并聯(lián)3D打印機結構設計與控制含CATIA三維及16張CAD圖.zip,并聯(lián),打印機,結構設計,控制,CATIA,三維,16,CAD 2016年第二屆控制、自動化、和機器人的國際會議。 基于三角形機器人運動學的球形運動 地址在臺灣省臺南市大學路一號701，Chung-Ping Young和Yen-Bor Lin成功大學計算機科學與信息工程系，電子郵箱：cpyoung @ mail.ncku.edu.tw.yen_bor @ yahoo.com.tw。 摘 要 工業(yè)中使用的機器人手臂被分為兩類，包括串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人兩類。與串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人具有精度高，剛度大、承載能力強、速度快、慣性小等優(yōu)點。這次工作提出并實施了一種機制，基于Delta的機器的修改和實驗，即可執(zhí)行球形運動。實驗結果表明，這種設計在使用中是實用和穩(wěn)定的。根據(jù)定量評估,誤差在幾毫米之內。 關鍵詞：并聯(lián)機器人 球面運動 Delta機器 自由度 逆運動學 機器人手臂。 一 介紹 工業(yè)中使用的機器人手臂被分為兩類：包括串聯(lián)機器人手和并聯(lián)機器人手。如圖一（a）和（b）所示， (a)串聯(lián)機器人 (b)并聯(lián)機器人 圖1.兩類機器人工業(yè)手臂 與串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人具有精度高，剛度大、承載能力強、速度快、慣性小等優(yōu)點。Stewart平臺[1]誕生之后其應用程序也誕生了，研究人員創(chuàng)造了許多不同的機制。Delta機器人是最受歡迎的解決方案之一，被廣泛應用于許多領域。用戶可以選擇適合他們自由度和末端執(zhí)行器來應用，如機器人手臂移動重物、3D打印噴漆、表面檢查、如隱形眼鏡質量檢測、表面處理、和激光切割等。如今，基于笛卡爾式和三角形的機器是3D打印機中流行的兩種類型。典型地，笛卡爾3D打印機放置一個方形的平臺，它的頭部運動被分解為x、y和z軸，且軸的每個方向的運動都由電機單獨驅動。相比之下Delta 3D打印機將三個手臂布置成三角形結構，負載分部在三個部分，每個電機承受較小的負載。這種不同有利于打印的速度和準確性。雖然還有其他類型3D打印，那些都超出了本文的范圍。 末端執(zhí)行器可以直接與對象交互，像噴涂繪畫、擠壓機、機械爬行、激光切割機、作為符合應用最終效應器。然而, 大多數(shù)常用的Delta機器人末端執(zhí)行器僅限于平行移動到基礎平臺。雖然有幾個機器人執(zhí)行球形運動，但是他們都沒有為Delta機器人專門設計。一般來說，需要更多的電機和更復雜的接頭來使末端執(zhí)行器完成球形運動并增加運動的自由度。在本文中，我們的目標是提出一個新的機制，以稍微增加或同等的成本使機器人執(zhí)行球形運動。如移動平臺和連桿的重新設計使得相應的逆運動學分析也可以實現(xiàn)這一任務，最初的Delta 3D打印機由三角形移動平臺兩側的一對平行桿組成，如圖2（a）所示， （a）平行聯(lián)動 （b）擬議鏈接 圖2. Delta機器人框架的原始設計和建議設計 他們確保移動平臺的平面保持平行于基座，這種特性與我們執(zhí)行球形運動的目標相沖突。為了支持球形運動，機器人需要使末端執(zhí)行器偏移，俯仰和翻轉為此還提出了一些輔助結構來使系統(tǒng)穩(wěn)定，為此對固件進行了修改，以配合新提出的物理機制。為了導出末端執(zhí)行器的方向和位置，正向運動學理論上是關節(jié)角度和連桿長度已知或測量時的方法。相反地，反向運動學是指定末端效應器的期望位置時導出關節(jié)角度的方法。由于前向運動學方法可能會遇到多種解決方案，因此逆向運動學將在這項工作中得以實現(xiàn)。有許多開源固件可以驅動包含Sprinter，RepRap，Grbl和Marlin的3D打印機，它們可以驅動Sprinter和Grbl。 用戶可以修改配置以滿足機器的需求。Marlin被選擇在本工作中進行修改，以便為示范的實用性和性能提供示例實施。 二 相關工作 多項研究致力于機器人的球面運動。桂林楊采用三個相同的轉動連接棱柱關節(jié)和球形（RPRS）腿來支撐移動平臺[2]，Yan-Jin提出了一種選擇性致動的并聯(lián)機構，機器人的末端執(zhí)行器可以執(zhí)行6種自由度運動，即3自由度球面運動和3自由度平移三自由度運動[3]。