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SCARA机械手系统设计与规划控制研究


1 94.1.122 SCARA

I;匿。;。。;毫一'I_一。"。lJ整剑盈窒


论文评阅人1: 评阅人2: 评阅人3: 评阅人4: 评阅人5:

答辩委员会主席: 委员1:

丝至呈《。么缢k乏适雄盔受

缸.瑾一.么幺江.冬o—江孟o————一
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主6兰么碰丝左辇承益 盎篮叁么逝远基垦 薹2趄煎

委员2: 委员3:
委员4: 委员5:

Author’S signature:

‘ ● ‘

Supervtsor 7S signature:

Thesis reviewer 1: Thesis reviewer 2: Thesis reviewer 3: Thesis reviewer 4. Thesis reviewer 5:

Chair: ’(Committee of oral defence)

Committeeman

1:

Committeeman 3: Committeeman 4:
Committeeman 5:

Date of oral defence:

浙江大学研究生学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的

研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发

表或撰写过的研究成果,也不包含为获得浙婆太堂或其他教育机构的学位或
证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名:珂睿纽

签字日期:

/f

年)月/7日

学位论文版权使用授权书
浙江太堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江太堂
本学位论文作者完全了解 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)

学位论文作者签名:旅聋红
签字日期:

导师签名:

黼呜
年_)月/7日

f《年3月1,7日

签字日期:f/

致‘谢
时间飞逝,就要结束在求是园近八年的学习,即将走出校园走向工作岗位, 感慨万分。 最需要感谢我的家人,母亲和两位姐姐一直含辛茹苦的默默支持,亲情是世 界上最伟大的感情,此生无以为报。

由衷感谢我的导师朱世强教授,朱老师在机器人领域有着很深的造诣,不仅
学术上,朱老师在其为人处世、思想觉悟方面深深启迪着我,让我受益匪浅,让 我懂得作为一名研究生,不仅在学业技能上要有所专长,更需要的是在做事方法, 做人态度上不断地提升自己,达到自身的全面发展。能在朱老师门下学习是我的 荣幸。 感谢王宣银教授,王老师在科研上的无私指导和帮助解决了我不少困惑。 感谢李江波硕士,和李师兄一起学习奋斗过的近五年的日子让人怀念。

感谢刘松国博士和王会方博士,两位师兄学术知识扎实、作风严谨。在学业、
生活上给以我无私的帮助,是我学习的榜样。 感谢实验室的其他同仁,刘华山、陈光、程永伦、罗立佳、赖晓波、闫莎莎、

孙杰、顾晔、吴文祥、李云飞、崔壮平、曹新星、罗邵成、马璇、张德胜、郑凌、
赵立军、陈庆诚、杜佳伟等,实验室的生活是段很充实的时光. 感谢我的室友及同学陈剑锋、班伟、王立军、宋伟、侯交义、张军辉、袁野、

尹辉、胡任、陈元杰、凌振飞、谢安桓、张超、蒋昊宜等,从本科开始的近八年
感情将是我们最宝贵的财富。 感谢我的好友HH,感悟和成长是相互的。

郑东鑫 2011.1于求是园

浙江大学硕士学位论文

摘要

摘要
随着工业化进程的发展,生产自动化水平的提高,工业机器人的应用越来越

广泛,在焊接、搬运、装配、喷涂、码垛等工业应用领域发挥着越来越重要的作


用。

本文针对小型冲压件搬运为作业任务,设计了一种SCARA工业机器人。
SCARA机器人具有四个自由度,包括三个旋转关节和一个直线关节,适用于平 面运动的装配作业.课题完成了SCARA机器人的结构设计,示教盒系统软硬件

设计,配合运动控制系统,完成整个机械手系统的设计任务,初步完成满足系统 作业的实验样机,并对运动规划和运动控制算法进行了相应的研究,并在示教盒
上完成了软件实现。 本文共有六个章节,各个章节部分主要内容如下: 第一章,首先对国内外工业机器人发展现状进行了调研。结合应用对象,说 明了本研究的内容和意义。

第二章,针对小型冲床上下料的实际需求,本章完成了机械手的结构设计。 首先针对作业要求确定了传动方案,进一步完成了驱动系统、减速机构的计算选
型及设计,以满足机械手高速运动的要求,并在结构上保证谐波传动的运动性能。 在Solidworks环境下对机械手关键关节进行分析及校核,并完成了系统的动态分 析,论证了系统设计的合理性及可行性,并完成了加工及装配,完成了机械系统 的构建。

第三章,在SCARA机械手控制系统总体设计的基础上,针对SCARA机械
手示教盒功能需求,阐述了了基于ARM9的示教盒的硬件系统的实现,内容主

要包括核心板、电源模块、通讯模块及触摸显示屏模块等各个功能模块的具体原
理及电路实现。 第四章,首先完成了对示教盒系统的Linux嵌入式系统移植,并搭建了基于

Qt的图形界面环境。建立D—H参数,推导机器人正逆解,对机器人轨迹规划问
题进行研究,采用4.3.4三段多样式进行SCARA机器人作业时的轨迹规划,进 行示教盒程序编程。

第五章,机器人系统是一个复杂的多变量的运动控制系统,存在较多的干扰

及非线性因素,控制过程比较复杂,传统PID控制不能满足机械手高速高精度 运动的要求,本章采用单神经元自适应PID控制算法,针对机器人系统的非线 性及不确定性因素,通过单神经元自适应机制,在线调整PID的参数,以满足 系统动态需求,实验结果表明该算法改善了控制效果,提高了系统的跟踪精度, 验证了算法的有效性。 第六章,总结本文工作,并提出不足和展望。

关键词:

SCARA,工业机器人,结构设计,轨迹规划,ARM9,示教盒

.浙江大学硕士学位论文

Abstract

Abstract

With

the development of the process of industrialization,there are

more and

more extensive application of industrial robots.Industrial field

robots

sire

widely used in other industrial

of welding,handling,assembly,painting,palletizing and

applications. This study designed handling tasks.SCARA


SCARA industrial
has four

robot

for the operation of stampings
rotary DOFs

robot

DOFs(degrees of freedom),three

and

one

linear DOE SCARA

robot

is widely used in assembly.This study designed

the mechanical structure

and

the teaching

box

system of this SCARA
on

robot,made



prototype to meet the need of

task,and

research
to

the

motion planning and

robot

control

algorkhms,and

did some experiments

show

the result.

There are six chapters in this chesis

as follows:

The
industrial industrial

first

chapter

introduces the historical development,status and trends of domestic

robots,and analysis the robots.Then

and

international application of

the

combined with Our actual situation by developing
out

and using
finally put

industrial robots,we point forward

the shortcomings and

weaknesses,and

the specific
second

content

ofthis research paper and work requirements.

The

chapter

completed the structural design of the SCARA

robot

for the

operation of

stampings handling tasks.It mainly contains choosing the structure and

transmission mode for

the

robot,design and computing of the key

components,the

verification and simulation of Drawing

the key joints

in

SOLIDWORKS,etc.Engineering

and assembly are
on

also done in this chapter. robot control system,Chapter III

Based

the entire design of the SCARA

described the realization of

the ARM9一baseed

teaching

box’S

hardware.It mainly

shows how each module of the SCARA robot works,suck like the module,communication module and the touch
screen

core—board,power

module,etc.

Chapter IV ported the embedded?-Linux operation system to the teaching??box

hardware

system,and

built Qt-based graphical

interface environment.Then we

figured out the robot’S kinematic equation and inverse the D—H parameter

kinematics

equation

based

on

table,explore the trajectory

planning

issues,finally completed the

teaching box programming.

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Abstract

Robot system is



complex multi-variable motion control system,there are many

noises and nonlinear factors,SO the control of robot is quite complicated.The
traditional PID control can’t meet the high-precision

robotic

movement requirements,

this chapter

uses



single

neuron

adaptive PID control algorithm for the nonlinear

robotic system,and

the experimental result shows

that

the algorithm improving

the

control effect and tracking precision.

The

last

chapter

summarizes the whole studies of this

thesis,and

also makes

prospects for further research_.

Keywords:SC龇Robot,teaching box,trajectory

planning,ARM9

浙江大学硕士学位论文

目录

目录
谢……………………………………………………………………………………………………….1 摘要………………………………………………………………………………………………………….i

Abstract.….........……........…..........….........……........…..........................….......…......iii

目录………………………………………………………………………………………………………….I

第1章绪论………………………………………………………………………1
1.1引言………………………………………………………………………………………………….1

1.2工业机器人的国内外发展现状………………………………………………l
1.3工业机器人的分类…………………………………………………………一3

1.4研究内容及研究意义…………………………………………………………4
1.4.1研究意义…………………………………………………………………………………….4 1.4.2研究目的和研究内容…………………………………………………一5

1.5本章小结……………………………………………………………………..5
第2章SCARA机械手结构设计及分析………………………………………….6

2.1系统总体结构与传动设计……………………………………………………6
2.2驱动系统选型及设计…………………………………………………………..8 2.2.1伺服电机选型…………………………………………………………..9 2.2.2步进电机选型…………………………………………………………..11 2.3谐波减速机构设计………………………………………………………….12 2.4关键关节静态分析及动态校核………………………………………………13 2.4.1关节臂的静力分析………………………………………………………14 2.4.2动态仿真……………………………………………………………:..19 2.5本章小结……………………………………………………………………………………….23 第3章基于嵌入式系统的示教盒硬件设计……………………………………24 3.1核心板电路设计……………………………………………………………25 3.1.1主控制器芯片…………………………………………………………25 3.1.2存储电路设计………………………………………………………….26 3.2电源电路设计………………………………………………………………29 3.3通讯电路设计……………………………………………………………….29 3.3.1 10M以太网………………………………………………………………29 3.3.2串口通信模块…………………………………………………………31 3.4触摸显示屏……………………………………………………………………31 3.5 JTAG调试电路………………………………………………………………32 3.6本章小结……………………………………………………………………33 第4章示教盒软件设计及轨迹规划算法实现…………………………………..34

4.1示教盒的嵌入式Linux系统及QT图形界面移植……………………………34
4.1.1嵌入式Linux系统……………………………………………………………………..34 4.1.2交叉编译环境…………………………………………………………35 4.1.3嵌入式Linux平台的搭建……………………………………………..36 QT4.5图形界面环境的移植…………………………………………一38 4.2机器人运动学解算及轨迹规划算法实现…………………………………..39 4.2.1 D.H参数及运动学正反解………………………………………………39 4.2.2轨迹规划………………………………………………………………43
4.1.4

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目录

4.3基于QT的示教规划软件设计及实现……………………………………….47 4.4本章小结………………………………………………………………………………..49 第5章单关节运动控制实验……………………………………………………50 5.1伺服控制算法…………………………………………………………………………………一50 5.1.1 PID控制…………………………………………………………………………………….50 5.1.2单神经元自适应PID控制………………………………………………51 5.2单关节实验…………………………………………………………………52 5.2.1实验系统……………………………:…………………………………52 5.2.2实验方法…………………………………………………………………………………54 5.2.3实验结果及其分析………………………………………………………54 5.3本章小结……………………………………………………………………………………56 第6章总结和展望…………………………………………………………………………57 参考文献………………………………………………………………………….59 攻读硕士学位期间主要的研究成果…………………………………………….63

II

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绪论

第1章绪论
1.1引言
1984年,国际标准化组织OSO)通过的工业机器人的定义是:“工业机器人是

一种可以反复编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的手;或者为了执行
不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统”【1,221。

