-
基于
STM32
的机械臂运动控制与结构设计<
/p>
开题报告
班
级（学号）
：机械
1104
（
2011010093
）
姓名：文伟松
指导教师
：王科社
选题背景
机器人技术是一种新兴技术
,
它涉及多种学科
,
< br>综合了计算机、
机械学、
信号处理和传感
技术、
控制论、
仿生学和人工智能等多学科。
机器人按照用途可分为工业机器人、
服务机器
人
和特种机器人
,
其中工业机器人是目前应用最多、技术上发展最
成熟的一种机器人。随着
我国经济的快速发展和科学技术的突飞猛进
,
使得机器人在货物搬运与物流、喷涂、焊接、
测量等行业
有着相当广泛的应用。码垛机器人是实现物流和包装自动化的关键装备
,
可以实
现高速、自动、连续、准确的码垛操任务。人工码垛是强度大、重复性高
的劳动
,
特别是高
粉尘、
有毒、
有害等物料
,
基本不
适合人工码垛，
因此有必要研发一种码垛机器人
,
减低生产
过程中对工人身心伤害。
进入
20
世纪
80
年代，
< br>随着计算机技术、
控制技术以及自动化技术的发展和成熟，
工
业发达国家如日本、美国、瑞典、意大利、德国等都在相应的研制出了自己的码垛机
器人。
如德国的
KUKA
系列，
日本的
FANUC
系列，
瑞典的
ABB
系列等。
国外发达国家研制的码垛
机器人多为四轴空
间的关节机器人，
一般由机械本体、
拉制器和末端执行机构组成
，
其中机
械本都是有底座，腰部连杆，大小臂连杆和末端执行器
（腕部）构成。如图
1.1
。
德国
KUKA
瑞典
ABB
机器人
日本不二（
FUJI
）
日本
OKURA
图
1.1
发达国家研制的主要工业机器人
<
/p>
基于串联式码垛机器人，本文设计一种类似结构的机械臂。针对毕业论文题目“基于
STM32
的机械臂运动控制与结构设计”
，
首先对国内外高校，研究院，企业等对码垛机器人
研究及其发展状况进行调研；其次对设
计的机械臂作运动学分析以及控制系统设计等。
1.1.1
主要研究内容
本文针对串联关节型码垛机器人，设计了一种新型
4DOF
机械臂；此机械臂主要连杆机
构与串联关节型码垛机器人类似；
在不大幅度增加系统转动惯量前提下，
增加一个自由度实
现末端执行器翻转，
改进末端视觉传感器测量角度和带宽。
首
先充分调研国内外各种码垛机
器人发展状况并分析；通过
Sol
idworks
建立三维模型并对末端轨迹和各运动参数进行虚拟
仿真，
获取机械臂工作空间大小。
通过
MATLAB
精确计算机械臂末端工作空间。
第二通过
D-H
法对机械臂建立码垛机器人连杆坐标系，
基坐标和末端坐标之间的变换矩阵，
获取机械臂运
动学正解和
运动学反解。
对机械臂关键零件做力学校核。
第三设计加工基于
PVC
材料的小型
机械臂，并装配。第
四设计基于
ARM
Contex3
内
核的
STM32
处理器的机械臂控制系统，实现
输入机械臂末端执行器空间坐标和速度，机械臂定位到预期点。
最后通过
MDK5
编写程序并通过
< br>JLINK
调试机械臂；提出机械臂末端误差消除方法，并
考虑分析小型机械臂在教具和科技展览利用前景。
1.1.2
课题研究意义
本文中
设计的新型机械臂可用于教学教具用，训练学生对基本机械结构的认识；新型机
械臂相对
于普通码垛机器人来说具有惯量小，
视觉传感器传感范围大等特点；
此新型机械臂
可用于小型机器人作执行机构，
具有较好运用
前景；
同时本文对此新型机械臂运动学分析和
动力学分析做了研
究，对此新型机械臂进一步研究具有重要意义。
1.2
码垛机器人分类
现今码垛机器人按驱动结构不同分有串联式，并联式和混联式。
1.2.1
并联式码垛机器人
并联码採机器人生产厂商有瑞典
ABB
公司和
FANUC
公司。并联机器人具有以下特点
:
无
累计误差
,
< br>精度较高
;
运动部分重量轻
,<
/p>
速度高
,
动态响应好
,
驱动装置可置于固定平台上
;
结
构紧凑
,
承载能力大
< br>;
并联机构的各向同性优异。
同时
,
由于并联机器人工作空间较小
,
承
载能
力弱
,
在现实的自动化生产线重载
环境下
,
适用性和灵活性不高
,
因此在食品行业和快速分
拣、蹄选行业等轻载环境下
< br>,
并联机器人突显出它的优势
,
在高速重载行业
,
主要是混联码设
机器
人和串联关节式码躲机器人。
图
1.2
混联式码垛机器人和串联关节式码垛机器人
< br>1.2.2
串联关节式和混联式码垛机器人
欧洲和美国主要以关节式串联码操机器人为主。并联式码垛机器人具有控制简单系统
惯量小等特点。图
1.2
为混联码探机器人与关节式串
联码操机器人
,
两者的区别在于混联码
设机器人四个关节中
,
两个关节为移动关节
,
其余为旋转关节
,
后者的四个关
节皆为旋转关
节。两者都经过两个四连杆机构传动
,
使末端的腕部关节旋转轴线始终与地面垂直。串联关
节式码操机器人的结构
如图
1.3
；混联式机器人如下图
1.
