1、 1机械工程自动实践 六轴并联倾角控制 学生姓名：刘晓东（学号：2013080107010） 刘颖添（学号：2013080107021） 张 瑞（学号：2013080107023） 2016年10月17日 2摘 要 并联机器人无论是从结构上还是功能实现上都是一种新型机器人。并联机器人具有精度高、刚度大、惯性小、承载能力高、运动反解模型简单、操作速度高、易于控制等特点，因此，其应用范围从最初的飞行模拟器到近几年来的宇宙飞船空间对接器、精密操作微动机器人以及虚拟轴加工车床等。 本文要设计的是基于陀螺仪的反馈实现对并联机器人的末端倾角的单轴闭环控制。编写上位机，输入目标角度，由机器人自动调节并实时显
2、示当前角度直至末端倾角达到目标角度。 本设计可调节角度达 40 ，调节精度可达0.001，响应时间为2s。 关键词：并联机器人；陀螺仪；倾角控制 3目 录 一、系统方案 . 1 1、并联机器人运动控制卡驱动的论证与选择 1 2、陀螺仪模块的论证与选择 . 1 二、系统理论分析与计算 . 1 1、并联机器人运动控制分析 . 1 2、并联机器人运动控制的计算 . 3 三、硬件与程序设计 . 5 1、硬件的设计 5 （1）电路设计 . 5 （2）机械设计 . 6 2、程序的设计 8 （1）程序功能描述与设计思路 8 （2）程序流程图 . 8 四、测试方案与测试结果 . 9 1、测试方案 9 3、测试
3、结果及分析 9 （1）测试结果(数据) . 9 （2）测试分析与结论 9 五、结论与心得 . 9 1一、系统方案 本系统主要由并联机器人运动控制卡驱动，陀螺仪等主要模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1、并联机器人运动控制卡驱动的论证与选择 方案一：选择底层驱动，通过直接控制六个电机实现并联机器人末端的运动。这种控制方法响应快，控制灵活，但需要自己编写控制算法，实现难度大。 方案二：选择顶层驱动，通过使用并联机器人配备的控制卡动态链接库直接控制机器人末端的运动。 显然，选择方案二实现本设计。 2、陀螺仪模块的论证与选择 方案一：使用MSCCOM控件读取陀螺仪数据，此方案读取方便，速度快，
4、但实际操作中发现与并联机器人运动控制冲突，无法正常使用。 方案二：使用串口动态链接库读取陀螺仪数据。 显然，选择方案二实现本设计。 二、系统理论分析与计算（此部分由刘颖添负责） 1、并联机器人运动控制分析 首先在机构的上、下平台上各建立一坐标系,如图4-1所示,动坐标系P-XYZ建立在上平台上，坐标系O-XYZ固定于下平台上。在动坐标系中的任一向量R可以通过坐标变换方法变换到固定坐标系中的R。 a）机构简图 b）坐标系示意图 2图4-1 6-SPS并联机构 式中的T为上平台姿势的方向余弦矩阵，其中第1、2、3列分别为动坐标系的X、Y和Z在固定坐标系中的方向余弦，P为上平台选定的参考点P，即动坐
5、标系的原点在固定坐标系中的位置矢量。当给定机构的各个结构尺寸后，利用几何关系，可以很容易写出上下平台各铰链点(bi，Bi，i1，2，6)在各自坐标系个的坐标值，再由式(51)即可求出上下平台铰链点在固定坐标系(OXYZ)中的坐标值。这时6个驱动器杆长矢量Li(i1，2，6)可在固定坐标系中表示为 （式4-2） 或 从而得到机构的位置反解计算方程： 上式是6个独立的显式方程，当已知机构的基本尺寸和上平台的位置和姿势后，就可以利用上式求出6个驱动器的位移。这里讨论的方法不但适用于6-SPS机构，而且普遍适用于从6-SPS机构演化出来的许多其它平台机构，从上面的讨论可以看出，6-SPS类型的并联机构
6、位置反解是十分简单的，这正是这类机构的优点之一。 2、并联机器人运动控制的计算 该机器人结构尺寸参数如下： 自由度：6 杆长：l=223mm 上平台外接圆直径：R=129.74mm 下平台外接圆直径：r=65.5mm （式4-1） （式4-3） （式4-4） 3各杆行程：100mm 驱动元件方向：Z向 驱动元件最小伸长量：158.8966mm 驱动元件最大伸长量：258.8966mm 为求解6自由度平台的空间位置关系，首先建立动、静两坐标系，静坐标系原点O位于上平台中心，动坐标系原点O位于下平台中心，各轴指向如图所示，动静平台坐标系方向保持一致坐标系如图4-2。 图4-2 并联机器人反解坐标系
