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1、武汉科技大学本科毕业设计摘 要Delta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、精度高、自重负荷比小、动力性能好等一系列优点,与目前广泛应用的串联机器人在应用上构成互补关系,因而扩大了机器人的应用领域。Delta并联机器人是最典型的空间三自由度移动的并联机构,Delta机构整体结构简单、紧凑,驱动部分均布于固定平台,这些特点使它具有良好的运动学和动力学特性,实验条件下末端控制加速度可高达5.0g(重力加速度)。大量的实践证明,Delta机构是迄今为止设计最成功的并联机构之一。目前,Delta并联机器人己经广泛应用于化妆品、食品和药品的包装和电子产品的装配。步进电机是将电脉冲信号
2、转为角位移或线位移的开环控制元件。以步进电机作为Delta机器人的动力，其既简单廉价，又可靠稳定。它有瞬间启动，急速停止，精度高等特点。在运动学反解模型的基础上，利用VS2008开发了基于Windows平台的三自由度Delta机器人上位机控制端，实现了空间坐标的反解及数据的串口收发。并设计制造了Delta机器人，设计采用二相混合式步进电机作为机器人的动力来源。使用S3C6410作为控制系统的核心，实现下位机串口数据的收发、对机械运动的控制及步进电机的驱动。关键词：Delta机器人； 位置反解； 步进电机； S3C6410Abstract Parallel robot is a new kind
3、 of robots, It has a serial advantages over serial robots in terms of high stiffness, larger payload, high precision, load/wight ratio and good dynamic capability, it has complementary relationship with serial robots which is widely used in application, as a result, enlarge the whole application fie
4、ld. The Delta parallel robot is the most typical three translation Dof parallel structure, the whole structure is simple and compact, the driving part are evenly distributed to base platform, this characteristics lead to good kinematic and dynamic identity, under experiment, the acceleration can rea
5、ch to 5.0 times of g(acceleration of gravity).A number of experiments proved that, the Delta robot is one of the most successful robots since today. At present, the Delta robot is widely used in the packing of cosmetic, food and medicine as well as assembly of electronic products.The stepping motor
6、is a open-loop control components that could be to transform the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement. The stepping motor is the power of Delta robot which is both simple and cheap, reliable and stable. It has instant start, rapid stop, and high accuracy.On the ba
7、sis of inverse kinematics model, develops the computer control system based on Windows using VC2008, The inverse solution space coordinates and Serial data transceiver. Design and manufacture of Delta robot, Using the two-phase hybrid stepping motor, using S3C6410 as the control core, The lower comp
8、uter serial port to send and receive data and Control of the mechanical motion.Key word: Delta robot; Inverse solution of position; Stepping motor; S3C6410目 录绪论11 系统开发相关工具介绍51.1 OK6410开发板介绍51.2 RVDS开发工具介绍61.3 交叉编译环境的搭建71.4 OK6410裸机程序的烧写82 Delta机器人详细设计112.1 硬件结构分析112.1.1 Delta机器人机械结构112.1.2 步进电机介绍122