4
。
图
1.3
关节式码操机器人的结构
图
1.4
混联式机器人结构
串联关节式码垛机
器人和混联机器人主要区别在于混联码操机器人和关节式串联机器
人的第一关节与第四关
节同为旋转关节。
而混联码操机器人的第二关节和第三关节为移动关
节
,
第二关节为水平移动
,
第三关节为垂直移动
,
两关节部分各有驱动系
统
,
每个电机控制同
步带轮的旋转驱动
滚珠丝杠
,
从而带动其滑块的运动
,<
/p>
可以实现大臂上下运动
,
小臂前后运
动。这样结构的优点是可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求。
目前国际四大机器人生产商
ABB
、
FUNUC
、
KUKA<
/p>
和
YASKAWA
在
4
轴搬运机器人研发方面
,
均采用
四轴旋转的关节式结构
,
与两个旋转和两个移动关节的混联码操
机器人比较
,
具有如
下优势
:
1)
结构紧凑
,
外形美观
,
为目前四轴搬运码操机器人的主
流发展方向
;
2)
维护方便
,
故障率低
,
与滚珠丝
杠、
精密行星减速机的传动方式相比
,RV
减速机传动简
单
,
易于维护
,
使用寿命长
,
前者
在润滑与密封方面较后者复杂。
3)
成本基本持平
,
两者使用相同数量的伺服电机和减速机
,
混联码操机器还另外需要滚
珠丝杠和导轨。<
/p>
4)
关节式码操机器人的旋转关节方式
定位精度高于混联码圾机器人的直线关节方式的
定位精度。
<
/p>
5)
在机械结构设计方面
,
混联码操机器人的结构较关节式码操机器人更为复杂
,
需要解
决伺服电机、同步带传动、滚珠丝杠和导轨的布置问题。
6)
混联码操机器人虽然也有行程放大的机构
,
但由于外观尺寸的限制
,
滚珠丝杠和导轨
的长度受限
,
运动空间
小于关节式码探机器人。
1.3
国内外码垛机器人研究现状
1.3.1
国外码垛机器人发展现状
工业机器人技术在国外起步较早
,
第一
次将机器人技术应用于码操作业的是在
20
世纪
70
年代
,
由日本提出的。目
前
,
世界各发达国家的机器人公司针对各种载荷、运行空间和运
行环境
,
不断推出高性能、高可靠性、
高速、高精度的码探机器人。码圾机器人市场主要分
为欧系和日系。
欧系码操机器人以
ABB
和
KUK
A
为代表
,
日系码操机器人以
FANUC
和
YASKAWA
< br>为代表。
ABB
公司是全球领
先的工业机器人供应商
,
在码操作业方面
,
有着全套先进的机器人解
决方案。
1974
年
,ABB
设计研发了全世界
第一台全电控式、
微处理器控制的工业机器人
IRB6
。
随着技术积累
,
最近
ABB
公司研制了全球速度最快的紧凑型四轴码操机器人
ABB-IRB460
。
在
< br>工作节拍方面
,
每小时最快可以达到
2190
次
,
工作空间的直径达到
2400mm,
在运行速度方面
,
较相同类型的机器人提升了
15%
左右<
/p>
,
在占地面积方面
,
只是同类机器人的
4/5,
在工厂狭小
空间内的高速作业
,ABB-IRB460
将更加适用。<
/p>
针对不同行业的需求
,ABB
开发了特殊
规格的机
器人
,IRB360
是实现高
精度拾放料作业的并联机器人
,
范围可达
1600mm
。该机器人高速柔性
化
,
按照卫生标准设计
,
并集成视觉软件
。
作为全球最大机器人生产商之一的德国
KUKA
机器人公司
,
涵盖了所有
应用场合和负荷
等级的机器人类型
,
其
