并联搬运机械手抓取执行机构及控制设计

论文摘要

在电子、食品和医药等轻工业领域,需要机械手对轻小物料进行高速中、短距离抓取、搬运和放置等操作。如何实现这类机器手的高速、高精度运动控制一直是机器人技术研究的难点和热点问题,具有重要的意义。该文研究了一种三自由度混联机械手及其手爪的运动学理论、控制策略、控制器参数整定、控制算法、电路设计等关键技术,设计了用于对体积小、质量轻物品进行高速自动抓取的并联机械手Diamond600的控制系统和气动手爪控制子系统,特点是对机械臂的整体控制采用先进的并联控制架构,气动机械爪则在阀控系统的系统上增加一个回路,变为泵阀双重闭环控制系统；在此基本思路上对每个PID控制参数进行整定,改进了电路,构建了合适的控制系统软硬件平台,以及引入DeviceNet现场总线以实现远程控制功能。文章首先介绍了并联机械手控制方法的分类和难点,分析了Diamond600机械手控制软硬件系统及手爪分类、功能。其次在参考原NI系统结构基础上研究了该二平动自由度高速轻型并联机械手的控制技术,即以三轴运动控制卡+PC构筑了系统硬件平台；探索进一步引入DeviceNet现场总线用以远程遥感操作的可行性；并选择了控制策略,采用位置、速度和电流三个反馈闭环,选择合适的方法对每个PID控制参数进行整定。最后通过实验验证了系统的可靠性,并采用前馈控制来计算系统的前馈传递函数。本文重点设计了整个机械手控制系统和手爪控制子系统的软硬件,特别选择了泵阀双重闭环的手爪控制子控制系统,同时改进了电路,设计LabVIEW与机械手接口的软件及控制系统主函数后并用Delphi语言编写了全套手臂、手爪控制程序,并用FLASH编写了系统操作学习子程序。最后,通过实验获得了机械手末端执行器和手爪的各项运动参数曲线,,对系统参数进行补偿。结果证明控制效果良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 机械手控制器类型
• 1.2.1 串行处理结构
• 1.2.2 并行处理结构
• 1.3 机械手控制器存在的问题
• 1.4 并联与串联机械手控制的不同和难题
• 1.4.1 并联机械手的运动学分析
• 1.4.2 并联机械手的动力学分析
• 1.4.3 并联机械手的奇异位置分析
• 1.5 国内外并联机械手控制技术研究现状和发展趋
• 1.5.1 国内外并联机械手控制技术研究现状
• 1.5.2 发展趋势
• 1.6 本文的研究目的和研究内容
• 第二章 控制系统分析
• 2.1 控制对象的动作要求
• 2.1.1 手爪简介
• 2.1.2 手爪的功能要求
• 2.2 原NI系统的组成及接口软件
• 2.2.1 硬件结构
• 2.2.2 软件系统
• 第三章 控制系统设计
• 3.1 控制系统设计要点
• 3.1.1 系统总体设计
• 3.1.2 PID控制参数整定
• 3.1.3 远程采用DeviceNet现场总线
• 3.2 手爪控制子系统设计
• 3.2.1 泵阀并联控制系统设计
• 3.2.2 阀控制电路设计
• 3.3 系统软件设计
• 3.3.1 LabVIEW与机械手接口的软件及控制系统主函数设计
• 3.3.2 手爪控制程序设计
• 3.3.3 机械手控制学习模块实现
• 第四章 实验及结果
• 4.1 实验准备
• 4.1.1 实验目的
• 4.1.2 实验平台
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 误差测量
• 4.2.2 手爪控制系统精度测试
• 4.2.3 实验获取系统参数
• 4.2.4 数字PID算法在精密并联机构中的实际应用
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 误差测量结果
• 4.3.2 机械手控制系统精度测试数据
• 4.3.3 实验最终获得的系统参数
• 4.4 实验结果讨论
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录