雖然它們的機構設計與我們提出的機構設計不同，但運動學分析對于我們構建球形運動系統(tǒng)是有用的。1965年，斯圖爾特發(fā)明了斯圖爾特平臺作為飛行模擬器。傳統(tǒng)的斯圖爾特平臺使用六條可伸展腿。這是執(zhí)行球形運動的最完整的并聯(lián)機器人，其運動算法有助于設計我們的系統(tǒng)。Indrawanto介紹了Stewart平臺的設計和控制，以討論其特性和局限性。實驗結果進行評估控制器的性能[4]。Mamoon提出了一種改進的Stewart平臺，并允許使用便宜的步進電機作為執(zhí)行器[5]。其他類似Delta或Stewart-lie的機器人也被開發(fā)出來。Patane.F開發(fā)了一種電動并聯(lián)機器人，由一個由三個固定式線性電動執(zhí)行器控制的移動底座組成，該執(zhí)行器連接到相應的浮動和長度固定臂[6]。在文獻[7]中，Xianqiang Y.使他們的機器人模仿人體肩部的運動，四根電纜在運動平臺上對稱分布。 電纜的一端連接到移動平臺，另一端連接到地下室的電機。張力傳感器和滑輪用于控制電纜。Angelm L.提出并行Delta型工業(yè)機器人的設計和硬件。他們還討論了轉向運動學特性和逆運動學[8]。 在[9]中，Aleksandrovich描述了一種新的三自由度操縱器。 機器人使用三條運動鏈，每條鏈包含一個平行四邊形或兩個位于底部的萬向節(jié)。平四邊形通過旋轉對連接到基座?？傊鲜鰴C器人在機構和運動算法上是復雜的。 本文提出了一種簡單的解析解法來簡化球面運動的設計。 三 實施 本節(jié)介紹基于Rostock 3D打印機的示例實施，以表明所提出的設計能夠成功實現(xiàn)目標。硬件組件和軟件組件之間的關系如圖3所示， Software Layer Step motor Ukimaker1.5.7 Marlin Arduino mega 2560 Hardware Layer 圖3.系統(tǒng)概述 Arduino mega 2560被用來開發(fā)用于所提議的想法的程序。我們使用Ultimaker 1.5.7 pcb和A4988芯片來控制步進器和接收歸位信號。不僅修改了硬件部分，還修改了軟件部分以使它們正確地一起工作。 細節(jié)將在下面進行描述。 A.硬件實現(xiàn) 圖4說明了這個示例實現(xiàn)的硬件體系結構。 Arduino Mega 2560 PC SD card Ultimaker 1.5.7pcb X-axis Homing Switch Y-axis Homing Switch A4988 Z-axis Homing Switch A4988 A4988 Step motor Y-axis Step motor Z-axis Step motor X-axis 圖4.硬件體系結構 g代碼是從連接的個人計算機或SD讀卡器的串行端口獲得的，收到的信息在Arduino mage 2560上進行分析和處理，然后發(fā)送給Ultimaker，通過GPIO信號達到1.5.7 pcb，pcb上的三個A4988芯片有助于發(fā)送控制信號來驅動步進器。此外，還有三個歸位開關提供信號脈沖來終止歸位過程，而末端執(zhí)行器重新到達目標位置。Arduino mega 2560是基于ATmega2560微控制器的主板。 它與Ultimaker 1.5.7兼容，且開發(fā)環(huán)境良好。該Ultimaker也是一個電路板，并能夠支持多達5個步進器。在我們提出的設計中只需要3個步進器。它采用高于12伏的電壓來驅動步進電機，以獲得更大的扭矩和更高的最大速度。其上的A4988芯片是全功能雙極微步進電機驅動器，內置翻譯器，處于停止，四分之一，八分之一以及十六分之一階段模式。使用這些芯片，步進器的控制變得更容易，更多的引腳可以執(zhí)行其他任務。 羅斯托克3D打印機是由Johann在美國西雅圖于2012年建造的線性三角洲3D打印機。Github和Thingiverse網(wǎng)站上發(fā)布了大量固件和相關開發(fā)工具。任何人都可以免費修改配置和軟件包以適合指定的機器。如圖5所示的原始圖像是為這個示例實現(xiàn)而構建的。 圖5. 羅斯托克3D打印機 最初如圖6所示從左至右移除平行連桿。 圖6.去除并行鏈接對的一個鏈接 因此，移動平臺能夠旋轉（偏航，俯仰和滾轉），但它變得不穩(wěn)定并且失去了重復性。