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SCARA机械手系统设计与规划控制研究

作　者: 郑东鑫
导　师: 朱世强
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: SCARA 工业机器人结构设计轨迹规划 ARM9 示教盒
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-12
第1章绪论  12-17
  1.1 引言  12
  1.2 工业机器人的国内外发展现状  12-14
  1.3 工业机器人的分类  14-15
  1.4 研究内容及研究意义  15-16
    1.4.1 研究意义  15-16
    1.4.2 研究目的和研究内容  16
  1.5 本章小结  16-17
第2章 SCARA机械手结构设计及分析  17-35
  2.1 系统总体结构与传动设计  17-19
  2.2 驱动系统选型及设计  19-23
    2.2.1 伺服电机选型  20-22
    2.2.2 步进电机选型  22-23
  2.3 谐波减速机构设计  23-24
  2.4 关键关节静态分析及动态校核  24-34
    2.4.1 关节臂的静力分析  25-30
    2.4.2 动态仿真  30-34
  2.5 本章小结  34-35
第3章基于嵌入式系统的示教盒硬件设计  35-45
  3.1 核心板电路设计  36-40
    3.1.1 主控制器芯片  36-37
    3.1.2 存储电路设计  37-40
  3.2 电源电路设计  40
  3.3 通讯电路设计  40-42
    3.3.1 10M以太网  40-42
    3.3.2 串口通信模块  42
  3.4 触摸显示屏  42-43
  3.5 JTAG调试电路  43-44
  3.6 本章小结  44-45
第4章示教盒软件设计及轨迹规划算法实现  45-61
  4.1 示教盒的嵌入式Linux系统及QT图形界面移植  45-50
    4.1.1 嵌入式Linux系统  45-46
    4.1.2 交叉编译环境  46-47
    4.1.3 嵌入式Linux平台的搭建  47-49
    4.1.4 QT4.5图形界面环境的移植  49-50
  4.2 机器人运动学解算及轨迹规划算法实现  50-58
    4.2.1 D-H参数及运动学正反解  50-54
    4.2.2 轨迹规划  54-58
  4.3 基于QT的示教规划软件设计及实现  58-60
  4.4 本章小结  60-61
第5章单关节运动控制实验  61-68
  5.1 伺服控制算法  61-63
    5.1.1 PID控制  61-62
    5.1.2 单神经元自适应PID控制  62-63
  5.2 单关节实验  63-67
    5.2.1 实验系统  63-65
    5.2.2 实验方法  65
    5.2.3 实验结果及其分析  65-67
  5.3 本章小结  67-68
第6章总结和展望  68-70
参考文献  70-74
攻读硕士学位期间主要的研究成果  74

SCARA机械手系统设计与规划控制研究

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