9、.1.3 步进电机驱动器122.1.4 硬件电路连接142.2 三自由度Delta机器人位置分析172.2.1 Delta机器人机构简介172.2.2 位置反解分析172.2.3 位置反解数值算例203 控制系统实现213.1 控制系统控制流程213.2 S3C6410初始化213.3 中断控制的实现243.3.1 保存现场253.3.2 处理中断253.3.3 恢复现场263.4 时钟初始化263.4.1 锁相环配置263.4.2 分频器的配置273.5 串口控制273.5.1 时钟单元选择283.5.2 配置波特率发生器284.5.3 串口中断控制283.6 定时器设置293.7 步进电机
10、控制303.8 上位机控制程序313.8.1 上位机串口模块323.8.2 位置反解计算模块334 系统测试35总结36参考文献37致谢38IV绪论引言自从1961年美国Unimation公司推出第一台工业机器人以来，机器人得到了十分迅速的发展。如今机器人已经广泛应用于工业生产中，如喷气、焊接、搬运、装配等工作，在汽车工业、电子工业、核工业、服务业和医疗卫生等许多方面都有应用。现在所说的机器人多指串联机器人。1965年，英国高级工程师Stewart首先提出了一种6自由度的并联机构作为飞行模拟器用于训练飞行员4，如图 1.1示。到1978年，澳大利亚的Hunt教授指出这种机构更接近于人体的结构，
11、可以将此平台作为机器人机构。80年代中期，国际上研究并联机器人的学者还寥寥无几，出的成果也不多，到80年代末期特别是90年代以来，并联机器人才被广为关注，并成为新的热点，许多大型会议都设有专题进行讨论。1985年，Clavel提出了一种成为Delta的三维移动机构，如图 1.2示。Delta机器人是最经典的空间三自由度移动的并联机构，大多数空间三自由度并联机构都是从Delta机构衍生的。Delta机器人是一种具有3个平动自由度的高速并联机器人，也是目前商业应用最成功的并联机器人之一。 图1.1 Stewart平台 图 1.2 Delta机器人并联机器人研究发展的现状目前，国内外对于并联机器人的
12、研究主要集中于机构学、运动学、动力学和控制策略等几个领域。其中机构学和运动分析主要研究并联机器人的运动学、奇异形位、工作空间和灵巧度分析等方面，这些研究是实现并联机器人控制和应用的基础。动力学和控制策略的研究主要是对并联机器人进行动力学分析和建模，研究各种可能的控制算法，对并联机器人实时控制，以达到预期的控制效果11。下面分别对并联机器人的运动学、动力学、机构性能等方面的主要研究成果和趋势进行阐述：1.运动学研究内容包括位置正反解、速度和加速度分析两部分。位置正解是给定并联机器人各输入关节的位置参数，求解末端执行器的位姿参数；反解就是给定并联机器人末端执行器的位姿参数，求解各输入关节的位置参数
13、。其中，解决位置正解问题主要方法有数值法和解析法两种。2.并联机器人的动力学研究包括惯性力计算、受力分析、驱动力矩分析、主负约束反力分析、动力学模型建立、计算机动态仿真、动态参数辨识等，其中建立动力学模型是实现并联机器人控制的基础。研究动力学特性的方法通常有以下：拉格朗日(L眼range)法、牛顿一欧拉(Newton一Euler)法、凯恩(Kane)法、高斯(Gauss)法等。Lagrange方法建立动力学方程是以系统动能和势能建立的，它推导复杂、计算量大，但用矩阵形式表示的动力学模型既能用于动力学控制，又能用于系统动力学模拟，而且能清楚的表示出各构件间的祸合特性，有利于对系统的祸合特性做深入
14、研究，因此Lagrange方程得到广泛的应用。本文研究的目的与意义 由于并联机器人采用闭环机构,和串联机器人的开链式机构相比,具有如下特点：1并联机器人其末端件上平台同时由6(或3)根驱动杆支撑，与串联的悬臂梁相比，其承载能力高、刚度大，而且结构稳定；由于刚度大，在相同的自重或体积下，并联式较串联式有较高的承载能力。2串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因此误差大而精度低，并联式没有那样的积累和放大关系，各杆件误差形成平均值，误差小而精度高。3串联机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动的大小臂上，增加了系统的运动惯性，恶化了系统的动力性能；而并联机器人很容易将电机置于基座上，减少了
15、运动负荷，极大地提高了系统的动力性能。4在位置求解上，串联机构正解容易，反解十分困难，而与之相反的是，并联机构正解困难而反解却容易得到。由于机器人的在线实时计算是要计算反解，这就对串联式造成了困难，而并联式很容易实现。5相对于串联机器人，同样的机构尺寸，并联机器人的工作空间较小，主要是受输入空间、平台和基座的形状和大小、平台和基座及其杆件在空间的相互干涉、奇异位置等约束造成。6由于并联机构动力学特性具有高度非线性、强祸合的特点，使得其控制较为复杂。通过以上分析可知，并联机器人与串联机器人在应用上形成了一种互补的关系，各自都有其特殊的应用领域，可以说并联机器人的出现扩大了机器人的应用范围。随着微电子和计算机技术的发展，并联机器人得到了越来越广泛的应用。工业上，并取机器人可以用在汽车总装线上安装轮胎，汽车发动机，还可以用作飞船对接器，潜艇救援中的对接器，飞行模拟器、空间飞行器对接机构及其地面试验设备，天文望远镜跟踪元位系统等，其中Delta机器人被广泛应用于食品与药品的包装与机械自动生产线上。对于困难的地下工程，如上方挖掘，也可以利用并联机构。并联机器人的一个重要应用就是被称为“21世纪的机床”的虚拟轴机床。并联