7、 在此坐标系下，上平台各个铰点坐标为： B1(Rcos(77.92),Rsin(77.92),208.897) B2(Rcos(102.08),Rsin(102.08),208.897) B3(Rcos(-162.08),Rsin(-162.08),208.897) B4(Rcos(-137.92),Rsin(-137.92),208.897) B5(Rcos(-42.08),Rsin(-42.08),208.897) B6(Rcos(-17.92),Rsin(-17.92),208.897) 下平台各个铰点坐标为： P1(rcos(50.1),rsin(50.1),0) P2(rcos(12
8、9.9),rsin(129.9),0) P3(rcos(170.1),rsin(170.1),0) P4(rcos(-110.1),rsin(-110.1),0) P5(rcos(-69.9),rsin(-69.9),0) P6(rcos(9.9),rsin(9.9),0) 为了更好地表示空间某点所作的平移变换和旋转变换，利用齐次坐标来表示点的空间位置，引入齐次变换矩阵来表示点在空间的平移和转动。 假定空间某点p的笛卡尔坐标为(x、y、z)，可以用一个四维列向量T x y z 14表示p点的齐次坐标。这种表示方法不仅可以规定点的位置，还可用来规定矢量的方向，即当第四个元素非0时，代表点的位置；
9、第四个元素为0时，代表方向。 设空间中有一个定坐标系和一个动坐标系，当动坐标系沿定坐标系X、Y、Z分别平移XP、YP、ZP，再在新的坐标系下绕x轴旋转，绕y轴旋转，绕z轴旋转y之后，则坐标矩阵为 （式4-5） 其中 cosc sins亦即动坐标中某点P经过上述平移和转动之后在定坐标系中的齐次坐标P为TPP ，这样就可以用一个矩阵即表示旋转，又表示平移，其结果与式4-1相同。 根据并联机器人初始状态坐标可以求得驱动杆的原长iiiPBl 由公式TPP 可以得到P的各个点的坐标，然后可以计算驱动杆的长度iiiPBl 由于机器人在运动时，驱动方式相当于Bi点的Z坐标变化，而X和Y坐标不变，令li=li
10、 即可求出Bi点的Z坐标变化，即驱动丝杠应运动的距离。至此，可通过给定的输出端位置，求解处输入端位置，完成反解； 三、硬件与程序设计 1、硬件的设计（此部分由刘晓东负责） （1）电路设计 RBT-6T03P机器人控制系统主要由计算机、步进电机驱动器及步进电机、电源、控制柜、操作电路等几部分组成。 计算机内安装有运动控制卡和机器人控制软件。 运动控制卡由高性能DSP处理器、CPLD可编程器件及伺服电机接口器件等组成，用于实现伺服电机的位置、速度、加速度的控制及多个伺服电机的多轴协调控制。其主要功能为：S形、梯形自动加减速曲线规划；输出控制脉冲到电机驱动器使电机运动；具有编码器位置反馈信号接口，监
11、控电机实际运行状态；能利用零位开关、减速开关及编码器Z相信号实现高速高精度原点返回操作；具有伺服驱动器报警信号ALM等伺服驱动器专用信号接口。 5电机驱动器用来把运动控制卡提供的低功率的脉冲信号放大为能驱动电机的大功率电信号，以驱动电机带动负载旋转。 电源部分用来给控制柜提供各驱动器的控制用电源，包括相关保护、滤波器件等。 操作电路提供电气系统所需的电源开、关顺序操作及保护、报警、状态指示等控制操作。 下面对本系统中所使用的步进电机系统作以简要介绍。 步进电机控制系统示意图如图3-1所示。 图3-1 步进电机控制系统 其主要的控制信号有： 1） 步进脉冲信号 CP ：这是最重要的一路信号，控制
12、卡发出此信号用来控制步进电机旋转，驱动器每接受一个脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一个步距角，CP的频率和步进电机的转速成正比，CP的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到控制电机位置和速度的目的。 2） 方向电平信号 DIR ：控制卡发出此信号用来控制电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。 3） 使能信号 EN ：此信号在不连接时默认为有效状态，这时驱动器正常工作。当此信号回路导通时，驱动器停止工作，此信号为选用信号。 （2）机械设计 RBT-6T03P六自由度并联机器人的机构为6PTRT结构，