工业机器人集计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生 学等多学科而形成的高新技术【11,是当代研究十分活跃、一应用日益广泛的领域。
自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发

展很快,已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统
(CIMS)的自动化工具。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而

且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料
消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。国外专家预测,机器人产业是继汽

车、计算机之后出现的新的大型高技术产业121。

1.2工业机器人的国内外发展现状
机器人产业在经历了21世纪初的高速增长,截止2008年,世界上共超过 1000000台工业机器人服役于工业各个领域,从1960年到2008年,共生产

1970000台工业机器人,机器人市场增长到62亿美元,实际上机器人系统的市
场份额可达190亿美元13羽。 2008年全球机器人市场已经受到金融危机的影响,但是仍然具有较为强劲的 势头,据据UNECEt61(联合国欧洲经济委员会)和IFR tn(I虱际机器人联合会)统计, 2008年世界机器人年销售量为113300台,07、08年的销售量仅比05年最高时 减少6%,如图1.1所示。重要的原因是由于汽车工业的投资及橡塑工业、金属 制品和机器、食品工业、电子工业等对机器人的使用(图1.2)。

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绪论

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2004

2005

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2007

2008

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图1.1 1991.2008年各年世界工业机器人安装量(单位:千台)【4】

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图1.2 07、08年世界工业机器人应用领域(单位:台)

工业机器人将会持续增长,制造行业为了缩短产品生产周期、更短的市场投 放时间、更大的柔性系统、产品的专业化、全球竞争力、劳动力的缺乏、环境法 规、能源消耗等原因,而采用较多的工业机器人。 经过40多年的发展,国外的工业机器人技术和应用基本成熟,在各个应用领 域都出现了性能优良的机器人,并已经广泛进入了生产车间。工业机器人的迅速 发展造就了一批著名的机器人公司,如ABB、Staubli、安川、川崎重工、KUKA 等。这些公司的工业机器人的性能和优越,平均无故障作业时间高达5万个小时。 在产业化规模越来越大的同时,专家和学者对工业机器人的研究也不断朝着

智能化、模块化和系统化的方向发展,其发展趋势主要为【剐:结构的模块化和可

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绪论

重构化;控制技术的开放化、PC化和网络化;伺服驱动技术的数字化和分散化;

多传感器融合技术的实用化;工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网
络化和智能化等方面。 我国的机器人研究起步于20世纪70年代后期,初期局限于理论的探讨。1986 年,国家成立了863高技术发展计划,将机器人技术作为一个重要的发展主题, 取得了迅速的发展,单2001年至2004年我国工业机器人平均增长率超过40%。成 为亚洲第三大机器人市场。近年来,机器人市场依然是兴旺的,2008年新增安装 7900台,比07年增长20%,汽车领域是最大市场增长点【4,8,91。但是目前我国的机 器人市场基本被日本和欧洲垄断,国内没有形成具有影响力的产品和有规模的产 业。目前国产的工业机器人一般都是组装的,缺乏自主知识产权,成本也较高, 具有部分自主知识产权的工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产, 未能形成气候。 面临强劲的市场需求,在我国正在由工业大国向工业强国转型的关键时期, 研制具有完全自主知识产权的低成本的工业机器人是形成自主知识产权,提高我 国机器人的国际竞争力的关键。

1.3工业机器人的分类
按照结构形式,工业机器人可分为以下几类(如图1.3~1.7所示):【11 、(a)直角坐标式机器人; (b)圆柱坐标式机器人; (c)球坐标式工业机器人; (d)复合坐标机器人,如SCARA机器人; (e)关节式工业机器人。

图1.3直角坐标机器人

图1.4圆柱坐标机器人

图1.5球坐标机器人

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绪论

图1.6 SCARA机器人

图1.7关节式机器人

表1.1中比较了各种结构形式的工业机器人的特点。 表1.1:各种工业机器人结构形式的比较 类型 优点 缺点 体积大,运动时的空间利用率 低,不适宜做抓取作业。 定位控制难,不宜作直线传送

直角坐标 结构简单,结构刚性好,定位精度高。 球坐标 占地小,作业空间大

圆柱坐标 运动控制简单、手臂刚性好、制造成本低, 机器人定位精度较低、不宜作直 末端指向机器人轴心,利于搬运件的传 线传送,工作空间有死区。 输。
SCARA

运动速度和定位精度较高,运动快捷、准 手臂结构剐性较低。控制较为复 杂。 确,适宜以平面方式传输的场合。成本相 对较低,占地空间较小。 灵活性大。作业范围大。 规划控制较复杂,手臂结构刚性 较低,定位精度很难保证,设计 制造成本较高。

关节型

1.4研究内容及研究意义
1.4.1研究意义
随着国民经济的发展,我国对工业机器人的需求无论从数量上还是从质量上

都有较高的要求,采用国产器件,针对具体的应用对象,研究和设计专用工业机
器人,是提高工业机器人的自主知识产权及国产率关键因素。 机械本体是工业机器人的基础,研究工业机器人结构优化是提高机器人工作 空间、运行性能、成本、可靠性的重要因素。目前工业机器人广泛采用基于PC+

运动控制卡的架构体系,另外采用嵌入式系统开发机器人示教盒。成本较高,存



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绪论

在电磁干扰、多处理器通信等原因,影响了系统的稳定性和控制性能。采用基于 嵌入式系统+开放式操作系统的控制架构可以明显提高控制系统的可靠性及控制 性能。针对国产器件部分性能欠缺的问题,如国产谐波减速器精度、国产电机分 辨率等原因,通过高性能运动控制器和相关的控制算法提高机器人的运行性能, 有利于在现有的技术条件下,完成工程现场的使用需要,而不提高系统的成本。

1.4.2课题来源和研究内容
本课题来源为浙江省自然科学基金资助项目(Y1100693)。 本课题设计的机器人的直接对象是针对小型冲床的冲压工件抓取的任务,后 期只需要针对不同应用对象设计末端抓取机构可以来实现一定范围内的通用应
用。

主要研究工作如下: 1、搬运机器人的结构设计、零部件设计以及校核。比较各种工业机器人的 结构形式,根据本课题实际的设计要求、工作环境、实现可行性以及成本控制方 面来选择合适的搬运机器人的结构形式和传动方案。具体零部件的设计以及对关 键部位的强度进行校核。 2、搬运机器人的控制系统设计、控制系统软件的编写以及人机交互界面的 设计。控制方案的选择,主要围绕电机控制和人机交互等因素来进行处理器及其 外围的选型和设计。 3、SCARA搬运机器人的运动学、逆运动学求解,机器人搬运作业的运动规

划及控制。建立本课题类SCARA搬运机器人的坐标系,得到D.H参数表,推
导运动学、逆运动学方程,针对搬运作业,设计4.3.4轨迹规划,同时采用单神 经元自适应PID完成单关节运动控制。

1.5本章小结
本章叙述了工业机器人的国内外发展现状,阐述了本课题研究的内容和意
义。

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SCARA机械手结构设计及分析

第2章SCARA机械手结构设计及分析
工业机械手从结构上说主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件工

具的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构
形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使手部完成各种转动、移动或

复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。所以在设计机械手 时,应根据实际的运动情况,初步估计所需机械手的自由度、关节运动机构类型
以及工作空间等参数,再根据这些参数确定机械手的整体结构形式。[9-25]

2.1系统总体结构与传动设计
一般专用机械手有2~4个自由度,自由度越多,机械手的灵活性越大,通 用性越广,其结构也越复杂【l o】。表1.1给出了不同结构类型的机械手主要结构形 式及优缺点。 本课题的搬运机器人主要实现搬运工作,成本较低,综合考虑搬运运动快速、 平稳传输的基础上,以结构紧凑、成本适中为原则,所以选择SCARA机器人的 结构形式,具有4个自由度。对于驱动方式,考虑设计低成本通用型搬运机器人, 没有必要液压的大范围调速,气动的连续轨迹控制较为复杂,速度缓冲效果很难

控制,所以选择电机驱动,具体电机选型将在下面进行分析选择。
本课题的设计以一种普通的小型冲床为对象,其他应用对象可以根据实际情 况进行尺寸定制修改。以下为本文对象的一些参数: 工作台面高度:815cm 冲头高度:970cm/930cm 工作台面尺寸:445cm×300cm 工件负载:509一5009

冲床的最大作业频率:30件/min 根据系统工作台面要求,确定机器人主要技术参数,如表2.2所示。 根据实际系统工作台面要求,并结合实现方式和成本控制的前提。本课题采 用了由电机驱动的类SCARA型工业机器人的结构。三维结构图如图2.1所示。



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SCARA机械手结构设计及分析

表2.1搬运机器人主要技术参数 负载能力
1Kg

关节 运动

关节1 关节2 关节3 关节4

.1350一135。 .135。一135。 0.150ram .360。一360。 180。/s 180。/s 】00mm/s 270。/s 400mrrl 260mm 150mm

重复定位精度

1mm

范围

最大展开半径

560mm(冲压件摆放 位置到冲床中心位置 为400mm)

关节 最大 运动 速度 几何 尺寸

关节1 关节2 关节3 关节4 关节l(长度) 关节2(长度) 关节3(行程)

最大作业频率 末端最小高度 控制方式 操作方式

30件/min
850mm PTP/CP

示教再现/编程

(a)

(b)

图2.1 SCARA搬运机器人(a为三维设计图,b为最后装配实物照片)

系统的传动方式如图2.2: 第一关节:伺服电机1一谐波减速器一大臂 第二关节:伺服电机2一谐波减速器一小臂 第三关节:步进电机3一同步带一滚珠丝杠一升降台 第四关节:步进电机4一同步带一夹取气爪

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电机3

同步带

取气爪

电机l

图2.2系统传动方式图

2.2驱动系统选型及设计
以下为各关节关键部位的选型表。电机选用北京和利时公司的产品;谐波减

速器采用北京中技克美谐波传动有限公司的谐波组件。
表2.2各关节电机、减速装置部件的选型表

电机 第1关节 伺服电机80CB075C.010000及驱动

减速装置 谐波减速器
)(B1.80.100.2.3/3

第2关节

伺服电机60CB040C.010000及驱动

谐波减速器
XBl.50.100.2.3/3

第3关节

步进电机56BYG250D.SASSBL及驱


滚珠丝杠SFUl610.3

第4关节

步进电机42BYG250A-SASS池及驱

一I

下面为相关的计算。

初步计算扭矩等参数,将机械手模型简化成如下:

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SCARA机械手结构设计及分析

图2.3搬运机器人的简化模型

估计参数: 安全系数:
胛=1.5

扭矩计算公式:T=Jctn

初步估计搬运机器人中各个零部件质量(负载包括在m2。):
M=4【Kg】,%o=4【Kg】,rn2=3[Kg】,m20=4[Kg】,m2l=3【Kg】 厶=0.3[m】,厶1=O.08[m】,厶o=0.25[m] 图中的位置设定(即一二臂共线的情况)都是所求关节对转动轴的转动惯量 最大时刻的情况,则四个关节对于底座总的转动惯量为:

以=j1码-2+铂。暑+吾%((厶。+1-21+厶)2一葺)+m2。(L20+L21+厶)2
+m2l(厶o+厶2=2.8kg?m2
同理,三四关节后相对于第二关节电机轴的最大转动惯量为:

以=i1%(厶。+厶。)2+%。(厶。+厶。)2+,%,置。=o.56kg.肌2
2.2.1伺服电机选型
由技术参数可知,第1关节臂的最高转速为,rrad/s,假设电机启动后的加 速时间为O.1s,则 加速度:q=lO万rad/s 加速转矩:乃=以口=87.9N?m



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SCARA机械手结构设计及分析

现初定电机的转速为3000rpm,而关节的转速为30rpm,则选择的减速器的 减速比初定为100,则考虑安全系数后折合到减速器上的扭矩为: 互=J,an=131.8N‘m 折合到电机上的扭矩为:
T’l=Jlotn/100=1.32N?m

再结合森创公司的电机类型,初步选定第一关节的电机为80CB075C,参数
表2.3所示: 可以看出,此电机的额定扭矩为2.39N.m,而上述计算折合到电机上的扭矩 是1.32N.m,所以电机安全,符合要求。
表2.4一关节电机参数 型号 功率
Kw

转矩
Nm 2.39

最大转矩
Nm 7.16

转速
rpm
3000

最大转速
Rpm 3600

转子惯量
kg?cm2 1.03

重量
Kg 2.9

编码器
P/R
2500

80CB075C

0.75

第二关节臂的最高转速也为rtrad/s,假设电机启动后的加速时间为0.1s, 则 加速度:
%=10,rrad/S

加速转矩:艺=以口=17.6N?m 现初定电机的转速为3000rpm,而关节的转速为30rpm,则选择的减速器的 减速比初定为100,则考虑安全系数后折合到减速器上的扭矩为: 互=以6/'//=26.4N。m 折合到电机上的扭矩为:
T’2=J2atn/100=0.27N?m

再结合森创公司的电机类型,初步选定第一关节的电机为60CB020C,参数 表如下:
表2.5二关节电机参数 型号 功率
Kw

转矩
Nm 1.27

最大转矩
Nm 3.82

转速
rpm 3000

最大转速
Rpm 3600

转子惯量
kg?cm2

重量
Kg 1

编码器
P/R

60CB020C

0.4

0.3

2500

是0.27N.m,所以电机安全,符合要求。

10

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2.2.2步进电机选型
外加载荷产生的摩擦力矩

疋:盟:—29.4x1—0x10-3:0.055N.聊


2arq

2×3.14x0.85

预紧力产生的附加摩擦力矩

L:墨益.丝:—7.35x1—0xlO-a×!=Q:堡:0.0038N.所


2x

r/

2×3.14

0.85

负荷转动惯量及传动系统转动惯量计算
丝杠转动惯量:J丝杠=5981.089?mm2 直线运动件的质量为:m=465.36+3000=3465.369


直线运动件的运动速度为:1,=5r/s.10mm/r=50mm/s

直线运动件的转动惯量为:Jx线=3465.36.(罢)2=8786.89?聊聊2
负荷转动惯量:以=五杠彭
传动系统转动惯量: ,=以+厶=14768+46000=607689?mm2=6.0768x10一kg?m2 步进电机从静止加速到5r/s: 加速时间:乞=0.2s
=5981.08+8786.8=147689?mm2

角加速度:口=箬-157.08rad/s2
加速转矩:疋=儿=6.0768x10.5×157.08=0.01N.m
%=耳+耳+瓦=0.0688N?肌
乘以安全系数1.5,转矩为O.1032Nm.此时未考虑摩擦产生的力矩。 所选步进电机型号为56BYG250D.SASSBL.0241,保持转矩为1.72Nm,电 机转速为300r/min时的转矩为1.1Nm,安全。 由垂直运动部件自重产生的使丝杠逆传动的扭矩:

乃:堡.,7’≤盟:—29.4xl—OxlO-3:0.0468N.聊


2万。

2万

2×3.14

未考虑预紧力产生的摩擦力矩、导轨上的摩擦力矩。 因为电机的定位转矩为0.07N.m,所以丝杠能够通过步进电机自锁。

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2.3谐波减速机构设计
关键关节的谐波减速设计如图2.4所示。围绕谐波减速器三大组件(柔轮、

钢轮、波发生器)而进行减速传动设计。通过连接轴将电机输入传递给谐波减速
器的波发生器,连接轴的作用还在于通过两端轴承的支撑来保证波发生器保持与 柔轮和钢轮组件的同轴度,保证谐波减速器的工作正常。由于谐波减速器不能承

受弯矩,因此,必须另外设计承重机构,本机构中,采用了一对圆锥滚子轴承的
设计,承受机器人本体对关节的压力和弯矩,保护了谐波减速器。圆锥滚子轴承 能承受径向和轴向的压力,一般成对使用,并具有对心作用,可以保持输出轴与 柔轮组件的同轴度要求。

图2.4伺服电机的谐波减速设计

下面对两个关节的圆锥滚子轴承进行承载校核: 第1关节圆锥滚子轴承: 234关节重力产生的弯矩

岛l=15.75x9.8x0.396=61.74N?m

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离心力产生的弯矩 计算绕1关节轴线旋转部分的离心力:
F:册国2,.:15.75×万2×0.396:61.56N

%2=61.56x0.085=5.23N。m
弯矩由第1关节的两个轴承承受,轴承间的距离为10mm. 计算作用在轴承上的力:
F=(01.74+5.23/0.015=4.46kN

查机械设计手册,型号为61807轴承的额定静载荷为e=22kN,额定 动载荷为C0=16.2kN,安全。 第2关节圆锥滚子轴承:34关节的质量为8.38l唱, 质心对输出坐标系J2中的坐标为(O,196.44,99.23)。

&l=8.38x9.8x0.196=16.1N?m
考虑产生最大离心力的情况为2、3、4关节部分绕第1关节轴线旋转。2、3、

4关节的质量为12.48kg,质心在输出坐标系J1中的坐标为(.0.1,461.78,107.05)。
绕第1关节轴线的转动角速度为缈=,rrad/s,求转动时产生的离心力:
F=m(D2,.=12.48x万2×0.462=56.91N

离心力产生的弯矩:

%2=56.91xo.107=6.09N?m
弯矩由第2关节的两个轴承承受,轴承间的距离为10mm. 作用在轴承上的力:F=(16.1+6.09)/0.01=2.22kN 查机械设计手册,型号为61807轴承的额定静载荷为C,=4.9kN,额定动载荷为 qr=4kN,安全。

2.4关键关节静态分析及动态校核
前面已经大体确定了搬运机器人的整体结构,现在需要给零件附上材质,在
SolidWorks施加重量,这样可以让机械零部件以及整个装配系统在一定的载荷作

用下,即静态时只承受自身的重量,会产生一定的变形,同时材料内部也会产生
内应力。下面通过SolidWorks的simulation通过静力学分析,可以计算关键关节,

关键机械零部件材料内部每点处的应力、应变、位移(变形)和变形能量等数据,
这样可以找出最大应力,应力集中的部位,帮助设计者发现潜在的设计缺陷,可

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以改进材质以更符合实际操作要求,提高产品性能和改进设计缺陷,防止出现安 全隐患,提高产品的设计质量口6’281。
SolidWorks Simulation是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统。

SolidWorks Simulation提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭 曲分析、热分析和优化分析。SolidWorks Simulation凭借着快速解算器的强有力 支持,使得您能够使用个人计算机快速解决大型问题。利用其快速有限元技术 (FFE),能够快速地实现对大规模复杂设计的分析和验证,获得修正和优化设 计所需的必要信息。 其分析的过程主要有下述的5个步骤:

第一,简化模型,提高仿真计算速度,可以压缩一些不影响大局的特征;
第二,确定各个零部件的材料属性; 第三,根据实际情况来确定模型的载荷,约束及边界条件; 第四,进行网格划分,可以根据零件结构的不同,选择不同大小的网格; 第五,运行分析运算,可以得出应力,位移,应变等结果图,然后可以在此 基础上,改变所受负载约束等情况,再次运行分析,以达到预期效果。

2.4.1关节臂的静力分析
考虑到第二关节臂相对于第一关节臂的运动范围为.135。~135。如图:
够i移÷一≯。一憎1。缸叠_“。。j“lI%■吖l;“一j匏奢wq’啪蹲;|‘鼍?77摹々■“扎?。…?≯鼍?一…j??馋

图2.5关节臂运动范围

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分析两个位置对第一臂造成最大屈服力的情况: (1)第一关节臂与之后三个关节平行位置 (2)第一关节臂与之后三个关节成90度位置。 首先给整个装配体相应的零部件附上相应的材质,比如关键关节第一关节臂 与第二关节臂都是7079合金铝,因为结构尺寸已经设计好了,这样很容易在软 件中自动算出各个部分的质量。

为了分析第一关节臂的情况,需要知道第一关节臂之后三个关节的总体质
量,再找出这个总重心在第一关节臂坐标系中的位置,此时求重心时需要特别注

意的就是重心参考系的选取,零部件装配后默认坐标系原点可能要转动,装配后 的原点没有与所需分析的实际实体的原始原点重合,那么直接打开所需分析的零
部件进行施加载荷时就会出现错误,不能把质量准确地施加给实体。可以在

SolidWorks中插入参考几何体一一坐标系,重新建立一个关于第一关节臂原始原
点的坐标系,然后在使用“质量属性”时,将输出坐标系从默认改为自己重新设 定的坐标系,再重新读取重心的位置及其他相关物理量。 重新打开第一关节臂,利用simulation加上底座对之的约束,及后三个关节 (包括负载,下同)对之的远程载荷作用影响,最后进行有限元分析,这样可以 避免对整个装配体的网格划分,有效地提高了效率。结果如下: 后三个关节总质量:11.4kg 从下面两种姿态情况对第一关节臂进行受力分析。 1.第一关节臂与之后三个关节平行位置: 重心(mm):X=445.41
Y一0.38
Z=.109.59

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图2.6关节臂第一种相对位置

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7‘‘。“j?…。ji…?。?。|。j’”j鼍??:鼍?。jil书。‘?,气…。7”l。一’…j j‘ij::一:’;j+簪rIi”j?。鼍。1。●;“l”。。…艺哆jj

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图2.7

第一关节臂应力图

由图中可知,在静态姿态下,第一关节臂所承受的最大应力为5.5MPa,位 置在靠近固定端的方孔上,而7079合金铝材质的屈服力则高达500MPa,所以 材料符合设计要求。

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图2.8第一关节臂位移图

’由图2.8可知,第一关节臂在静态姿态的最大位移为O.138mm,在第一关节
‘臂的最远端。
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謦警一j|。,知…。‰一i勘;。|。。~。。矗tf:“Ij。i≯:j,。≯j嚣…l‘。l‘。j
图2.9第一关节臂应变图

由图2.9可知,第一关节臂的最大应变为5.23x10一,由于应力远小于屈服力,
应变与应力成正比关系,所以第一关节臂处于弹性变形阶段,符合要求。

2.第一关节臂与之后三个关节成90度,如图:

17

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图2.10关节臂第二种相对位置

此姿态中,对第一关节臂的扭矩最大。 后三个关节的中质量重心相对于第一关节臂坐标系的位置为:
重心(IIllTI):X=330.00
Y=115.03 Z=-109.59

如上例分析得结果(方法同上):


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锄vj粕j…群t4∥2 7j?i,。甜i。:%.五。o∥勰k∽:,渤虮舟?羹f味}i?点去鬣,蠢f葫?i如矗;。ii、妇w。。拓;巍赢ij:。≈如^i;蠢j蟊《毒移jfj。?吃赫?巍,、撼

图2.11第一关节臂应力图

由图2.11中可知,在这个角度静态姿态下,第一关节臂所承受的最大应力 为5.3MPa,而7079合金铝材质的屈服力则高达500MPa,所以材料符合设计要
求。

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隧i三



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由图2.12可知,第一关节臂在这个角度静态姿态的最大变形位移为
0.091mm。

