三角机器人控制系统设计及仿真.docx

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1、三角机器人控制系统设计及仿真摘要三角机器人是在许多行业中扮演着十分重要的角色。通常，三角机器人主要结构为机构本体和控制系统。控制系统主要由主控制部分、运动控制部分、驱动部分、通信部分、电源部分以及辅助单元组成。本文将介绍三角机器人不同的控制方法以及三角机器人如何在单片机的控制下，通过控制电机的转动，从而控制三角机器人进行送料、贴标等类似的工作。本文设计的三角机器人的控制系统操作简单，成本低，且可以根据实际需求修改程序从而适应不同的生产要求。关键词：三角机器人；控制系统；电路图；仿真DesignandsimulationofcontrolsystemofDeltarobotAbstractDel

2、tarobotisanimportantpartofmanyindustries.Ithasbeenprovedthatdeltarobotiscomposedofthemechanismandcontrolsystemwhichconsistsofthemaincontrolmodule,themotioncontrolmodule,thedrivingmodule,thecommunicationmodule,thepowermoduleandtheauxiliaryunit.ThisessaywillintroducethedifferentcontrolmethodsofDeltaro

3、botandHowtocontroltherotationofthemotorcontrolledbythechipmicrocomputer,ensuringsimpletaskssuchaspay-offandmarkingarecompletedbyrobots.Thecontrolsystemofthetrianglerobotdesignedinthispaperissimpletooperate,budget,andcanbemodifiedaccordingtotheactualneedstoadapttodifferentproductionrequirements.Keywo

4、rds:Deltarobot;controlsystem;circuitdiagram;simulation目录i、三角机器人控制系统设计概述I1.1、 三角机器人发展与现状11.2、 本设计的设计目的、意义及技术要求31.3、 本设计应解决的主要问题32、三角机器人控制系统设计32.1、 三角机器人控制系统方案的确定42.2、 本设计控制系统的控制原理52.3、 三角机器人控制系统主要元件的选择62.3.1、 主控制芯片的选择62.3.2、 电源芯片的选择62.3.3、 驱动电机的选择72.4、 三角机器人主控电路板设计82.5、 三角机器人电源管理系统电路设计92.6、 三角机器人驱动系统

5、设计102.7、 电路图编译测试113、电机与电路板安装113.1、 三角机器人结构尺寸Il3.2、 电路板的安装123.3、 电机的安装124、三角机器人运动学分析134.1、 ,三角机器人运动学描述134.2、 空间位置描述144.3、 姿态描述144.4、 位姿描述154.5、 坐标系变换154.6、 三角机器人结构分析164.7、 位置求解16471、建立坐标系164.7.2、 位置逆解与位置正解175、控制程序的编写与仿真结果235.1、 控制程序的原理235.2、 控制程序245.3、 仿真结果26总结27参考文献28谢辞29附件一程序仿真视频附件二291、三角机器人控制系统设计概

6、述.三角机器人发展与现状Clavel博士在洛桑联邦理工大学就职时，发明了一种并联机械结构，它是三自由度的运动机构。因为它的上下两个平台都是等边三角形，所以它被称为Delta机械手（图I-Do从20世纪末开始，很多人对这种并联机械结构进行改造升级。Clavel博士对运动副做出改进，提高了其灵活性；Tsai简化了其较链结构；Pierrot等人将CIaVeI博士发明的机械结构改良为6个支链的机械手，这种机械手可以高速运动。这一类由三角机构改进、根据三角机构研发出来的机械结构且具有类似的结构与相似的运动方式的机器人称为Delta机器人（Delta-likemanipulator,DLM）,也就是三角机

7、器人。图1-1Clavel博士发明的Delta机械手现在，Delta并联机器人主要应用于现实产业中的结构有三种：二自由度Delta并联机器人、三自由度Delta并联机器人与多自由度Delta并联机器人。其中三自由度Delta并联机器人又分为三轴驱动形式与四轴驱动形式。本次设计的三角机器人就是属于三自由度Delta并联机器人（图1-2）。三角机器人是一种高速轻载的并联机器人，可以通过视觉系统与预先的编程捕捉目标，使用三个并联的电机来精确定位所需抓取物体的空间位置，然后完成它所需要完成的工作。三角机器人具有以下特点：1、运动速度与响应速度快，动力性能好；2、体积小，重量轻，成本低；3、刚度大，负载