這意味著對于給定的執(zhí)行機構位置不固定。為了保持穩(wěn)定，需要考慮一些限制條件。如圖2（b）所示，增加了三對彈簧。對稱彈簧提供平衡力并防止移動平臺偏航。在三對彈簧的作用下，移動平臺再次變得穩(wěn)定和可重復，并且還設計了一種新的控制該機器的算法。 B.軟件實現(xiàn) Marlin是選擇的開源項目，它結合了名為Sprinter和Grbl的兩個固件。它設計用于驅動控制面板，讀取g代碼，控制步進電機，控制擠出機，控制加熱器以及操作SD卡。軟件結構體系如圖7所示， Use Process Main process Main library Plan motion library Hardware Abstract Layer Hardware Drive Message receive/transmiter Stepper lib Servo lib Heater lib LCD lib SD library Serial library 圖7.軟件體系結構 我們專注于兩部分，包括運動算法和計劃運動庫。對于本文中的陳述，如圖8所示的笛卡爾坐標用于聲明符號，相對于x軸，y軸和z軸方向的旋轉定義為滾動，俯仰和偏航。 圖8.Cartesian坐標 此外，角度分別為a，b，和γ。對于擬議的聯(lián)動機制，提出一項新動議模型是為了計算逆運動學而建立的。由于彈性平衡，禁止偏航。根據(jù)提出的設計，移動平臺保持朝向基座的中心，如圖9所示， 圖9.移動平臺保持朝向基地的中心 我們假設在工作平面上有一個虛擬中心標記為C，然后觀察到移動平臺上中心的軌跡是半徑R到虛擬中心C的球體的一部分，如圖10（a）所示。如圖10（b）所示， 從左到右：（a）移動平臺上中心的軌跡（b）移動平臺的圓柱形工作空間（c）三角機器人的運動學模型（d）位置矢量圖 圖10.球形軌跡和幾何參數(shù) 當移動平臺沿著z軸方向移動時，該移動平臺在工作空間內以頂部和底部的一部分球體在圓柱形狀中移動。所提出的系統(tǒng)的幾何參數(shù)將基于圖10（c）中的符號和圖10（d）中定義的位置矢量來導出。P1，P2和P3是移動平臺的三個峰值。三個標記為T1，T2和T3的接頭將移動平臺連接到基座。因此，如圖10（c）所示，存在兩個協(xié)調系統(tǒng)：名為K（O-xyz）的固定全局協(xié)調系統(tǒng)和名為K'（O'-x'y'z'）的局部協(xié)調系統(tǒng)。關系在下面的（1）至（4）中給出。 OA=OB=OC=R O'P1=O'P2=O'P3=r 點A，B和C的坐標從以下（2）中獲得。 A=[Rcosπ6 Rsin-π6 Z] B=[Rcosπ2 Rsinπ2 Z] C=[Rcos-7π6 Rsin-7π6 Z] 類似地，從（3）獲得點P1，P2和P3的坐標。 P1=rcosπ6 rsin-π6 0 P2=rcosπ2 rsinπ2 0 P3=[rcos-7π6= rsin-7π6 0] 為了組合這兩個坐標，分析位置矢量。如圖11所示， 圖11移動平臺從點M移動到點T. 在從點M移動到點T的情況下。 OP1=OO'+O'Pi，i=1,2,3 OT=OM+Pm OP1=OT+Pt 其中OM和OT是從O到O'的向量，P，和P’是從位置M到T和從位置T到P1的向量，其中t=1,2,3。 由于矩陣計算是關聯(lián)性的而不是交換性的，因此確定旋轉矩陣的操作的排序是非常重要的。該順序表示根據(jù)哪個方向旋轉,請注意，提出的機器人不會偏航。我們的目標是在給出標記0的末端執(zhí)行器的位置時計算三個執(zhí)行器的坐標。如（5）所述，這些是T1，T2和T3，它們支配飛機Ti。 Ti=TiX Tiy Tiz，i=1,2,3 L2=(xi-Tix)2+(yi-Tiy)2+(Zi-Tiz)2，i=1,2,3 其中L表示三個聯(lián)系的公共長度。 然后導出下面的等式 Tiz=±L2-(xi-Tix)2-(yi-Tiy)2+Zi，i=1,2,3 在此示例實施中，第一項的符號選擇為負數(shù)。 Marline軟件包中名為calculate delta的函數(shù)計算執(zhí)行器與目標坐標的位置，主要針對新提出的逆運動學修改輸入。設置了一些基本配置來驅動使用過的主板以及步進器，并添加了名為DELTA FIXMID OFFSET的參數(shù)來表示移動平臺與虛擬中心C之間的距離。 4 實驗結果 檢查建議設計的正確性，并按本節(jié)所述評估準確性。首先，在MATLAB中實現(xiàn)一個邏輯模型，以便可視化地觀察狀態(tài)。