嬲甲4挚:锣孝?粥嘲3麟缈≈珊孵移’簟≯黟秒妒铸粥孙97“锄∥瑷秽跫守㈣噬。》”黔聋4删誓咿秽薯t节、缈?毋掣≯第码孵。慧‘《珊嘲撵劳z霉觊4臀|搿缆
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图2.13第一关节臂应变图

由图2.13可知,第一关节臂的最大应变为4.97xlO一,由于应力远小于屈服
力,应变与应力成正比关系,所以第一关节臂处于弹性变形阶段,也符合要求。

2.4.2动态仿真
SolidWorks Motion仿真器是最受欢迎的SolidWorks虚拟样机工具,是基于 W'mdows环境的参数化三维实体造型软件【281。 利用SolidWorks Motion工程师能够调整马达促动器的尺寸、设定功率大小、

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设计联动布局、模拟凸轮运动、了解齿轮传动、调整弹簧/减震器的尺寸以及确 定接触零件的动作方式等。这样可以为工程技术人员提供了在单一的W'mdows
界面上无缝集成实体造型、有限元分析和优化设计、虚拟装配、三维机构运动仿 真、运动干涉检查、工艺规程生成、数控加工、三维实体图转化二维工程图、产

品数据共享与集成等多种多样的功能。
通过motion的动力学仿真,可以大大降低制造物理样机的成本,利用这一 工具可以在实际生产之前确保设计的可行性,它还能够提供技术人员更多更逼真 的设计方案、修改方案并降低风险,在设计过程的初期提供有价值的信息。 为了利用motion来建立搬运机器人虚拟样机,当然要先对一些参数进行设 置,如施加引力场,限定仿真的时间,设定接触面条件等等。这些参数的正确选 取都是为了使动力学虚拟样机更加贴近实际,更加逼真。

建立合理构建虚拟样机的参数主要有四类参数:运动学参数、质量特性参数、
力学特性参数与外界参数。 第一是运动学参数是指搬运机器人相关部件的几何定位参数,这里在 SolidWorks motion中不需要对整体装配体外形进行修改,只是在3,4关节上本 来运动范围也不是很大,主要为了分析第一关节臂和第二关节臂的运动情况,可 以简化3,4关节的模型,用一大体相同几何体来替换,保证质量相同即可,对 整体动态仿真影响不是很大,但可以大大提高仿真效率。 第二是质量特性参数,这点对于仿真还是比较关键的,由于虚拟样机不是真 实的装配体,特别是本例中搬运机器人3,4关节的简化,所以为了保证模型的 准确性和可行性,每个零部件相对其关键运动部件的重量,质心,转动惯量等的 一致性就显得特别重要,之前在SolidWorks simulation中已经提到这个软件可以 直接提供各个零部件在装配模型中相对与特定坐标系的重量,质心,以及对应不 同轴的转动惯量,在motion模块中,同样可以使用这个功能进行设定。 第三个是力学特性参数,指系统的接触面、阻尼及刚度特性。可以在 SolidWorksmotion约束中接触面参数,施加两接触面之间的摩擦系数,摩擦系数 也可以用来调节系统性能,使理论结果更加接近与实际。同时,阻尼、马达、力、 弹簧等的参数添加都分为旋转和线性,选择时更加方便。 最后一个是指外界参数,这里只是为了简化分析,其环境因素暂不予考虑,

只是施加了重力场,其他外围因素处于理想状态。

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为了便于建立动态模型,进行动态仿真,对三四两个关节进行了简化处理, 用一个相同质量块来替代原来复杂的滚珠丝杆等配合。

图2.14搬运机器人整体模型(3,4关节简化)

这里只研究关键关节的动态运动,考虑运动过程对第一二关节电机的扭矩大
小,进行校核,即: 第一关节臂连着减速器绕着底座转动,并承载着其后三个关节的总质量。 第二关节臂则是连着第二关节减速器绕着第一关节臂末端转动,并承载后其 后两个关节的总质量。

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图2.15给两个关节施加的加速度马达
21

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给第一二两个关节同时加上如上图加速度马达,让他们同时运动,分析得到 结果为:

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1.20

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图2.16 2个关节同时运动时各个关节角速度

如图所示,两个关节在相同的角加速度情况下,第..关节臂的速度还是不变, 最高速度达到了规定要求lrrad/s,第二关节臂的速度因为加上自己的加速度, 再合成第一关节臂的加速度,所以最高角速度相对于地面达到了2zrrad/s,但相 对于第一关节臂还是达到xrad/s,这个极限位置,在后面的设计与控制过程中 需要考虑周到。

图2.16关节同时运动时每个关节力矩情况 如图所示: 左图为第一关节运动过程中的力矩,最大力矩为88Nm,右图

为第二关节的力矩,最大力矩为31.5Nm,考虑安全系数1.5,则作用在减速器上

的扭矩分别是132Nm,47M,经减速器后再折算到电机上的扭矩分别是
1.32Nm,0.47Nm,均满足要求。 观察得出其中第一关节的力矩在匀加速阶段不是常数,是因为第二关节也在

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运动,其重心位置相对与第一关节是变化,导致惯性矩阵变化,最终导致力矩是
变化的。 可以看出,两关节同时运动的第二关节的力矩与上述只运动第二关节时的力 矩并不相同,分析其原因,可能是第一关节的加速运动对第二关节的影响,所以

在只运动第一关节时,第二关节相对第一关节静止时,由SolidWorks中测出在
第二关节其实是有力矩的,如图2.17:

图中可以看出刚开始的力矩大小14.5Nm,再观察数据,这个第一关节对第 二关节的影响力矩值加上只运动第二关节时的力矩值17Nm,正好为两关节同时 运动,第二关节的力矩值31.5Nm,这说明确实第一关节的运动对第二关节的力
矩产生了较大影响,但最终的力矩还是能满足电机要求的。

图2.17第一关节运动对第二关节的影响力矩

2.5本章小结
本章从最初的方案需求设计、传动方式选择、零部件选型计算、机构设计细

节到静力学校核动力仿真及实物加工等方面着手,详细介绍了SCARA机械手的
结构设计的整个过程。

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基于嵌入式系统的示教盒硬件设计

第3章基于嵌入式系统的示教盒硬件设计
根据调研,工业机器人常用的控制系统方案对比如表3.1所示。综合考虑成

本和实现手段的因素,采用嵌入式系统形式【29。4】。
表3.1各种控制系统方案比较 方案 概述 成本 较低 开发周期 较长 优点 有较多的积累,基于PC 机及W'mdows操作系统, 通用性好。 将示教系统、规划系统、 运动控制系统有机组合, 避免较频繁的数据通信与 传输,降低成本,提高系 统的可靠性。 较高 最高 较短 较短 可以方便的实现各种控制 策略,适宜研发。 可靠性高、故障率低、实 现机械手多种动作线路, 具有一定的柔性。

PC+运动控制 PC机完成运动 卡 规划任务,运动 控制卡完成运动 控制功能 嵌入式系统 采用MCU取代 工控机,完成运 动规划的任务。 用DSP进行电机 运动控制 PC+数据采集
I’

最低

最长

控制算法在PC 机内实现 对气动、电动或 混合驱动系统具 有较好的通用 型。

PLC控制

本嵌入式工业控制系统如图3.1所示,以ARM9处理芯片和DSP为核心。
ARM作为示教盒主控芯片负责了整个系统的控制、人机交互以及多机通讯等。 DSP(本项目中选用TMS2812主芯片)用作电机控制,根据接收到的示教盒指 令做出多轴控制对各个关节进行驱动,并接受编码器反馈信号实时检测电机位 置。可运用各种算法,提高电机控制的性能。图3.1为系统硬件框图。 本章主要对示教盒部分的硬件部分各个模块进行分析说明‘35-42]。 出于开发、调试和维护的方便,从硬件电路上来说示教盒系统分为核心板和 底板两部分,以下分模块介绍:

24

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基于嵌入式系统的示教盒硬件设计

圉∞圜国
专匝堕圃 吟匝叵圃

尚卤
示教盒部分
i—————.———.—————————————————————————————.———————————————,————————.——,—..!

运动控制部分
!—.—————.———.———.—.————.—.—...........—............—————.—.—.——...—.———.—————————

图3.1嵌入式控制系统框图

3.1核心板电路设计
核心板主要指围绕主控芯片而搭建的最小系统、存储模块、以及必要的调试 接1:2和扩展板借口等。

3.1.1主控制器芯片
本课题所使用的示教盒系统所选用的主控芯片为三星公司生产的¥3C2240。 ¥3C2240A是Samsung公司为手持设备和成本敏感的通用领域而设计的低功耗、 高集成读的、基于ARM920T内核的16/32位RISC(精简指令集)微处理器。 为降低总的系统成本,¥3C2440内部集成了丰富的资源,包括口5'4川: ?1.3VARM920T内核,主频400Mhz; ?带16KB指令Cache(高速缓冲存储器),16KB数据Cache, ?用于虚拟存储管理的MMU,LCD控制器,
?NAND

Flash控制器(支持4KB代码直接启动),

?SDRAM控制器,3个UART串12,4通道DMA; ?4通道PWM定时器,117个多功能I/O口,RTC实时时钟; ?8通道10位精度的ADC和触摸屏接12;
?USB Host/Device,

SD/MMC卡接口以及SPI,IIS音频接口等

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基于嵌入式系统的示教盒硬件设计

之所以选用这款主控芯片,除了其具有丰富的内部资源外,还有一个原因是
因为其开放性,作为一款非常通用典型的ARM9芯片,Samsung公司在其官网 上公布了基于¥3C2440的丰富文档、工具和评估版。因此在此基础上,韩国的

MiZi公司及国内的一些公司也发布了详细丰富的评估版资源。这一点对于后续
的开发过程中有着很大的帮助,可以避免走弯路。

3.1.2存储电路设计
在嵌入式应用系统的设计中,我们通常使用3种存储器接口电路p7,451,即为:
Nor

Flash接12、Nand Flash接口和SDRAM接口电路。它们各有特点和分工,

其中SDRAM运行速度最快、容量大、成本低。NorFlash和Nand Flash具有掉 电保护的特点。引导程序即可存储在Nor Flash中,也可以存储在Nand Flash中。 而SDRAM中存储的是执行中的程序和产生的数据。存储在Nor Flash里的程序 可以直接执行,与在SDRAM执行相比速度比较慢。存储在Nand Flash中的程 序需要复制到RAM中去执行。 处于精简芯片结构的考虑,Samsung公司没有为¥3C2440配置ROM存储器 和RAM存储器,内部仅有16KB的cache,不过同时它提供了强大的外部存储

控制器,共支持8个存储器bank,每个bank支持可编程的数据总线宽度(8/16/32 位)地址为128MB,于是8个bank总的地址空间的范围为0~232_1,即
0,-OxFFFFFFFF,总大小为1GB。处理器通过8个片选信号nGCS[7:0]对8个存

储体ban进行寻址。其中bank[7:6]不仅可以作为ROM、SRAM,还可以作为 SDRAM存储器的寻址空间,而bank[5:0]只能作为ROM、SRAM存储器的寻址
空间。Bank0又称之为booting ROM bank。 SDRAM一般用作程序的运行空间、数据的堆栈空间,作为系统运行时主要 的存取操作存储器。¥3C2440集成了SDRAM控制器,所以不需要额外增加 SDRAM控制器,就可以和SDRAM相连。本系统采用bank6作为SDRAM的存 储空间,固定起始地址为0x30000000,选用两篇16位的32MB(4Banks×4M× 16位)的K4S561632作为系统的SDRAM,通过并联使得总线的宽度为32位, 这样系统的SDRAM容量为64MB,片选线为nGCS6,使用地址总线 LADDR[14:2】,数据总线LDATA[31:0]。其与主芯片的接口如图3.3:

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基于嵌入式系统的示教盒硬件设计

伽[1:O】;01,10

0x[1:0]=∞

Not used

Not used

SFR ARea

SFR ARea

0x4800—0000————◆
0x4800-OFFF———◆ BootSRAM Not used

Ox4000_0000—————◆

(4KBytes) SROM/SD鼬啪 SROM/SDRAM (nGCS7) SROM/SDRAM (nGCS6) SROM/SDRAM (nGCSS) SROM/SDRAM (nGCS4) SROM/SDRAM (nGCS3) SROM/SDRAM



2-m/4MB/帅/16哪
32MB/64)m/128蛐

(nGCS7)
SRoM/SDRAM (nGCS6)
0x3000 000————●?