8、能力强，结构稳定；运动速度与响应速度快，动力性能好；4、运动耦合弱，力的控制容易以及实时控制性能好；5、定位精确，反复定位精度高。21世纪以来，全世界许多行业都对三角机器人十分重视而且三角机器人向着高速、高精度、灵活性等方向发展。图1-2三角机器人早期的机器人的控制系统结构庞大，操作复杂且定位精度以及速度比较差，可靠性低，只能根据控制指令执行简单的动作。随着时代的变迁与科技的发展，计算机技术、伺服系统技术、自动控制系统技术也发展的十分迅速，机器人控制系统的性能也跟着这些技术的发展逐渐变得完善。目前，三角机器人的控制系统发展的比较完善。控制系统已经集成为一个高性能的控制器，有着独立计算与储存的能

9、力，还有其他许多新的功能如示教等，提高了机器人的可操作性与系统的稳定性。在国外，由于研究开发的时间早，机器人的控制系统的研究比国内的先进许多。很多老牌机器人公司都有属于自己公司本身的专用控制器。瑞士ABB机器人公司的IRC5C紧凑型控制器、德国KUKA机器人公司的KRC4控制器、日本FANUC机器人公司的R-30iBMate标准型控制器与日本YASKAWA公司的DX200控制器等。在通用控制器上，国外的实力也非常强。如美国的DELTATauDataSySteIn公司研发的PMAC运动控制器（图1-3）是当今世界上功能性最强、灵活性最大的运动控制器，在很多场合都有应用。图1-3PMAC运动控制器

10、在国内，近年来国内运动控制技术有了比较快的发展，一些公司也研发出新型的运动控制器如沈阳新松的Siasun-GRC系列、迈科讯的mtc系列等等。经过比较长时间的发展与不断的创新，国内与国外关于三角机器人的控制器在硬件方面的差距已经大幅度缩小，基本没什么差别，但在控制算法以及易用性等方面，还是有着一定的差距。目前，在三角机器人的模型结构日渐成熟的条件下，我国的研究重心逐渐放在的控制系统的软件开发与改进上，并且也有了一定的成果。1.2、 本设计的设计目的、意义及技术要求本设计的目的是设计出一款三角机器人的控制系统，能根据烧录的程序，控制三角机器人进行工作，完成送料或者贴标等工作。本设计的控制系统相对

11、于市面上的控制系统而言相对简单，但对本人而言是一个十分大的挑战。而且本设计可以实现送料或贴标等工作；提高生产水平与生产效率，减轻人们的劳动强度且可以使工厂的成本降低。三角机器人控制系统的技术要求是在系统稳定可靠、工作效率高、通用性强以及操作简单。且能时时关注运行状态，保证机器的运行安全。1.3、 本设计应解决的主要问题本次设计的控制系统的功能是能使机械结构根据烧录进芯片的程序运行，进行物体的送料和贴标。(1)三角机器人控制系统的设计方案的拟定。预先拟定设计方案，根据方案的可行性决定最终方案。(2)三角机器人控制系统材料以及元件的选择，根据稳定、功能以及性价比选择出合适的材料与设备。(3)完成芯

12、片以及元件的选择，使用AltiUmDesigner19来画电路图，然后编译测试电路的可行性。(4)电路板与电机的安装。(5)进行三角机器人的运动学分析。(6)使用KeilC4进行程序的编写以及将图复制到ProteUS上并仿真测试程序的可行性。2、三角机器人控制系统设计2.1、 三角机器人控制系统方案的确定目前，市场上所使用的一般分为以下四种：(1)控制方式选择PLC控制(图2-1)PLC控制是在传统的顺序控制器的基础上加上许多新的技术组成的控制装置。R的是用来代替继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建设柔性的远程控制系统。相对来说设计比较困难且成本大。上S机P图2-1 PLC控制结构x

13、AP=PA出（4-）其中，P4、P,、R是点冰坐标系A中的3个坐标分量。图4-1空间坐标系位置4.3、 姿态描述除了研究空间某个点的位置，在探究机器人的操作和运动中，还需要表明物体的姿态。物体的姿态是用物体所在的坐标系来描述，需要设立一个空间直角坐标系B。原点由3个相互垂直的向量表示：n（法线）、O（方向）、a（接近）（图4-2）。坐标系B）姿态可用矩阵F,表示：图4-2参考坐标系原点中坐标系的表示4.4、 位姿描述坐标系原点相对于与参考坐标系的位置。坐标系B的位姿由3个方向单位向量与1个位置向量表示：勺4*PxF=%P，nTqaTPlOOOlL4-3式2.3中，前三列表示的是坐标系B的3个单