13、即每条运动支链由平动副虎克铰转动副虎克铰结构组成，平动副由电机控制可以进行垂直方向的一维平动，其具体结构由步进电机，滚珠丝杠及导向光杠构成，运动平台倒置放置。 6图2-9 机器人传动简图 RBT-6T03P六自由度并联机器人机械系统主要由以下几大部分组成：原动部件、传动部件、执行部件。基本机械结构连接方式为原动部件传动部件执行部件。机器人的传动简图如图2-9所示。 步进电机驱动滚珠丝杠，带动丝杠上滑块上下移动, 并联六连杆上虎克铰与滑块螺钉连接, 下虎克铰与活动平台连接, 通过上虎克铰的移动带动活动平台各自由度运动，各连杆成一定角度, 此角度通过仿真和有限元优化分析而得, 达到系统最佳状态.。
14、 1、 结合实物介绍在RBT-6T03P机器人中采用的各传动部件的工作原理及特点（教师讲解）。 传动部分结构特点: 滚动螺旋传动（滚珠丝杠），滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。与传统滑动丝杠相比，它用滚动摩擦代替滑动摩擦，降低了螺旋传动的摩擦，提高了效率，克服了低速运动时的爬行现象。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。 滚动螺旋传动的结构形式很多，其工作原理如图2-10所示。当螺杆或螺母转动时， 滚珠依次沿螺纹滚道滚动，借助于返回装置使滚珠不断循环。滚珠返回装置
15、的结构可 分为外循环和内循环两种。图2-10(a)为外循环式，滚珠在螺母的外表面经导路返回 7图2-10 滚动螺旋结构图 槽中循环。图2-10(b)为内循环，每一圈螺纹有一反向器，滚珠只在本圈内循环。外循环加工方便，但径向尺寸大。 滚动螺旋传动的特点如下： 1） 采用丝杠螺母副把电机的旋转运动变为直线运动； 2） 采用循环式直线滚动导轨约束平台面的运动，动静摩擦系数差别小，灵敏度高，启动阻力小，不易出现爬行现象；。 3） 刚性好、抗振性强，能承受较大的冲击和振动； 4） 运动灵活平稳，能微量准确运动，定位精度高； 5） 结构紧凑，体积小。 导向部分采用的是直线轴承与圆柱导轨的形式如图2-11所
16、示，它具有以下特点： 1） 摩擦系数小，只有0.001-0.004 ，节省动力。微量移动灵活、准确，低速时无蠕动爬行； 2） 精度高，行程长，移动速度快。具有自调整能力，可降低相配件加工精度。维修、润滑简便。导轨与导套呈圆柱形，造价低，但滚动体与轴呈点接触，承载能力较小，适用于精度要求较高、载荷较轻的场合； 3） 由于均采用滚动部件，无法形成自锁，所以在步进电机的后部使用电磁制动器保证在失电情况下的位置保持。 图2-11 直线轴承结构图 82、程序的设计（此部分由张瑞负责） （1）程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述 根据题目要求软件部分主实现上位机的编写及运动控制。 1）上位机编写：要求
17、有目标角度输入接口，实时倾角显示窗口。 2）运动控制：要求并联机器人末端实现对输入的目标角度的跟踪调节。 2、程序设计思路 使用VC+6.0编写上位机，并调用串口动态链接库读取陀螺仪数据，RTB-6P运动控制卡动态链接库控制机器人末端运动。 （2）程序流程图 N Y N Y 开始 输入目标角度 目标角度改变？ 读取陀螺仪角度 求角度差 解算并控制运动 角 度 差=0？ 9四、测试方案与测试结果 1、测试方案（此部分由刘晓东负责） 打开上位机，手动输入目标角度（ 40 ），观察并联机器人末端及上位机实时角度显示。 2、测试结果及分析（此部分由刘颖添负责） （1）测试结果(数据) （单位/度） 目标角度 -40 -20 -10 10 20 40 实际角度 -40.0009 -20.0012 -10.0008 10.0011 20.0009 40.0001 （2）测试分析与结论 根据上述测试数据，可以得出以下结论： 1、本设计实现了并联机器人末端单轴 40 的闭环调节； 2、调节精度可达到0.001； 3、上位机实现了输入接口与显示窗口； 综上所述，本设计达到设计要求。 五、结论与心得 通过此次课程了解了PC端上位机的编写与动态链接库的调用，了解了六轴并联机器人的结构特性与控制算法，提高了自身的动手能力与解决问题的能力。
