机械手运动学模型
机械手的运动学模型是数控系统的重要组成部分,表示机械手输入与输出构件之间位置,速度甚至加速度之间的关系.
(1)位置逆解模型 位置逆解是已知输出件的位置和姿态,求解机构输入件的位置.本文所涉及的机构是已知动平台的位置求解主动关节变量.考虑到主动臂与副主动臂及三根从动臂彼此等长且平行,故在建立运动模型时,将原系统简化为图2所示2自由度5杆铰接机构.
对此可以建立如下闭环约束方程:
(2-1)
其中:
——动平台位置矢量; ;
——主动杆单位矢量 ;
——从动杆的单位矢量, ;
——主动臂转角 ——从动臂转角
; ;
求解得:
(2-2)
其中:


(2)速度逆解模型 速度逆解模型是为了建立机械手操作速度和关节速度的映射关系.
由式 (2-1)对时间求导得到:
(2-3)
求解整理后得出: (2-4)
——两主动臂的关节角速度
其中:
——雅可比矩阵

——动平台点的操作速度(末端执行器的速度)
三.系统总体方案设计
教学型机械手实验系统作为一种工业机器人系统的模拟系统,首先要在总体结构和控制功能上最大限度地反映实用工业机器人样机的主要特征,如机电一体化的系统构成方式等.同时能做到结构简单,操作方便.由并联机械手运动学模型可以看出,并联机构与传统串联机构的本质区别在于,末端执行器在操作空间的运动是关节空间线性运动的非线性映射,由于目前数控系统轨迹控制算法是针对笛卡儿坐标系开发的,不能直接用于并联机构的运动控制.并联机构轨迹控制算法必须根据上式中的运动学关系开发.因此不能采用商用的数控系统,而须基于开放式结构自行开发相应的控制系统.
数控系统硬件结构及硬件选型
装配机器人要求高速,高定位精度,大多数装配机器人采用闭环控制方式.但控制系统比较复杂,而且制造成本较高.随着步进电机技术的发展,高频,大功率,小步距步进电机及驱动器的出现,大大提高了步进电机的性能,致使步进电机驱动机器人成为可能.考虑到此教学型机械手不是真正用于生产,主要用于教学与实验,具有演示功能,应有利于学生观察.因此,尽管Diamond机构可以达到很高的速度和精度,但从满足工作要求和经济性两方面因素综合考虑,手爪运动的速度和精度要求不用太高,所以本文选择步进电机作为驱动装置,构成开环控制系统,进一步降低成本.
通过对教学型"串—并混联装配机械手"控制系统需求进行详细分析,决定采用"NC嵌入PC"的控制方案构建开放式数控系统总体结构.选用工业控制机(IPC)作为系统平台,采用"PC+多轴运动控制器" 的典型结构搭建机械手的控制实验平台,数控系统的硬件组成如图3所示. 该系统主要由工业控制机(显示器,鼠标,键盘等),运动控制卡,步进电机,驱动器等模块组成. 为了提高系统的可靠性及易维护性,各功能模块均采用商品化部件,各模块之间的接口也符合标准化要求.此种控制方案,具有系统结构简单,成本较低,应用范围广,系统建立周期短,控制方式灵活等优点.
(1)工业控制机(IPC)
采用工控机作为系统的主机,是因为工控机是一种开放式的计算机系统,可满足多种工业标准,与常用的微机系统有良好的兼容性,又有大量的软硬件支持.本数控系统中的工控机(IPC)主要完成系统管理,人机交互,动态显示,工作空间轨迹规划,插补计算,运动学计算,逻辑控制及各单元间通讯等任务.因此工业控制机的品质将直接影响到整个系统的性能.从系统要实现的数据运算和运动控制功能出发,选用了北京研祥公司生产的普通箱式工业控制机IPC-810.基本配置是:IPC-6114P3底板,PⅢ866 CPU,VPHCDD型主板,PS—270电源,3.5〃软盘驱动器,128M内存,40G硬盘.工控机内设有8个ISA插槽,6个PCI插槽,作为与板卡的接口.本系统采用的是ISA总线.
(2)运动控制卡
运动控制卡是最主要控制单元,是数控系统的运算和控制的核心,应综合考虑系统功能,开放性等方面因素选择.本系统中只有三个步进电机,综合考虑系统功能,开放性和价格等方面因素,决定选用台湾研华工控公司生产的PCL—839卡.它是一种三轴高速步进电机驱动卡,包含3个脉冲发生器,额定最大脉冲频率为16K(Pulse Persecond).PCL-839卡硬件构成如图4所示.该卡具有的主要特点是:
可实现三轴联动或独立地对三轴进行控制,每轴既可分步运动,也可连续运动;

上一页下一页