14、位向量的方向，第四列表示坐标系中B原点相对参考坐标系A的位置。4.5、 坐标系变换平移坐标系的平移变换矩阵：100d；TOlo4Ool40001cU、d2、d,是平移向量d相对与参考坐标系的3个分量。平移后的坐标系B，位置表示:F=Trans(d,d,d2)F(4-5)旋转坐标系B的X轴、Y轴、Z轴旋转O角度的坐标系B1位置分表表示为：P=Rot(XQ)XFF=ROt(y,O)F;F=Rot(Z,0)F(4-6)4.6、 三角机器人结构分析三角机器人有两个平台，三条运动臂。其中每条臂由一个主动臂和从动臂组成，从动臂呈平行四边形状，由球关节与杆件连接组成。自由度计算采用经典的KUtZbaChGr

15、ubler公式：产=65-g-D+X/(4-7)其中：F-机构的自由度g一机构中运动副的总数n-机构的构件总数f一所有运动副的自由度之和在分析三角机器人的机构简图(图4-3)之后可知，本次设计的三角机器人的构件的总数有11个，总运动副数为15,其中有12个球面副，每个有3个自由度；有3个移动副，每个有1个自由度；由于连杆可绕自身的轴旋转，所以存在6个冗余自由度。由式4-7可得：F=6(11-15-1)+3l231-6=3o由此何止三角机器人是一个3自由度的机器人，工作空间内的运动沿X轴、Y轴、Z轴三个方向。4.7、 位置求解4.7.1、 建立坐标系为方便求解空间的位置关系，将每组平行四边形闭环

16、上下两边取中点，连成一条虚拟的连杆。简化后再研究机构简图(图4-4)。O图4-4简化后的机构简图BiB2B3为静平台，RB2R为动平台，建立静坐标系OTYZ在静平台上，原点0为静平台的几何中心；建立动坐标系O-XYZ在动平台上，原点O为动平台的几何中心。Z轴与Z轴垂直于各自的平台，OX轴与OK轴分别垂直与BiB?和PP。由3.1可知该机构的各个尺寸。4.7.2、 位置逆解与位置正解在本次设计中，将通过位置逆解，得出关节变量。本次设计中，由3.1可得知：R=100mm,r=45mm,L4=350mn,L,=100mmo在接下来的计算中，已知量将会带入具体的数值进行计算。如图4-5所示，坐标系与静

17、平台之间的空间几何关系如图4-5所示。OB;与X轴的角度为L则点B,在坐标系0XYZ中的位置矢量为：1OOCo犯IOOsirv;.0(4-8)图4-5静平台坐标系同理，动平台的坐标系中，P;在坐标系O，-XYZ中的位置矢量为:rcos145CO町45sin7,0Tjl = 7, i = 1,2,3由式4-8式和4-9可得点E,在静坐标系中O-XYZ的位置矢量为：(R+Lbsin)COSZ(100+1OOsin0l)COSfJl仍L=(RLbsinl)siv1=(IO()10()sin夕,)sin7Jl=-,.i=1,2,3(4-10)I00COSa设00是坐标系O,-XYZ的原点O相对坐标系O

18、-XYZ的位置矢量，且45cos7, +xrcos7, + X00yZ,则点0在坐标系OXYZ的位置矢量为回。=xyz,则点P,在坐标系O-XYZ中的位置矢量为：仍L=仍L+QL=rsinz+V=45sin/+yt=加/=L2,3(4-11)由此可得:施kJWL(R+Lbsin-r)c0s7,-x(R*Z,sinr)s1n7,-y“卜coW,(55+100Kina)CoSaT55*IO(Kn/binJ/,-I00cos,-z又因为PEI=L=350,可得:(55+100in)cosn.-x+(5S+lsin0)sinn,-y2+(-100cos0)-2=12250(4-13)可知静平台为等边三

19、角形，所以可知n、2.n3的值并带入式4T3中，可得方程组:TT(55+100sin1)-x+-(55+Lftsin1)-v+(1OOsin91+z)2=122500IT1r3x-j,F1=一,一一一:一AJ-2=.一一二g1J-ZzLk100La2-Lf,2-Af2-J2-Z2-(-ri3.r-/)I09475-2-yi-z2-55v,3x-y)Lk100U2=-22(-r)-3x-=-2(110-3x-y)z_1-L；-Fr2_J_(a_-(R-rfjJ)_09475-x：-y，-J-55(71.)y=/Z=-XZLh100L-L；-x2-y2-z2-(R-r)，-2yR-r)_10947

