delta机器人控制过程中的问题，本文不仅在如何设计踝关节康复并联机器入机构上做了大量的工作，也在如何更好地控制并联式 delta机器人方面做了努力。本章针对 delta并联机器人机构建立的控制系统是基于运动学控铡，主要依靠 delta机器人机构的运动学关系和驱动装置的动态模型，而不考虑少自由并联机构的动力学模型。delta 机器人机构的各个主动关节栏互独立，可以使得并联机构的控制器设计相对的简单明了，容易实现。由于采用了中间被动约束分支，所以主动关节上驱动装置的负载可以近似成定常的；由于 delta机器人在高速下进行，所以离心力和科里奥利等非线性项的作用可以忽略不计，按照这种方式设计的控制器能够很好地。3.2 delta 机器人控制系统模型delta机器人的控制系统模型可以分成 3部分：踝关节康复机器人、控制器、环境和任务，如图 5-1所示。3-SPSS 踝关节康复机器人由机座、移动副、关节(球铰链、回转副)和末端执行装置(动平台及踝关节固定装置)构成。环境指的是机器人所处的周围环境，它包括几何条件及其相互关系。任务是踝关节康复机器人要完成的操作，也就是动平台所要实现的运动轨迹、运动曲线、速度、加速度等信息，首先要根据踝关节康复的需要建立起各种运动规划，并使用适当的程序语言来描述，并把它们存入控制计算机当中，控制器相当于踝关节康复机器人的大脑，记忆计算机程序的形式来完成给定的运动，选择何种形式的控制策略是控制器的核心问题。3.3 运动控制方法的选取3.3.1 传统的控制方法在运动控制领域，传统的机器人控制方法采用的是专用的计算机加多单片机多回路的封闭式体系结构。这种结构的控制器在高速、高精度和多轴的同步运动控制等方面存在技术瓶颈；此外，还存在着制造和使用成本高、开发周期长、升级换代困难、无法添加系统的新功能等缺点，在一定程度上限制了机器人的应用范围。燕山大学本科生毕业设计（论文）18传统的机器人运动控制系统由 PC机、电源、键盘、状态显示设备、上位机、通讯接口、单片机、放大器、电机、传感器、外围电路和其它一些外部设备组成，系统构成十分复杂，调试困难、故障率商、一般仅针对专门被控对象，可重用性较差。3.3.2 基于运动控制器的机器人控制系统运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。它的主要任务是根据作业的要求和传感器件信号进行必要的逻辑数学运算，为电机或其他执行装置提供正确的控制信号。运动控制器根据其所能控制独立运动轴的数目，成为单轴或多轴运动控制器。躁关节康复机器人就是典型的多轴实时控制系统。与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点：技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动孰迹的控制，是传统数控装置的换代产品；结构形式模块化，可以方地相互组合，建立适用于不同场合、不同功能需求的控制系统；操作简单，在 PC上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数控软件。在全数字环境下，伺服擦制器实现了软件化伺服控制。在微处理或运动控制板中，可以采用各种先进算法，除了常规的 PID控制外，可采用前馈控制、速度实时监视控制、可变增益控制、共振抑制控制、模型参考控制、重复控制、预测控制、在线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制、以及 H无穷大控制等算法，通过这些功能算法，使系统响应性、稳定性、准确性、可操作性达到了很高的水平。3.4 delta 机器人控制系统的硬件组成控制系统中的各个元件的工作原理类似于人体，电机和功率放大器的结合类似于使人的四肢活动的肌肉。电机是产生运动的元件，功率放大器产生驱动电机所需要的电流。例如，放大器取得小电流信号并将其放大成大电流高电压信号。控制器是命令运动的智能元件，办即系统的大脑。它产生用于功率放大器的信号，称作运动命令。位置传感器的功能类似于人的眼睛，它检测电机的位置并将结果告知控制器，即形成闭环。闭环系统接收来自外部的命令，通常是主计算机，命令源产生命令，经常要求状态报告。用其它方式如 PLC，终端或开关组亦可产生命令。3.4.1 通用 Galil DMC 一 2182 多轴运动控制器运动控制器，我们选择了美国 Galil DMC2100多轴运动控制器。DMC2182数字运动控制器采用 32位高速 MCU，提供了许多运动控制方式，该数字控制器同时提供与伺服、步进及液压电机的接口，可以根据需要任第 3章 电气控制系统设计19意组合使用，实现控制系统的最佳配置。多任务功能可以同时执行 8个应用程序。控制器本身具有程序、参数、变量、阵列元素存储功能，即使脱离主计算机亦能正常工作。运动控制器执行系统的智能任务，它的基本任务有：对位置反馈译码；产生想要的位置(轮廓)；位置闭环；稳定性补偿。控制器最基本的功能是对电机位置进行译码并进行位置闭环。DMC+2182的主要特征：快速的通讯方式 Ethemet(10Base-T和 10Base选件)，2xRS232422、115kb；Ethernet 支持多主、多从，允许与多台计算机及 IO 装置之间通信；支持 Modbus通信协议。通用 IO：88(1-4轴模式)，1616(58 轴模式)。具有控制 1-8轴的强大控制功能，可以同时执行 8个应用程序。8 通道通用模拟输入 ADCl2位(16 位可选)，16 位DAC速度指令输出。可以进行速度控铡、点对点定位，轮廓、直线、圆弧插补、电子齿轮和凸轮、连续路径运动等先进的运动模式：接受 12MHZ伺服编码器反馈信号，3MHZ 步进电规命令(脉冲+方向)。带速度及加速度前馈、积分限制、阶梯形及精巧的 PID低通滤波器及速度加速度立即控制功能，提供最佳的运动精度，采样周期为 625s轴。以 32位专用处理器及特制微米网关数缀，提供高性能。100-pin 高密度连接起可以减少电磁干扰。程序编写容易，支持软件丰富。较强的容错处理功能。提供定位、速度、扭力、错误及输入的状态报告。3.4.2 功率放大器驱动电机的电流是由功率放大器产生的。功率放大器有两种：线性发大器和脉冲调制型(PWM)放大器。线性放大器的效率不高，因此只有在需要低功率时使用；PWM 放大器非常有效率。功率放大器接受命令信号，一般是 OIOV 模拟信号，并将其放大成所需要的电流，这种放大器有电流、速度两种方式。当用速度反馈时则为速度方式；功率放大器一般以电流方式构成。在电流方式下，放大器产生与输入电压直接成比例的电流，通过监视电流大小的电流反馈回路得到电流反馈信号，并使它与命令信号成比例关系，电流放大器用表示每 lV命令信号的电流安培的电流增益 Ka来代表。放大器能够以速度方式构成，此时，放大器包含有输入电压与电机速度相比较的电压放大级，在送到电流环之前对这个差值加以放大。放大器利用下面其中一种方式来产生所需电压或电流：产生恒定输出电压的线性放大器或脉宽调制(PwM)放大器，PWM 放大器产生在高、低电平之间切换的电压，大多数放大器尤其是功率在 100W左右，均采用 PWM方法以减少功率损耗。当需要小功率时，通常用线性放大器。我们已讲了电机和放大器，现在我们将进一步讨论位置传感器，最常用的传感器是增量式编码器。