2l毋/4惦/舶毋/16蛐 32惦/64蛐/128蛐


SROM/SDRAM



12啪
1 J

(nGCS5)
SROM/SDRAM

(nGCS4)
SROM/SDRAM
OxlS00

12咖
1 J

l棚旧
1 J

0000——————-

(nGCS3)
SROM/SDRAM (nGCS2)

128惦
’ J

Oxl000

0000——————' SROM/SDRAM (nGCSl)

(nGCS2)
SROM/SD黜蛳

(nGCSl)
Boot Internal

128惦
1 J

SROWSDRAM
(nGCSO)
Not Using

128惦


SRAM(4KBytes)
R删
Using

N^帅flash

for boot

Mm

flash

for boot

ROM

图3.2¥3C2440内存映射图

图3.3系统中所用到NAND

Flash

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基于嵌入式系统的示教盒硬件设计

由于Flash具有可在系统内进行反复擦写而且掉电后信息不丢失的非易失性 特性,常用来存放系统的程序代码、需要掉电保护支持的用户数据。现时市场上 最主要的两种Flash为Nor Flash和Nand Flash。其中,Nor Flash的读取速度较
Nand

Flash快,有XIP(eXecute

In

Place芯片内执行)的特性,用户程序不再需

要拷到RAM中可以直接在Flash中运行。但是其写入速度比Nand Flash慢很多,
Nand

Flash用于存储需要更新大量数据的文件系统。并且Nor Flash价格成本远
Loader Flash

高于Nand Flash(相等容量情况下),再加上S3c2440具有Nand Flash Boot

功能,就是说当CPU复位后,会通过Nand Flash控制器将存储在外部Nand

其实去的4KB用户程序复制到0地址开始的BootSRAM缓冲区中,然后再从0 地址开始执行这些程序。因此出于控制成本的考虑,通常会将启动代码存放在
Nand

Flash中,拷贝到SDRAM中执行。

考虑到后期移植Linux系统和QT图形界面的需要,本系统选用Samsung的 K9F1208作为Nand Flash存储器,其容量为64M。Nand Flash通过指令对其进行 读、写、块擦除的操作,而指令、地址、数据都通过IO端口进行传输,这样有 效的减少了引脚数量,也保持不同容量在引脚、封装上的兼容,以利于升级。在 电路上,由于选用从Nand Flash启动,所以需要将主芯片的OM[1:0]引脚设置为 00(即将OMl和OM0都接地)。其与主CPU的接口设计如下图:

、玎煳{

K91:1208UOM-YCBO

图3.4NandFlash与S3C2440接口电路

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3.2电源电路设计
主控芯片¥3C2440的内核需要1.2V的供电,而其I/O 1:2电平为3.3V,再加

上液晶屏背光驱动部分需要5V供电,因此整个系统的为多电源系统。整个板子
的输入为9V直流供电,板子上需要有相应的电源转化模块。本文采用LM2956 作为9V转5V的DC.DC转换器,由LMl085实现5V转3.3V,LP3965将3.3V 转化为1.2V作为¥3C2440内核供电。具体如图3.5~3.7所示。







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图3.5 5V电源模块

C20

47峦

图3.6 3.3V电源模块


O.1帕

’……
图3.7 1.2V电源模块

3.3通讯电路设计
3.3.1

10M以太网

¥3C2440并不集成以太网控制器,但是在Linux开发应用中,网络起着很大 的作用,可以在主机和目标板之间下载几十兆大小的镜像、NFS网络文件系统登

29

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陆、telnet登陆等,可以为调试开发带来很大的方便,有效的提高开发效率。

-_--??__…?_-_?__… …
图3.8 CS8900A网络应用框图

本文中采用Cirrus Logic公司的16位以太网控制器CS8900A作为网络芯 片,提供10M的以太网接入带宽。图3.8为CS8900A的网络应用方案框图,通 过ISA总线与处理器接口,物理层上通过网络变压器与10BASE-T的RJ-45接口。 图3.9为CS8900A的实际电路接线图。

图3.9CS8900A的电路图

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3.3.2串口通信模块
¥3C2440A集成了3个UART(Universal
Asynchronous Receiver
and

Transmitter),在实际应用中,将UART0作为调试串13,并且移植和调试Linux 系统时作为控制台(console)。除此外,示教盒在工作时需要和运动控制卡进行 通讯,需要用到第二个串口,因此在板上留了两个串口。使用两个MAX3232串 13芯片作为电平转化之用。电路图如图3.10所示。

图3.10 UART串口电路

3.4触摸显示屏
¥3C2440A集成了LCD控制器,可以支持256和4096色的STN屏和64K、 16M色的TFT屏。本文中才用选购成熟的触摸屏模块解决方案,型号为CHILIN 公司的7”TFT
LCD TOUCH

Module,只需根据说明给出的引脚定义与CPU相

应引脚相连即可。图3.11为接13的引脚定义。

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图3.11液晶屏接口电路
3.5

JTAG调试电路
¥3c2440A内置标准的JTAG接口的Embedded ICE 调试模块,用户可以通过

JTAG接口对其进行在线仿真调试,并可以通过JTAG 接口对其外扩的FLASH 存储器进行编程。图3.12为JTAG接口电路的原理图。

图3.12 JTAG接口电路

最后的电路板实物图如图3.13所示。

32

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图3.13电路板实物图

3.6本章小结
本章详细阐述了基于ARM9(S3C2440)I均示教盒系统的各个模块的硬件设计, 包括由核心板,实现最小系统功能,设计了具有以太网、串1:2通讯功能的通讯模 块及触摸显示屏模块,使得整个系统实现了机械手示教的功能及任务。

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示教盒软件设计及轨迹规划算法实现

第4章示教盒软件设计及轨迹规划算法实现
从嵌入式的硬件系统上进行示教盒软件设计的软件环境上,需要考虑确定嵌

入式系统是否移植以及图形界面程序采用何种解决方案的问题。并且在着手编写 示教盒软件之前,对示教以及规划的研究是必要的,这是整个程序编写的基础。

4.1示教盒的嵌入式Linux系统及QT图形界面移植
在搭建好的硬件平台上进行示教盒软件的编写,ARM9上进行嵌入式开发有
两种形式,一种是直接基于前后台系统,所谓前后台就是指不使用操作系统的嵌 入式应用程序,用户自己管理每个进程;另一种是基于嵌入式操作系统的开发, 即先往ARM9上移植嵌入式操作系统,例如Linux、WinCE等,用户编写的程 序基于嵌入式系统平台运行,涉及内存管理、进程管理等都由嵌入式系统完成,

不需要人工管理。鉴于本文中需要用到图形界面开发示教盒图形触摸交互程序,
如果使用前后台系统,将使得开发相当的繁琐,除了要自行管理各个内存进程外, 图形界面的绘制也需要用户自己完成。相对的,在嵌入式系统上进行图形界面开 发,有现成成熟的图形界面库以集成开发环境,使得用户如在PC上编程一样直 接。为此,我们选择为示教盒电路板移植嵌入式操作系统,并移植图形界面开发 环境,以提高开发效率[46-55】。

4.1.1嵌入式Linux系统
为了更有效的管理多个任务,更方便的编写人机交互界面,选择移植嵌入式
操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是操作系统领域中的一个热点,目前已经 开发成功的嵌入式系统中,大约有一半使用的是Linux。Linux之所以能在嵌入 式系统市场上取得如此辉煌的成果,与其自身的优良特性是分不
ff寸t51,s21。

1)广泛的硬件支持Linux能够支持x86、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC

等多种体系结构,目前已经成功移植到数十种硬件平台,几乎能够运行在所有流
行的CPU上。Linux有着异常丰富的驱动程序资源,支持各种主流硬件设备和最 新硬件技术。 2)内核高效稳定Linux内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实

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的验证,Linux的内核设计非常精巧,分成进程调度、内存管理、进程间通信、 虚拟文件系统和网络接口五大部分,其独特的模块机制可以根据用户的需要,实 时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。这些特性使得Linux系统内核可以 裁剪得非常小巧,很适合于嵌入式系统的需要。 3)开放源码 4)完善的开发和调试工具。 5)完善的网络通信和文件管理机制 6)Linux下的图形用户界面(GUI)设计采用了Qt/Embedded,这是个完整的 自包含GUI和基于Linux嵌入式平台的开发工具,为带有轻量级窗口系统的嵌 入式设备提供标准的API。 图4.1为操作系统的层次结构图:

眨@』:剑


7。7|∥:。羯户糕眵2,“。?‘鬻6j:蠲

害 害 害 令 害 害
系统调用



龟。

Li捌硝懒系统内核

驱动程序
底层硬件



’l




毒 害 害 害 害 害
图4.1系统层次结构图

4.1.2交叉编译环境
由于选用嵌入式Linux系统,于是作为开发机的PC上需要也安装有Linux 系统,这样能在开发机上进行编译和移植U.boot、Linux内核、文件系统及用户 程序。本文所使用的主机安装Ubuntu9.04,其内核为2.6,为比较新的Linux发 布版本,,接入网络可十分方便的进行安装各种工具环境。 由于用于开发的PC机一般为X86体系结构,示教盒目标板上使用的是ARM

体系结构,两者之间的差异使得在X86上正常运行的程序不能再ARM体系结构
下运行,反之亦然。为此需要安装交叉编译工具(Cross
Development Tools),

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ARM.Liunx交叉编译器的功能为将在PC机上调试正常通过的源程序重新根据

ARM体系进行编译,使重编译好的程序能运行在ARM体系结构下,ARM.Linux 交叉编译器的版本比较多,本文中选用较稳定的3.4.1版本编译器编译Linux内
核、QT图形环境和应用程序。移植好交叉编译环境后,使用很简单,只需要修 改Makefile文件中的CROSS—COMPILE:CROSS—COMPILE=aim-linux-gcc,然 后对源代码进行编译就可以了。

4.1.3嵌入式Linux平台的搭建
由于由本系统从硬件上参考了国内大部分开发板通用的配置,所以在搭建 Linux系统平台上会相对简单一些,可以直接在国内大部分通用开发板所附带的

嵌入Linux系统搭建过程基础上进行适当的修改即可【35,531。
1)下载BootLoader Bootloader是系统引导程序,在系统复位后执行的第一段代码,有点类似PC 机上的BIOS。Bootloader在上电后完成系统硬件的初始化(时钟设置、存储区 映射等),并设置堆栈指针,然后跳到操作系统内核的入口,将系统控制的权限 交给操作系统。常用的BootLoader有VIVI和U.boot,本文采用U.Boot。 Flash

