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三角机器人控制系统设计及仿真.doc
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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
Design and simulation of control system of Delta robot
Abstract
Delta robot is an important part of many industries.It has been proved that
delta robot is composed of the mechanism and control system which consists of
the main control module, the motion control module, the driving module, the
communication module, the power module and the auxiliary unit. This essay will
introduce the different control methods of Delta robot and How to control the
rotation of the motor controlled by the chip microcomputer, ensuring simple tasks
such as pay-off and marking are completed by robots. The control system of the
triangle robot designed in this paper is simple to operate, budget, and can be
modified according to the actual needs to adapt to different production
requirements.
Keywords: Delta robot; control system; circuit diagram; simulation
目录
1、三角机器人控制系统设计概述........................................................................................................................1
1.1、三角机器人发展与现状 .......................................................................................................................1
1.2、本设计的设计目的、意义及技术要求................................................................................................3
1.3、本设计应解决的主要问题 ...................................................................................................................3
2、三角机器人控制系统设计................................................................................................................................4
2.1、三角机器人控制系统方案的确定 .......................................................................................................4
2.2、本设计控制系统的控制原理 ...............................................................................................................5
2.3、三角机器人控制系统主要元件的选择................................................................................................6
2.3.1、主控制芯片的选择 ...................................................................................................................6
2.3.2、电源芯片的选择.......................................................................................................................7
2.3.3、驱动电机的选择.......................................................................................................................7
2.4、三角机器人主控电路板设计 ...............................................................................................................8
2.5、三角机器人电源管理系统电路设计....................................................................................................9
2.6、三角机器人驱动系统设计 .................................................................................................................10
2.7、电路图编译测试 .................................................................................................................................11
3、电机与电路板安装..........................................................................................................................................12
3.1、三角机器人结构尺寸 .........................................................................................................................12
3.2、电路板的安装 .....................................................................................................................................12
3.3、电机的安装 .........................................................................................................................................12
4、 三角机器人运动学分析................................................................................................................................14
4.1、三角机器人运动学描述 .....................................................................................................................14
4.2、空间位置描述 .....................................................................................................................................14
4.3、姿态描述 .............................................................................................................................................14
4.4、位姿描述 .............................................................................................................................................15
4.5、坐标系变换 .........................................................................................................................................15
4.6、三角机器人结构分析
.........................................................................................................................16
4.7、位置求解 .............................................................................................................................................17
4.7.1、建立坐标系.............................................................................................................................17
4.7.2、位置逆解与位置正解 .............................................................................................................17
5、控制程序的编写与仿真结果..........................................................................................................................24
5.1、控制程序的原理 .................................................................................................................................24
5.2、控制程序 .............................................................................................................................................24
5.3、仿真结果 .............................................................................................................................................26
总 结 ...................................................................................................................................................................28
参考文献 ...............................................................................................................................................................29
谢 辞 ...................................................................................................................................................................30
附件一................................................................................................................................................程序仿真视频
附件二 .......................................................................................................................................................文献翻译
1
1、三角机器人控制系统设计概述
1.1、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
1-1)。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 简化了其铰链结构;Pierrot 等人将 Clavel 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-like manipulator,DLM),也就是三角机器人。
图 1-1 Clavel 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。
2
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 IRC 5C
紧凑型控制器、德国 KUKA 机器人公司的 KR C4 控制器、日本 FANUC 机器人公司的 R-30iB
Mate 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 DELTA Tau Data System 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 1-3 PMAC 运动控制器
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南抖北快东卫
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