20、5-r-llQF2L200U32(R-r+y)-110yl-L-z2-(-r)2-2,-r)109475-x2-z2-ll(2Lh-200由于K,、U,、V,为己知量，所以式4T5可解得:6=123)(4-16)通过关于解的位姿示意图，可得知Q为正值才有意义，即-)得角度解为合理解,所以式476变为：2(4-17)主动臂张角为:0=2arctat(0(i=1.2.318)后续将程序所需要的坐标(x,y,z)带入其中，所得出的。为电机所需要转动的角度。运动学正解也同理。基于上式4-14可得：(4-x)2+(4-y)2+(C1+z)2=122500(A2-x)2+(B2-yY+(C2+z)2=12

21、250(4-19)X2+(8；-4(C3+)2=122500其中：4=*(55+l00Sina)星=；(55+100Sinq)C=100cosOA2=等(55+100Sina)fi2=1(55+100sinl?,)C2=100cosO2A3=1B3=55+100sinO3C3=1OOcosO3根据式4-29可得：A1x+B3y=C3z+D,(4-20)A2xB2y=C23z+D2(4-21)其中：Bl3=Bl+6B23=B2+%C3=C-C3C23=C2-C3Dl=l(+c12-c32)q(”jy-2y)由式4-20、式4-21可得：x=Ez+F(4-22)y=E2z+F2(4-23)其中:F

22、=BQ2-B向,-4P=4。-42A1Bn-AlB2i将式4-22、式4-23代入式4T9的第三条等式中可得:az2+bz+c=0(4-24)其中：a=E2+E22+lb=2E1F+2E2B3+2E2F2+2CC=U+(8+凡)2+C32-1225OC由于a、b、C为已知量，所以式4-23可解得：Z=二MF25)Ia由于动平台在静平台下方，所以式4-25变为：Z=土近三(4-26)2a由此可得坐标(xyz)。以上的运动学理论基础为后续的运动控制打好计算基础，方便后续程序的编写。5、控制程序的编写与仿真结果5.1、控制程序的原理本次设计的控制系统主要设计一个送料或贴标的三角机器人的控制系统。本次

23、设计的控制程序内容是当通电后，经过一小段时间的延时，主芯片驱动电机，在两点之间做往复运动。该程序主要流程如图5T所示。5.2控制程序在具体的仿真中，本人是先选角度然后通过运动学正解得出坐标位置。O1=157,点1二(0,0,-247.0700,2=113,点2二(0,0,-2785370。#include52单片机头文件#include标准输入输出头文件defineucharunsignedChar无符号字符型变量宏定义#defineuintunsignedint无称号蕤形变量宏定义ucharMotojIZ4=0x01,0x02,0x04,0x08;/步进电机正转相序ucharMotor_lF

24、4=0x08,0x04,0x02,0x01);/步进电机反转相序voidDelay_ms(uintx)延时uinti;while(x-)for(i=0;i125;i+);voidmain()/主函数uinti=0,j=0,a=0,b=0,c=0;/先转到157度的点1for(a=0;a5;a+)(for(i=0;i15;i+)(for(j=0;j4;j+)PO=Motor.lZjl;Dclay_ms(10);IDelay_ms(500);/延时while(l)/转到113度的点2for(b=0;b2;b+)for(i=0;i15;i+)for(j=0;j4;j+)(PO=Motor.lFj;D

25、elay_ms(10);Delay_ms(500);/延时/回到157度的点1for(c=0;c2;c+)(for(i=0;i15;i+)for(j=0;j4;j+)(PO=Motor.lZj;Delay_ms(10);Delay_ms(500);/延时53、仿真结果大金的仿看结果如下面三张图所示，具体仿真过程请看附录一。图5-2先运行到点1图5-3再运行到点2图5-4再运行回点1总结本文通过对三角机器人国内外的研究现状以及发展过程和趋势的研究，以及对三角机器人的控制系统的研究，最后选择了单片机控制。后续跟着对三角机器人的结构选择对应的电机以及合适的芯片，绘制出三角机器人控制系统的电路原理图。