RAM
文件系统

Bootbader冒

内核





图4.2:典型存储空间分配结构图

U.Boot是一个庞大的公开源码的软件。它支持一些系列的aim体系,包含常
见的外设的驱动,是一个功能强大的板极支持包。U.BOOT是由PPCBOOT发展

起来的,是PowerPC、ARM9、Xscale、X86等系统通用的Boot方案,U.boot是
一个open source的bootloader。u—boot是在ppcboot以及arrnboot的基础上发展 而来,比较成熟和稳定,已经在许多嵌入式系统开发过程中被采用。由于其开发 源代码,其支持的开发板众多。 可以通过JTag工具将BootLoader烧写进Flash里。 2)Linux内核的定制及编译 Linux内核是高度模块化的,很多功能和模块成分都可以通过条件编译进行 裁剪,还可以进行独立编译将某些模块编译成可动态加载的“可安装模块”。使

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用make menuconifg指令可以以图形界面配置菜单的方式对内核模块进行配置,

主要的配置需要注意的有: ?选择正确的CPU型号。 ?设置串12的设备号和波特率,这一点主要保证调试时console终端正常使
用。

?将没有用到的功能模块去掉,尽量的缩减内核。 ?指定文件系统支持。

?指定网络芯片、触摸屏支持、实时时钟等常规驱动。
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Help

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图4.3 Linux内核配置

?对于自己添加的硬件,如果载来的内核内没有相应选项。通过自己 编写硬件底层驱动,并在makefile中加入相应语句,可以在图形配置界 面中看到。配置时的操作界面如图4.3所示。配置完成后,用命令make ulmage编译生成内核映像。 3)制作根文件系统 常用的Linux嵌入式根文件系统类型有:Cramfs、Ya凰和tmpfs等。本文采 用Ya凰(Yet
Another Flash File

System)文件系统,是一种为Flash设计的嵌入

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式文件系统,提供损耗平衡和掉电保护,可以一定程度上防范意外掉电时对文件
系统一致性及完整性的影响。其文件数据组织特点更适合NAND Flash系统。在 移植好的文件系统目录下使用开发板自带的makeyaffsimage可以生成对应的文 件系统映像文件。下面的QT移植就是基于这个为基础的。
4.1.4

QT4.5图形界面环境的移植

Qt由挪威TroUTech公司于1995年底出品,后来由Nokia公司收购,是一 个跨平台的C++图形用户界面库,包含GUI和基于Linux嵌入式平台的开发工 具,为带有轻量级窗口系统的嵌入式设备提供标准的API。Qt只需一次性开发 应用程序,无须重新编写源代码,便可跨不同桌面和嵌入式操作系统部署这些应 用程序,这个优良的跨平台特性使得Qt在嵌入式系统中的应用非常的广泛【541。

可以在Qt的官网上下载Qt.for-Embedded的安装包进行移植。目前国内开发
板自带的Qt版本过低,一般为Qte3的版本,搭配了Qtopia2.2的桌面系统。Qtopia 面对嵌入式Linux的应用程序开发平台,集成了一些用于PDA(个人数字助理) 的小软件的桌面系统。NoEa收购Qt后并没有继续发布Qtopia新的版本,Qt版 本的改进确实很明显。相比Qt3,q4不管在控件库的丰富程度上,还是从编程 实现的规范和集成度上都有了很大的优化改进,更好的性能和编程调试环境,再 加上Qtopia对于本项目来说的意义不大,我们并不需要集成的桌面系统,于是 在本文中选择了自己为arm9嵌入式平台移植Qt4.5。以下为移植Qt4.5的过程: 1)由于开发在PC上,而应用在嵌入式,涉及交叉开发环境。故在PC机上需 要安装Qt的开发和运行调试环境,通过PC调试通后的程序通过交叉编译才 能在放在嵌入式上运行。上Qt官网下载并安装文件Qt
SDK for Linux/X1 1

32.bit,这是Nokia推出的用于PC机上的Qt开发调试集成环境,包括 Qtcreator和Qt designer等可以方便的进行编程和调试。 2)下载并编译tslibl.4,这个主要用于触摸屏的校正,以及在qt
for embedded

配置中定义到。由于用于嵌入式中,在makefile中的交叉编译器使用
arm-linux-gcc。

3)下载qt—embedded—linux-opensource-src一4.5.1.tar.gz用于搭建arm9的Qt图形 运行环境。同样需要arm-linux-gcc交叉编译器进行编译,由于板子的存储空 间有限,以及一些交互设备的个异性,需要在编译前进行配置,将不必要的

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图4.4移植图形界面并进行触摸屏校正

功能去掉不进行编译,并指定编译工具、分辨率、触摸屏等信息。以下为编 译指令:./configure—embedded arm-release—no-qvfo
xplatform

qws/linux-arm-g++?no—stl-plugin—sql-sqlite?no-qt3 support-no-nis-no-cups -nO-iconv—no?qdbus-no-freetype—depths 4,8,1 6,32一qt—mouse-linuxtp

-no-?largefile?-no??libmng?-no--accessibility?-prefix/arm/qt/Qt4forARM
—qt—mouse-tslib—I/arm/tslibl.4/lib

4)将编译后产生的tslibl.4和Qt4forARM下lib文件夹里相应的库文件和链接 拷贝到之前嵌入式Linux文件系统下,并更改etc目录下的profile文件对环 境变量进行配置。 5)制作yaffs文件系统并烧写到flash下。运行测试程序移植成功。图4.4为运 行触摸屏校验测试程序的照片。

4.2机器人运动学解算及轨迹规划算法实现
4.2.1

D.H参数及运动学正反解

机器人实际上是一系列由关节(转动关节或移动关节)连接的连杆组成,连 杆的功能是保持其两端的关节轴线具有固定的几何关系。

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下面采用D.H法建立SCARA型搬运机器人的坐标系‘1,2刁:

图4.5 SCARA型搬运机器人坐标系示意图

由坐标系示意图得到如下的D.H参数表:

\爹数 连杆\
1 2 3 4

表4.1 SCARA型搬运机器人D.H参数表

谚 岛 皖


dt
O O

口f

口f


口2







0 O

O 0



首先需要知道坐标系{i)相对于坐标系{f一1}的连杆变换”7。坐标系{i-1)
经过如下的4次有顺序的相对变换可得到坐标系{i):
连杆变换矩阵:

卜7=Rot(z川,O,)Trans(z一,d,)Trans(xf,a,)Rot(x,,%)
cosof

—sin谚COS口i
cos0,COS口t sinaj O

sinO,singe
-eosOj sin%
COSg‘

af

cosOf

sinO,
0 O

af

smO,

df




机器人运动学方程求解就是给定机器人各关节变量,计算机器人末端坐标相 对于基座标的位置和姿态,同时得到机器人各关节坐标,这对于机器人控制至关
重要。

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将D.H表中的参数带入变换矩阵,可得到相邻两坐标系的位姿变换矩阵如
下,公式中量=sinO,,cf"-COS/9i:
cl 一岛 q
O O 0
alel

:T=Rot(zo,01)Trans(xo,口1)=

sl

0口l&
1 O

0 0



1 嘭乞

I巳

=Rot(zl,岛)~(xl'a2)=l s20--。C2s2三0警
l 0
1 O O 0 1 O 0 0 1 0 o 1 0

≯=Trans(x2,以)=





割347"=Rot(z3,04)=

Cla2C2。S1a2S2+alcl

气--S4 & 0


0]
o 0 I

c4
0 0


l1


构建了连杆坐标系,根据D—H参数,求出了各个变换矩阵:-1丁。根据分析
可知,所有的变换都是相对于动坐标系的,根据“算子左乘”的原则,可求出4

自由度机器人最后一个连杆相对于基坐标系的位姿,即变换矩阵:丁。

:T=?T:T;T;丁或or=穿≯
同时,还可以得出其他关节相对于基坐标系的位姿:


q屯+墨乞 西岛 龟乞 SlS2一C1c2
0 O

罗 II 7 ? ll

白岛 彩眈 +O

O o
O O O

¥ia2C2+Cla2s2+aHs
O 1




cls2+S1C2 &墨 &乞 置?如一qc2
O O

C1a2C2-Sla2s2+alcl

罗= 罗芗=

所岛 以眈 +0 0

sla2c2+Cla2s2+aHs




一吃


or=罗≯=

l(qc2一SIS2)c4+(q岛+s_lc2)s4 I一(ClC2一s:2)s4+(q.眨+墨c2)q 0 l

一(qc2一s:2)s4+心S2+s_lc2)c4 一(ClC2一s,s2)c4一(qs2+s:2)s4
0 0


0 -1 0

C1a2c2?sla2s2+alcl sla2c2+cla2s2+alsl

一吃


【-0

l l l



以上就是SCARA型搬运机器人的运动学方程。或者叫机器人的正解。

41

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给定机器人终端位姿,求各关节变量,称为求机器人运动学逆解,即机器人
逆运动学问题。

上一小节中,通过机器人运动学方程,得到了机器人末端执行器在在基座标
系中的位姿。然而给定机器人终端位姿,为了使机器人末端执行器能够到达设定

的指定位置并具有指定姿态,必须驱动机器人各关节由当前位置到达与末端位姿 相应的各自位置,这就需要知道这个过程中各关节的变化量口'271。
求解机器人运动学逆解是机器人正解的逆过程,它是机器人轨迹规划和控制 的基础,实时性能对于机器人控制系统具有至关重要的意义。机器人逆解包括存 在性、唯一性和解法三个问题[10,12,211。 1)存在性和工作空间。通常把逆解存在的区域称为机器人的工作空间。工 作空间分成灵活工作空间和可达工作空间两种,前者是指机器人末端能以任意方 位到达的目标点集合,而后者则是表示机器人末端至少能以一个方位到达的目标 点集合口3’301。显然,灵活空间是可达空间的子集,在灵活空间的各点上,机器 人末端的指向是任意的规定的。所以,机器人运动学逆解的存在性就在于:对于

给定的位姿,至少存在一组关节变量来产生希望的机器人位姿。如果给定机器人
末端位置在工作空间外,则逆解不存在。 2)唯一性和最优解。机器人运动学逆解的唯一性是:对于给定的位姿,仅

有一组关节变量来产生希望的机器人位姿。对于机器人,可能产生多解。机器人
运动学逆解的数目决定于关节数目、连杆参数和关节变量的活动范围。一般而言, 非零连杆参数愈多,到达某一目标的方式也愈多,即运动学逆解数目越多。根据 具体情况,从多组解中选择其中的一组就是最优解的问题。在避免碰撞的前提下, 通常按最短行程的准则来择优,使每个关节的移动量为最小。由于工业机器人前 面三个连杆的尺寸较大,后面的较小,故应加权处理,遵循多移动小关节,少移

动大关节的原则。对于本例的搬运机器人来说,应该多移动3,4小关节,少移
动1,2大关节臂,这样才能更趋近去最优解。 3)逆解解法。逆运动学问题的解法可分为封闭解法和数值解法两种。在终

端位姿已知的条件下,封闭解法可给出每个关节变量的数学函数表达式。数值法 则用递推算法给出关节变量的具体数值。在求逆解时,总是力求得到封闭解,因
为封闭解法计算速度快、效率高,便于实时控制,而数值解法不具备这些特点。 根据机器人本体结构的不同,机器人运动学逆解的求解方法也不尽相同。
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对于SCARA型搬运机器人,可以运用臂终端位置来求臂的运动学逆解,即 直接已知臂终端的位置,来求其他关节臂的关节变量。

