基于STM32的机械臂运动控制与结构设计
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,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，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
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Solidworks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,精度较高;运动部分重量轻,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;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,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
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,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。
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。
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KUKA为代表,日系码操机器人以FANUC和YASKAWA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,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。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MOTOMAN-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,
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