其次，進行了驗證的物理實施，以證明其實用性和穩(wěn)定性。最后，給出了數(shù)值評估以顯示許多突發(fā)運行的性能。他們將在下面的小結中描述。 A. 如圖12所示， 圖12.邏輯模型以可視化方式呈現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù) 坐標在文本字段中給出，然后導出旋轉角度并顯示在以下兩個字段中。有了這個工具，移動手勢就清晰地展現(xiàn)出來了。 B. 物理驗證 為了驗證移動平臺有意朝向虛擬中心，實施的3D打印機制作了一個半徑5厘米，高7厘米，半球形的圓柱體，如圖13左側所示， 圖13.圓柱體和產(chǎn)生的半球。 該特性已經(jīng)過驗證，使激光筆處于法線方向。 圖14（a）表示當建議的3D打印機在固定高度移動并執(zhí)行球形運動時激光點穿過同心圖的軌跡， 從左到右：（a）產(chǎn)生圓柱體和半球的移動路徑 （b）側面圖14（a）。 圖14.保持向虛擬中心的檢查。 檢查了不同的旋轉角度0，并在IV-C部分給出了正確性和穩(wěn)定性。開始時，激光點被校準為與底座垂直。 激光指示器在末端執(zhí)行器上放置的任何輕微角度誤差都會產(chǎn)生大量的位置誤差放大距離效應。因此，我們用圖6（a）所示的六個螺絲擰緊激光指示器，它們便于調節(jié)角度和位置。 我們焚燒移動平臺，從工作區(qū)域的上限到下限遍歷，并多次返回原位。如果激光點停留在半徑為0.25mm的內圓區(qū)域，整個建議的系統(tǒng)應該是正確的，如圖15所示，15（b）經(jīng)過十次試驗后。從這個實驗結果來看，它已經(jīng)完成了。 從左到右（a）用六個螺絲調整位置和角度（b）激光指向有界區(qū)域 圖15.原始位置停留在內部圓形區(qū)域 C. 定量評估 安裝了5V激光指示器作為末端執(zhí)行器，并雇傭了一臺附加的網(wǎng)絡攝像機記錄實驗。定量評估以5個不同的旋轉度進行，測試程序使用OpenCV庫進行編碼，以便在機器執(zhí)行測試項目時記錄視頻數(shù)據(jù)。 我們計算了從激光指示器位置到工作平面中心位置的位置偏移量，正如第IV-B節(jié)所述的10次爆發(fā)錯誤。 在工作平面中心位置坐標為（307,183）的情況下，位置偏移形式的位置誤差如表1所示。每個像素代表0.192mm，通過測量的13個像素的0.25cm距離得出?？傊?，如圖16所示， 圖16.10次爆炸后旋轉角度不同的位置誤差 隨著旋轉度增加，位置偏移從0.7mm增加到2.91mm。錯誤來自不平衡的彈性和關節(jié)摩擦。這表明激光指向工作平面的軌跡組裝在中心位置的狹窄區(qū)域。因此，這種設計是穩(wěn)定的，準確性是可以接受的。我們還將我們提出的系統(tǒng)的生產(chǎn)性能與工業(yè)市場上的5軸數(shù)控機床的生產(chǎn)性能進行了比較，如表II所示。與具有相似的執(zhí)行球形運動能力的類似機器相比，發(fā)現(xiàn)成本顯著較低。 記錄的激光位置 旋轉角度 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 X位置平均 313.00 310.67 306.26 301.49 293.01 Y位置平均 185.75 186.41 187.52 184.73 180.68 最大錯誤 1.87 3.56 3.94 7.16 11.96 X坐標的最大誤差 1.35 2.88 3.13 6.44 9.42 Y坐標的最大誤差 1.29 1.92 2.41 3.13 7.37 產(chǎn)生性能的比較 機器 自由度 準確性 工作區(qū) 價格 CROSS-I I06ill, 3 0.005 900x600x600 1500000 AweaFV-960 5 0.01 960x600x480 1200000 CNC 3040 Table ColumnType Engraving Machine 5 0.02 300x400x150 50840 This Work 3 4 70x70x200 11000 5 結論和未來的工作 所提出的系統(tǒng)在Arduino mega 2560平臺上引入并實現(xiàn)，以獲得實驗結果，功能得以實現(xiàn)，位置偏移得到了良好的控制。該系統(tǒng)是一個很好的解決方案，可以滿足幾毫米精度的應用要求。 未來，電子彈簧被認為是集成在一起，以更精確的方式進行控制，以提高該系統(tǒng)的精度。 