假设已知第四关节臂终端位置[以,岛,见]r求解各关节变量【最,岛,吃,包r:
由上节已知搬运机器人的运动学方程为:
(q乞一s:2)c4+(C]S2+slc2)s4
or=

一(qc2一SIS2)S4+(cls2+s:2)c4



cla2C2-SIa2s2+alcl sla2C2+cla2s2+alsl

一(qc2一SlS2)■+(qs2+s:2)c4
0 0

一(q乞一s:2)c4一(qs2+墨c2)&0
0 0

—1—以



则上式中变换矩阵的第4列即为第四关节臂终端的位置矢量,因此有:
cla2C2-S1

a2S2+alCl=见

s]a2c2+cla2s2+aHS=Py
—d3=pz

再联合解上面的方程组,可得:

毋=一南抑岛…。s(半)
d3=一pz

式中代表:

彳=生2a型ir,.:厢伊=一(见/乞)
,.2、/或+p;

r~…‘L岛J



(ClC2一而s2)q+(qs2+SIC2).%
or=

一(elC2一SIS2)¥4+(qs2+slc2)c4 一(qc2一s:2)c4一(qs2+sxc2)s4
0 0


0 一l 0

c]a2c2。sla2s2+aIcl

一(c,c2一s:2)s4+(q是+五c2)c4



sla2C2+C1a2s2+aMs

一吃


得:

幺=q+岛一tall以(b/心)
以上为运动学逆解的求解。

4.2.2轨迹规划
轨迹规划方法一般是指在机器人初始位置和目标位置之间用多项式函数来 “内插”或“逼近”给定的路径,并使之满足在运动过程中需要的位移、速度和

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加速度等约束的要求,供机械手控制之用[1,10,22,291。

在研究机器人运动之前,了解在其路径上有无障碍以及它是否需要沿特定路
径运动是有意义的。这两种约束组合起来,将机器人的规划和控制方式分为了四 种可能方式,如下表所示。
表4.2机器人规划和控制的可能方式

障碍约束 有 离线无碰撞路径规划&在线路径 有 路径约束
无 无

离线路径规划&在线路径跟 踪 位置控制

跟踪 位置控制&在线障碍检测和避障
路径约束

{g(f),圣(f),牙(f)) {p(f),F(f),V(f),D(f))

动力学约束

图4.6轨迹规划器方框图 轨迹规划问题的惯常处理方法是将轨迹规划器当作“黑箱”,如图所示,轨 迹规划器作为黑箱用以接受表示路径设定、路径约束和动力学约束的输入变量。 输出起点和终点之间按时间阵列的机器人中间形态序列(包括位姿、速度及加速 度等元素)。轨迹规划的方法通常有两种,第一种方法要求使用者在沿轨迹选定 的位置上(结点或插值点)显示的给定广义坐标位置、速度和加速度的一组约束 (例如连续性和光滑程度等)。然后轨迹规划器从插值和满足插值点约束的函数 中选定参数化轨迹。在第二种方法中,使用者以解析函数显式的给定机械手必经 之路径,例如笛卡尔坐标系中的支线路径。然后,轨迹规划器在关节坐标或笛卡 尔坐标中确定一条与给定路径近似的轨迹。第一种方法是在关节坐标系中进行 的,第二种方法路径约束是在笛卡尔坐标中给定的。

轨迹规划既可以在关节变量空间中进行,也可以在笛卡尔空间中进行。在关 节变量空间的规划有三个优点:(1)直接用运动时的受控变量规划轨迹;(2)轨

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迹规划可接近实时的进行;(3)关节轨迹易于规划。伴随的缺点是难于确定运动 中各关节和手的笛卡尔空间位置。虽然基于笛卡尔空间的方法概念直观,然而现

今的机器人控制方法基本上都是建立在关节坐标控制的基础上,基于笛卡尔坐标
的路径规划就需要实时的进行运动学逆解到关节空间。并且运动学逆解是存在多

组解的,会额外增加运算量而降低实时性。因此,比较广泛采用的做法是面向关
节空间进行的轨迹规划。本文所运用的就是基于关节空间。 以下为关节空间路径规划的一些基本步骤:

?确定路径的初始点和终止点,这是每个动作所需要的最重要信息。
?对这些点进行运动学逆解,并根据前后点确定各点的关节空间变量。 ?对每个关节的各个关键点信息进行轨迹规划确定各个关节的轨迹曲线。

?按照一定的时间间隔对各个关节的轨迹曲线进行插值,得到各个关节的

轨迹序列{9(f),9(九g(i.))。这些轨迹序列便是需要传递给运动控制器的运
动信息及约束。 考虑到本文的SCARA机械手主要用于搬取之用,动作比较简单,即只需定 义初始点和结束抓取点即可。在进行轨迹规划时,出于对电机的保护和实际工作 目的需要,我们希望各关节运动过程中,在起始点和结束点附近的速度平缓一点, 中间的速度可以快一点以提高效率。于是我们在每个关节运行路径中定义了提升 点和下放点两点,对于每个关节有如下图所示。定义提升点和下放点的时间我们

就可以方便的控制机械手抓取物体的工作速度。
关节i

e(垆
O(t2)

o(tO
9(to)

时闻

图4.7关节轨迹的位置条件

45

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示教盒软件设计及轨迹规划算法实现

我们需要根据各个节点的边界约束条件(位置、速度和加速度等)来确认一
条曲线,并保证其在整个时间间隔【to,td中连续。根据 有一种方法是用一个七次多项式函数来拟合: q艇)=a7t7+a6t6+口5t5+a4t4+ast3+a2t2+alt+ao

然而采用这种高次多项次比较复杂,极值很难求,并且很容易产生额外的运 动。所以我们一般将整个轨迹分割成几段,在每段轨迹中采用不同的低次多项式
来插值。本文采用4-3.4轨迹,即每个关节轨迹分为三段,第一段由初始点到提

升点的轨迹使用四次多项式表示。第二段由提升点到下放点用三次多项次表示。 最后一段由下放点到终点用四次多项次表示。并且为了方便计算,采用归一化时

间变量r∈[o,1】,这样我们可以对不同的关节都采用同样的处理方法。
tl=t—t一1



2急”【M川叫

啊(f)=a14r4+口13f3+q2f2+ql,+qo 忽(,)=呸3f3+吃2于2+呸lf+吃o hat)=口34f4+吩3r3+色2t2+a31f+码。 应该满足的边界条件如下: ?初始点:oo=O(to),Oo=0,ao=0

?提升点:岛=O(t1),Off?)=p(彳),u(彳)=u(彳),口(彳)=口(彳) ?下放点:日=秒(‘),乡(0)=乡(彳),u(彳)=D(彳),口(彳)=口(彳) ?终止点:够=o(tD,吁=0,as=0
根据这些边界条件可以根据上面几段式子进行求解。 有下面结果:

驰,=卜卜譬斗耐+阿Ⅵ咿岛
q=竿=等。‰嗡~等 q=竿=等一T1200….。一了60-

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示教盒软件设计及轨迹规划算法实现

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4.3基于QT的示教规划软件设计及实现
编码反馈

图4.8动作流程

搬运机械手的控制流程如图4.8所示。通过示教盒对示教动作进行定义,并 进行运动规划,通过串口将示教数据发送给多轴运动控制卡,运动控制卡进行运 动控制。图4.9为整个示教盒软件编写的流程图。根据这个原则进行示教盒图形 交互软件的编写。其中运动学逆解和轨迹规划方程的求解套用上面章节中得到的 公式。根据上面章节搭建的Ubuntu下的Qt编程界面如图4.9所示,进行示教盒 的界面程序编写。

47

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示教盒软件设计及轨迹规划算法实现

图4.9示教盒软件流程图

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示教盒软件设计及轨迹规划算法实现

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黝Bu“clts;sues勃SearchResults黝^ppII鼬∞蛳m
。.11婴二=,tk麓啦‰一吧!j:…:五j堕‰一r渤6么 图4.10QT编程界面(ubuntu环境下)

溢习,飞≤≮曩毒

趣!!!量魏!!翼坠二乙!!!

图4.11移植到电路板上的示教金软件

4.4本章小结
本章介绍了在ARM9平台上移植嵌入式Linux系统及其QT图形界面开发环 境的过程,推导了SCARA机械手的D.H参数及运动学正逆解,并研究了轨迹 规划的基本问题。最后编写了基于触摸屏的示教图形程序。

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单关节运动控制实验

第5章单关节运动控制实验
机器人系统是时变的、强耦合的的复杂的MIMO(多输入多输出)非线性系 统。变负载、非线性摩擦力、机械损耗等因素,使得对其测量和建模具有很大的
不确定性,因此,要对其控制过程是很复杂的。在机器人学的研究过程中,为了 使机器人系统达到高速、高精度的运作,在控制方法上提出了很多先进和智能控 制算法,包括自适应控制、模糊控制、计算力矩法、滑模控制、变结构控制、神 经网络控制等。然而,这些高级算法往往假设条件及约束过多、运算量大、可移 植性不强,在实际应用中目前应用比较少[56-60】。 目前市场上的机器人使用最广的还是基于独立关节的PID控制算法,PID算法 相对原理简单,设计方便,对控制对象的变化不明感,能满足大部分的应用需求。

当然,在要求较高的场合及参数不稳定的情况下,PID算法的控制效果并不好。
往往使用改进的PID算法来满足更高要求的应用,例如模糊PID、神经PID、自适 应PID等算法。 本章分别采用PID和单神经元PID基于机械手的单关节实验对象进行伺服 电机控制研究。

5.1伺服控制算法
5.1.1

PID控制

PID是最常见的一种控制算法,其控制原理图如图所示:

图5.1 PID控制系统原理图

其控制规律的表达式为:

砸M卜+批胁乃警]

(5.1)

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单关节运动控制实验

进一步的:

砸)=州卅K胁胁畅警
Z为积分时间,乃为微分时间。

(5.2)

其中,K。为比例系数;K积分系数,提高系统的误差度;髟为微分系数。

PID控制的特点在于原理简单,使用方便,对控制对象变化不敏感,因此 PID应用相当广泛。当然,在一些要求比较高、系统较为复杂的场合下,PID控 制显得有些不足,需要对PID各个参数不断的进行调整。因此引进了改进型的

神经PID算法。本文接下来介绍神经PID算法。

5.1.2单神经元自适应PID控制
单神经元自适应PID控制器是由具有自学习和自适应能力的单神经元构成 的,其结构简单,能适应环境变化,并有较强的鲁棒性。

ut

图5.2单神经元自适应PID控制结构 神经元自适应控制器通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能,权 系数的调整按照Hebb学习规则实现。 Hebb规则是一类相关学习,其基本思想是:如果两个神经元同时被激活, 则它们之间的连接强度的增强与它们激励的乘积成正比,以D,表示神经元i的激 活值,oj表示神经元j的激活值,%表示神经元i和神经元J的联接权值,则学

习规则为Aw,,=770/k)o,(k),其中rl为学习速率。在这个规则中引入教师信号,
将希望输出d,与实际输出D,之差引入,构成有监督规则的Hebb学习规则,为 AWj,=77(d,(七)一D,(尼))D,(七)q(后)。其控制算法以及学习算法为:

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单关节运动控制实验

甜(后)=甜(尼一1)+K乏二叫(七)薯(七)
izl

(5.3)

|3

形(七)=Ⅵ(七)/∑lⅥ(尼)l

i=1

w1(后)=wl(后一1)+r1.,z(k)u(k)xI(k) %(尼)=%(七一1)+77Pz(k)u(k)x2(k) 叱(后)=吧(后一1)+rlDz(k)u(k)x3(k)

