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基于DELTA机构的高速并联装箱机器人

刘海波  
【摘要】:并联机器人结构,即定平台和动平台通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个或两个以上的自由度,并通过并联方式驱动的一种闭环机构。并联机器人末端执行器的运动是经过复杂精确地运算实现的,无需固定导轨进行导向,是通过空间多杆并联机构进行驱动的。 DELTA机器人属于并联机器人的一种,其并联机构具有少自由度空间,机器人动平台质量轻并且相对静平台完成三维平动。系统基于DELTA结构,进行一种三自由度并联装箱机器人的机电一体化设计,实现对传送带上的筒子纱快速地抓取和装箱操作,从而减轻人的参与,并提高包装生产效率。本文根据筒子纱的装箱打包工艺,从包装线设计,DELTA机器人机械设计分析、机构位置分析、控制系统选型,软件系统设计和最终调试等方面进行了研究,并制作物理样机模型,取得了较好的研究成果。 本文总体介绍筒子纱装箱生产线的方案设计,详细阐述了以DELTA并联机器人为核心的装箱系统设计,重点介绍了DELTA机器人控制系统中软件控制算法设计,针对系统设计中的关键技术进行以下方面的研究: 1、根据锥形筒子纱的装箱工艺,详细分析筒子纱装箱的工作需求,在总结归纳多种方案的基础上,提出一套速度快、成本低,柔性好、功能齐全以及系统集成度高的方案设计,即以DELTA高速并联机器手为核心,辅助以开箱、传送、封箱、称重和喷码为一体的设计方案。 2、对DELTA并联机器人的结构进行分析,通过对机构进行正反解,建立系统运动学模型,在正确计算位置坐标的基础上求解动平台的可达位置空间,并且根据筒子纱装箱工作的抓放需求,确定DELTA机器人末端动平台执行器的运动路线,从而确定各机械部件在操作空间中的位置关系。 3、根据DELTA并联机器人的系统控制需求,设计了基于“工控机+基于PCI总线运动控制卡”的数控系统硬件平台,构建了“工控机+运动控制卡+马达驱动器+交流伺服电机+增量式旋转编码器”的闭环硬件控制系统。实现系统信号处理,交流伺服电机驱动配置和数控系统的搭建。 4、中央处理器选用Visual Studio2005作为软件开发平台,采用C语言进行控制算法和驱动程序的编写。软件控制系统的特色是采用模组化设计,文中详细介绍各个模组的作用以及模组之间的相互调用。各个模组功能界定清晰,最大限度提升了系统在功能上的移植性和可扩展性。在路径规划设计中,详细解析多种运动轨迹的速度规划算法,设计了“红绿灯自主式速度规划”算法,简单高效地解决路径规划中速度根据剩余路径进行实时响应处理的问题。 5、在上述理论研究基础上,研制出基于DELTA机构并联机器人的物理样机。通过系统联机调试,成功实现了机器人末端准确地抓放动作,并对系统的安全性、可靠性和稳定性做出分析,从而验证了系统结构分析和数控系统设计的可行性。


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