中
Titan
是目前市场上最强悍的工业机器人
,
主要应用于包装及蹄选
,
承
载能力可以达到
1300kg,
最大作用范围
< br>3202mm,
重复定位精度也能达到±
0.2mm
。
凭借矫健
的身姿
,
获得了全球公认的红点设计奖。
日
本安川公司于
1977
年研制出第一台全电动工业机器人
,
至今在全球已生产
13
万多台
机器人。安川机器人的
MP
系列是专门应用于码垛作业的
,MPL160
码垛机器人的负载
能力达
到了
160kg,
重复定位精
度达到±
0.5mrn
。而
MOTOM
AN-UP350D
机器人最大负载可达
500kg,
机器人最大臂展为
2500mm,
重复定位精度
也能达到±
0.5mm
。安川机器人不间断监视高密度
安装的机械臂之间的距离
,
在机械臂快要发生碰
撞时
,
将会自动停止
,
并且可用低速测试运行
,
确认再生动作的轨迹
,
这样就可以同时确认工件与工具的干涉
,
在短时间内做出最合适和最
短距离的示教。
日本
FANUC
的
LTD
成立于
1972
年
,
主要产品为工厂自动化设备及工业机器人
,<
/p>
年产机器
人
25000
< br>台
,
全球共有八十多家分公司和子公司。
FANUC
机器人拥有
200
种以上机器人系列
,
负重能力由
3kg
-1200kg,
运动范围从接近人手臂的
Baby
Robot
(R=600mm),
一直到类似大吊
车的
M-2000iA
系列。
FANUC
公司是世界上唯一提供集成视觉系统的厂商<
/p>
,
视觉软件集成在机
器人控制器中
,
实现可靠性高的视觉功能。
该公司的码垛专
用机器人
M-410iB,
最大可搬运重
量
700kg,
作业半径为
3143
mm,
工作循环周期达到
1500
回<
/p>
/
小时。
内部封入了食品生产对应的
润滑脂
,
并且强化了防诱性的包装食品排放
搬运专用型
,
以及将第四轴的速度提高到
12.57rad/s
的高速机械手腕型
,
< br>同时可以选配视觉系统。
1.3.2
国内码垛机器人发展现状
我国工业机器人技术研究与应用开始于上世纪
70
年代
,
自主研发的码操机器人主要结
构形式有直角坐标式和关节式。
近几年
,
在码圾机器人方面
,
出现了一批具有较强研发实力的
科研院所和专家企业。
上海交通大学与上海沃迪科技有限公司研
发了
TPR
系列码操机器人
,
如图
1.5
。
TPR
系列机器人与日本
FUJI
码操机器人
结构相似
,
具有独特的线性四连杆机构利
用工控机、运动控制卡、
PLC
和
H
MI
实现机器人的控制
,
并且可以通过
HMI
人机交互
,
核心算
法由工控机完成
,
控制软件
在
Visual Studio
平台上编写
,
实现码操机器人生产能力达到
1600
< br>包
/
小时。
图
1.5
TPR
系列码垛机器人
安川首钢机器
人公司是专业从事于工业机器人以及自动化生产线设计与制造的合资公
司
,
主要引进円本安川机器人公司的技术。生产的
“系列工业机器人
,
在控制器
中采用了
ARM
功能
,
首次实现了实时动力学控制技术。
2005
年在引进
MOTOMAN-HP
机器人的
基础上
,
将该机器人本体轻型化
,<
/p>
减弱了机器人启动和停止时瞬间的颤动
,
缩短了运行周期。
运
用
高
精
度
轨
迹
< br>控
制
算
法
缩
短
了
对
指
令
响
应
的
滞
后
时
间
,
使
得
轨
迹
重
复
精
< br>度
提
高