其中:五(k)=P(七),x2(k)=e(k)-e(k-1), x3(七)=A2e(k)=P(七)一2P(尼一1)+P(七一2)
K为神经元的比例系数,rh,r/e,r/D分别为积分、比例、微分的学习速率, 这样分开主要为了方便对不同权系数分别进行调整。 K越大,学习速率快,但是超调量大,甚至造成系统不稳定。在被控对象时 延增大时,应减小K保证系统稳定,注意K过小会降低系统快速性。

5.2单关节实验
5.2.1实验系统
为了观察神经PID的控制效果,下面就本课题研制的SCARA机械手为对象 进行了相应的实验。试验系统如下图所示。该系统由四部分组成:谐波驱动的单 关节机械臂、电机及伺服单元、运动控制卡和PC机。其中机械臂在水平关节运 动,由一永磁同步交流伺服电机驱动(电机和驱动器均采用北京和利时电机技术 有限公司的产品,其型号为80CB075C、GS0750A),电机工作在力矩模式,其 控制力矩与输入伺服单元的控制电压成正比,谐波减速器由柔轮、钢轮和波发生 器三部件组成,减速比为100,最大输出力矩为100Nm(减速器采用北京中技克 美谐波传动有限责任公司的组件,自行设计减速部分),期望轨迹由PC机产生 并通过PCI总线传给运动控制器。之所以没有采用之前的触摸屏示教盒主要是为 了便于实验中数据交互和DSP板的调试及数据分析。运动控制器采用课题组之

前自行研制的运动控制卡,核心处理器为DSP(TMS320F2812),采用12位精
度的DA产生.10V~10V的控制电压,机械臂的位置通过电机内置编码器检测, 编码器精度为10000线。控制算法在DSP中通过C语言实现。

52

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单关节运动控制实验

《幡 渤 兰r》 垒一
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。一^r


箱码器|实验对象(单关节)

图5-3伺服系统试验结构

下图为伺服电机控制器的接口定义:

C眈
鳊码墨Z信号差分艟出+ 鳊码器z信号差分謦出一 袭码暴^信号分簇差分输出+ 箍码器^信号分囊差分输出一 篡码墨B信号分囊差分输出+ 缓码墨B信号分薮差分输出一
编码器Z信号OC输出+ 象码器Z信号OC输出一


31

o ^

O-



32



O- O---

——。r1 三 l
i墨
3 19

速度信号输入地

33

o V



伺服准备好输出一

伺服准备好输出+
速度/位置到达输出一 速厦/位受到达输出+ 制动释放/零遽信号输出一 恻动释放/零遂信号输出+ 故障信号辕出一 故障信号输出+

34

o ^



4 20

35






5 :l

36

O ^ V



6 22


3_


,~

o :3 o V 8 24 9 25 10 26 il :’ o 1: :8

辕入公共靴伽

伺服使能(伺服0N)输入 报警清除信号赣入 控制模式切换输入 内都速度选揉t输入 内部速度选择2输入 正转萦止信号堵入 反转禁止信号输入 零送给定信号输入 脉冲指令信号输入一 脉曲指令信号{翕入+ 方向/脉冲指令信号输入一

38 O 39

旬o



40

旬O
^ V -O ^ o

41

42

-O

转矩信号输入0一±l"43
+12Vt'<2



O O—一

1 3

方向/脓砖指令信号辕入+
+12V缸20 ol田A} J
+1

三2
14 30 15

00mA'J

44





2、.艄

图5-4伺服驱动器的接口定义

其中:接31~36六根编码器信号输出信号给运动控制卡作为编码反馈。伺服

使能23、报警清除8、正转禁止10、反转禁止26、零速给定信号输入/脉冲静止
11等为正常工作所必须的一些定义引脚需引出与控制卡I/O相连。本文所用为力 矩控制模式,即输出电压对应于输出转矩,故输入信号为模拟转矩指令输入43. 电机伺服单元的原理图如图2.1所示。

图5.5运动控制器电机控制系统原理图

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单关节运动控制实验

其中:

K,为速度环增益,决定了速度环的响应性,较低时会成为外侧位置环的延迟 要素,发生超调或者速度指令产生振动。为此,在机械系统不产生振动的范围内,
设定值越大,响应性越好。

z为速度环积分时间常数。是为了响应微小的速度输入,积分环节对于伺服
系统来说是一个迟延,因此当时间参数设定过大时,系统响应的上升时间及调节 时间都会延长,响应性变差。 L扭矩指令滤波器时间参数。是为了克服伺服驱动器引起的机械振动。数值 越小,响应性能越好,但受机械条件的制约。

5.2.2实验方法
本文并没有对实验对象进行建模和参数辨识,因为现实的系统为非线性的, 并且本文所采用的控制算法是非模型相关的,并不需要知道系统模型。直接根据 反馈回来的误差进行。

本文中分别利用PID算法和神经PID算法以余弦曲线”=54(1一cos(肼))(t“o,ss])
为期望轨迹进行轨迹跟踪试验。 以下为PID调节的一些步骤和原则:

1、逐渐增加K。,直到轴开始轻微振荡。在此过程中保持K,髟不变。
2、将轴开始振荡的K。值乘以0.8,作为新的K。值。观察系统产生的超调量。

若超调量过大,逐渐加大髟值,直到系统超调量明显减小。



3、若存在误差,逐渐增加Ki值,(理论上位置误差可以达到±1脉冲)。实 际系统中,根据要求的误差范围和要求的整定时间,折中选取适当的K,值。 单神经元PID调节在PID调节的基础上,选取效果较好的PID值作为单神经元 PID算法的初值,再根据实验调整仇、r/p、r/D,以调节r/尸为主,当达到比较好 的跟踪结果后,适当的调整,7,和r/D,其中r/o对系统的响应影响较大,因为经过 微分环节,放大了系统噪声,因此‰的调整应较小。

5.2.3实验结果及其分析
图5.6和图5.7分别为实验过程中调节PID参数得到的两组数据。图5.8以图

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5.7得到的PID参数为基础,进行单神经元PID控制所得到的跟踪误差曲线. 从图中可以看出,通过调节PID参数,控制性能可以得到提高,但提高的空 间较小,图5.7的均方差o.0494仅比图5.6的均方差0.0558仅降低11.47%。,通 过调节PID参数并不能明显改进控制性能。 单神经元自适应PID可以根据系统的变化自动调节PID值的大小,因此可以 较明显的提高系统的跟踪性能,图5.8的均方差为O.0383,比图5.7的结果降低了 31.36%,最大误差基本控制在0.05之内,可以看出单神经元自适应PID控制器可 以较好的应用于机器人运动控制中。

图5.6PID控制跟踪轨迹误差(/q,=1.2,K=20,局=0.024)

图5.7

PID控制跟踪轨迹误差(Kp=1.5,K=25,蟛=o.012)

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图5.8单神经元PID跟踪误差曲线(%=o.4,仉=0.8,%=o.1)

采用单神经元自适应PID控制策略后,其跟踪误差控制在±0.05。之内,对

于搬运机械手来说精度可以满足工作需求。

5.3本章小结
本章以单关节机器人为对象,对利用PID控制算法及改进的单神经元自适 应PID控制算法进行伺服电机控制做了介绍,并做了相关的轨迹跟踪实验,观 察控制效果。

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总结和展望

第6章总结和展望
本文首先调研了国内外工业机器人的发展现状及发展趋势。针对小型冲床位 对象设计了SCARA工业机器人的本体结构及示教盒系统。对于其他应用场合, 在沿用设计思路的基础上做出小改进就可以适用。 本文的研究工作总结如下: 1.深入调研国内外工业机器人现状,结合现有需求,确定了SCARA机械

手的总体方案。
2.采用国产零部件(伺服电机和谐波减速器)采用三维设计软件solidworks 自主设计了SCARA机械手的机械结构部分。并对关键部件进行了静态

和动态校核、设计符合使用需求,最后根据规范绘制机械图送加工并进
行后期装配。

3.提出用arm9+DSP运动控制板的嵌入式控制系统的方案在要求并不太苛 刻的场合取代常用的工控机+多轴运动控制卡的方案,降低成本。 4.设计了基于arm9的触摸屏示教盒硬件方案。具有主控模块、存储模块、
串口通讯、以太网、触摸屏等功能模块。 5.对arm9移植了嵌入式Linux系统和Q4的图形界面,并在此基础上编写 示教盒图形界面程序。 6.确认.SCARA机械手的D.H参数,并推导运动学正解和逆解。并研究了 对关节空间的轨迹规划。

7.以单关节机器人为对象,对利用PID控制算法及改进的单神经元PID控
制算法进行伺服电机控制做了介绍,并做了相关的轨迹跟踪实验,观察 控制效果。 由于时间、精力和条件的限制,本课题还有其他需要继续深入研究和挖掘并 改进的地方。 1.机械手的整机作业实验 2.第三关节升降的滚珠丝杠结构没有做出比较好的密封措施,容易进灰尘 影响性能及寿命,这个在下一版改进的时候应该予以充分的重视。
3.

示教盒与运动控制卡之间的数据传输现在采用串口通讯,在速率和稳定

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总结和展望

性上来说并不是比较好的方案。下一步的改进中应该加入CAN"工业现
场总线,以提升通讯的速率和可靠性。 4.示教盒控制柜的制作。

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攻读硕士学位期间所获得的成果

攻读硕士学位期间主要的研究成果
【l】朱世强,郑东鑫,吴文祥.王会方一种冲床上下料机器人【P】.实用新型专利,
已授权

【2】李江波,朱世强,郑东鑫.基于ARM的燃气调压器检测系统设计阴.机电工



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38 8 机械手的PLC控制系统设计 ......在众多的专 家的建议和规划下,于“七五”期间,由机电部主持,中央...与此同时,还研制了几种SCARA 型装配机械手样机,并...
机械手开题报告
日本山梨大学牧野洋发明了平面关节型 SCARA 机器人,...控制系统硬件和 软件设计技术、运动学和轨道规划技术...研究 安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手...
焊接机械手控制系统设计-开题报告
离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技 术、...设计的自动焊接机械手由执行机构、驱动系统控制系统...13%为 SCARA 机 器人,4%为圆柱型机器人,而超过 ...
四自由度机械手的设计与规划
四自由度机械手设计与规划摘 要: 随着大工业时代...手机械手是一种主要由机械主体、控制器、驱动系统和...参考文献: [1] 王建强: SCARA 机器人结构设计及...
四轴SCARA机械手控制系统解决方案
四轴SCARA机械手控制系统解决方案_信息与通信_工程科技_专业资料。Machine Automation今日推荐 81份文档 笑话大全集 笑话大全爆笑版 幽默笑话大全 全球冷笑话精选68份...
机械手毕业设计
25 2 气动机械手设计 摘要 21 世纪的工业发展,...电气可编程控制技术与气动技术相 结合,使整个系统...式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、SCARA 型...
自动换刀机械手结构设计及PLC控制研究(毕业设计)
皖西学院 本科毕业论文(设计)论文题目 自动换刀机械手结构设计及 PLC 控制研究 姓名(学号) 武金鹏(2009011644) 系 别 机械电子工程学院 专 业 机械设计制造...
收集的机械手结构图
收集的机械手结构图_机械/仪表_工程科技_专业资料。 安川电机驱动器 SGM 系列选型,P97。 Scara 机械手系统设计规划控制研究 28/84 帝人 RV 减速机装配示意图...
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