26、然后进行三角机器人运动学的计算，得出合适的坐标以及电机运动的角度，再根据数据编写程序，进行仿真调试，最终得出符合设计的仿真结果。本设计的三角机器人的控制系统能满足设计要求。在本次设计中，遇到的最大的困难就是对机械控制的原理的不了解，在开始本次设计时，对于三角机器人的控制方式进行了较长时间的学习研究，才弄明白原理。随后选择了个人认为比较简单而且是唯一一个本人学习过一点基础的控制方式，单片机控制。随着设计的进行，绘制电路图成为了设计的一大难点：不熟悉电路、不会使用相应的软件如AltiUmDeSigner等。在经过长时间的翻阅文献以及跟着课本学习，最终攻克了这一个难关。当原理图和仿真图画完后，由于对

27、C语言并不是太了解，又开始对关于STM32芯片的编程进行学习。由于对芯片和相关仿真软件的不了解，在学习的过程中，发现了一个十分严重的问题：STM32的芯片是32位芯片，AltiumDesigner软件仿真需要正版，但正版需要十几万；Proteus软件旧版无法对32位芯片仿真，而Proteus软件新版的32位芯片仿真有BUG,软件无法控制硬件。通过与老师的沟通以及根据老师的意见，立刻将芯片改为51系列的芯片。还好芯片改变，原理图并不需要太大的改变，只需要将电源模块的一个降压器删除和将USRAT口改为UARTo随后通过编程的学习，仿真的调试，最终得出了想要的结果，完成了本次设计。通过本次的毕业设计

28、，我才明白我平时上课所学的知识是远远不够的。除了机械结构的学习，还应该主动学习控制部分，因为控制系统也是机械行业当中十分重要的一部分。在这次设计中，从一个开始完全没有思路，到后来一步一步攻克难关，这个过程虽然十分艰辛，但结果是令人愉快的。这次毕设让我收获了许多，对我未来的帮助十分巨大。参考文献1王洪伟.Delta并联机器人结构分析及其控制研究D.哈尔滨工程大学，2015.2冯李航，张为公，龚宗洋，林国余，梁大开.Deka系列并联机器人研究进展与现状UL机器人,2014,36(03):375-384.3张明稳，于振中.工业机器人原理及应用(DELTA并联机器人).哈尔滨工程大学，2018.4董浩

29、，王晓波，盖帅.Delta机器人控制系统研究J.天津科技，2017,44(01):79-82.5高拴.DELTA机器人控制系统研究D.沈阳工业大学，2017.6殷盛江，于复生，时维康，孙中国.Delta机器人控制系统设计J.起重运输机械，2015(01):17-19.7李丽丽，林明勇，曹永军，周磊.3自由度高速DeIta机器人控制系统设计J.自动化与信息工程，2016,37(02):25-28+35.8刘新科.delta并联机器人控制系统研究D.北京建筑大学，2018.9侯雨辰.Delta并联机器人动力学控制技术的研究D.东北大学，2015.10冀亮亮，吕娟娟.工业机器人在现代制造行业中的应用

30、J科技风，2020(07):21.11殷苏民，郑昌俊，徐启祥，孙骏，邹浩，胡泽黎.基于SySmaC自动化平台的Deka机器人控制系统设计J.机床与液压，2017,45(03):1-5.12康晓娟.Delta并联机器人的发展及其在食品工业上的应用J.食品与机械，2014,30(05):167-172.13王娜.三自由度DelIa并联机器人轨迹规划及控制D.青岛大学，2019.14李楠徐凯单晖纪小刚崔爱强朱生茂田少杰刘智慧李.一种多姿态爬杆机器人无线控制系统设计J.现代制造工程，2012(10):34-38.谢辞不知不觉，我在大学里面已经度过了四年的时间，也即将要结束我的大学生活，走向社会。我十分

31、感谢我在大学之中遇到的同学们和老师们，他们给予了我许多陪伴与否帮助。首先，我要特别感谢我的导师李兵老师，他不仅仅是我的毕业设计的导师，也是我机械设计原理的老师。不管是在课程上还是毕业设计上，都对我帮助很大。李兵老师渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维为我的毕业设计提供了很好的思路和引导。而且李兵老师态度严谨，对于学术方面精益求精，指出我设计中的错误并耐心的指导我纠正错误。其次，我还要感谢我身边的同学们以及其他老师们，他们在学习和生活等方面都给予了我十分大的帮助。最后，我还要感谢我的家人，一直无条件的支持我，并且给了我十分舒适的学习环境与生活。捷键与一些电脑小技巧winkey+d:这是高手最常用的第一快捷组合键。这