參考文獻： [1] B. Dasgupta and T. Mruthyunjaya, "T he stewart platform manipulator:a review," Mechanism and Machine Theory, vol. 35, no. I, pp. 15-40,2000. [2] G. Yang, I.-M. Chen, W. Chen, and W. Lin, "Kinematic design of asix-dof parallel-kinematics machine with decoupled-motionarchitecture," Robotics, IEEE Transactions on, vol. 20, no. 5, pp. 876-887, Oct 2004. [3] Y. Jin, I.-M. Chen, and G. Yang, "Kinematics analysis of a 6-dofselectively actuated parallel manipulator," in Robotics, Automationand Mechatronics, 2004 IEEE Conference on, vol. I, Dec 2004, pp.231-236 vol.l. [4] Indrawanto and A. Santoso, "Design and control of the stewartplatform robot," Asia International Conference on Modelling &Simulation, vol. 0, pp. 475-480, 2009. [5] M. Mamoon and Saifullah, "Inverse kinematics and path planning ofstewart platform using crank arm actuation system," in AppliedSciences and Technology (IBCAST), 2014 11th InternationalBhurban Conference on, Jan 2014, pp. 175-18. [6] F. Patane and P. Cappa, "A 3-dofparallel robot with spherical motionfor the rehabilitation and evaluation of balance performance," Neura lSystems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol.19, no. 2, pp. 157-166, April 2011. [7] X. You, W. Chen, S. Yu, and X. Wu, "Dynamic control of a 3-dofcabledriven robot based on backstepping technique," in Industr ialElectronics and Applications (ICIEA), 2011 6th IEEE Conference on,June 2011, pp. 1302-1307. [8] L. Angel, J. Bermudez, and O. Munoz, "Dynamic optimization andbuilding of a parallel delta-type robot," in Robotics and Biomimetics(ROBIO), 2013 IEEE International Conference on, Dec 2013, pp.444-449. [9] M. Aleksandrovich, S. Sergeevna, and M. Yurievich, "Determinationof motion freedom and direct kinematic problem solution of themechanism similar to delta robot," in Electrical Engineering,Computing Science and Automatic Control (CCE), 2014 11thInternational Co nf erence on, Sept 2014, pp. 1-5.