基于STM32的机械臂运动控制与结构设计开题报告 - 图文

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: