便携式机器人精度测量系统设计毕业设计论文(2)

目前在市场上，用于机器人静态精度标定的测量系统包括双经纬仪位姿测量系统、三坐标机及关节型多杆随动测量系统。用于机器人动态精度标定的系统主要有激光跟踪系统、CCD 交互测量系统、超声波测量系统、位置测量系统和带有接近传感器的测量系统。这些测量设备成本高、测试方法繁琐，而且用于机器人标定需开发专用的软件模块，因此该类设备不适于现场快速测量与校准。

美国Dynalog公司于上世纪90年代开发出CompuGauge机器人性能测试系统，主要通过角度编码器计量4条拉绳的长度，从而实时计算出机器人的末端位姿，测量精度较高，且操作简便，能够在几分钟之内完成自动测量和标定过程，该产品一经问世就受到世界范围内机器人制造商的关注。近年来，Dynalog公司基于相同原理开发出了操作方式更简单，更便于携带、可现场完成机器人精度测量和标定的产品DynaCal 和DynaCal-Lite，如今国内外主要机器人制造厂商纷纷购买该产品，用于机器人产品的出厂检测和标定。然而由于其价格昂贵(约60万)，难以满足终端用户的机器人快速校准需求。

- 3 -

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

本课题结合机器人用户对快速测量和标定装置的需求，拟设计一种低成本便携式机器人精度测量系统，包括机器人末端适配装置设计、拉绳式恒张力张紧系统设计以及数据采集系统的软硬件设计，为机器人精度测量与标定系统的开发奠定基础。1．5 课题研究内容与参数要求

本课题结合工业机器人用户对快速测量和标定装置的需求，主要研究的内容如下：

1. 掌握拉绳式测量装置的工作原理，基于Solidworks三维软件完成测量装置的概念设计。

2. 借助CAD软件完成测量装置的主要结构件设计，包括机器人末端万向适配器、弹簧张紧系统、低惯量密绕装置、万向轮等主要部件的设计和标准件选型。

3. 完成所有零件图和总装图绘制，并在三维软件中建立虚拟样机模型。

4. 根据测量精度要求进行角度编码器及数采装置的选型，开发数据采集接口软件，实现编码器数据的实时读取和记录。

测量系统技术指标按如下参数设计：

1.测量系统精度：0.01mm

2.有效测量长度：3m

3.采样率：1kHz

4.质量：小于3kg

具体要求如下：

1. 完成测量装置虚拟样机设计，提交渲染图片。

2. 完成并提交一套测量装置主要结构件的零件图和总装图，数采系统接线图。

3. 根据毕业设计要求完成毕业设计说明书工作。

2 总体方案的确定

便携式机器人精度测量系统主要包括两大部分：距离测量装置和末端适配机构。距离测量装置能够测量并记录基点到机械手末端的距离，末端适配器能够灵活的转动以适配机械手末端的各种运动。

- 4 -

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 5 - 2．1 距离测量装置的方案确定

图2.1 距离测量装置方案简图

图中各零件分别是：1（上壳体）、2（钢丝绳）、3（滚动轴承）、4（下壳体）、5（发条弹簧壳体）、6（发条弹簧）、7（光电编码器）、8（主轴）、9（直线轴承）、10（鼓）、11（上壳螺纹结构）

本方案中，10（鼓）和8（主轴）在旋转方向上是没有相对转动的。鼓的上部开孔并有内螺纹，零件11（螺纹结构）上有外螺纹与鼓上的螺纹孔相配合，使线轴上下平移。拉绳缠绕在10（鼓）上，而且螺纹的螺距与拉线的直径相等的或略大于拉绳的直径d 。这样鼓旋转一周的同时，垂直方向上移动的距离正好为d ，因此可以保证钢丝绳在缠绕时会一圈一圈平铺在鼓上，而不会发生层层重叠缠绕的情况。

2．2 末端适配器的方案确定

图2.2 末端适配器三维方案图

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 6 -

图2.3 末端适配器二维方案图

末端适配器的内U 型件和机械手末端固定环之间、外U 型件与内U 型件之间都是通过销钉相连接，并且安装有轴承。本装置采用虎克铰链的结构，外部和内部两个铝合金的U 型件相互铰接构成虎克绞的结构两个U 型件分别可以在水平和竖直两个方向上灵活转动，这样可以使拉绳适应机器人任何运动姿态。钢丝绳的末端连接在外U 型件的螺钉处，无论机械手怎么运动，螺钉始终会在一个球面（半径记为R ）上运动，球心正好位于被测量机器人的末端上。

3 便携式机器人精度测量系统的详细结构设计

3．1 便携式机器人精度测量系统的结构组成

如下图3.1所示，便携式机器人精度测量系统主要由三部分组成，分别为：低惯量密绕装置、弹簧张紧装置、万向轮、末端万向适配器和外保护壳等。

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 7 -

图3.1

便携式机器人精度测量系统的主要结构组成 3．2 便携式机器人精度测量系统的工作原理

3.2.1 距离的测定

钢丝绳一圈挨一圈紧密缠绕与低惯量密绕系统的鼓上，光电编码器与主轴连接在一起，随着主轴的转动，光电编码器会实时记录主轴的转角，转角乘以鼓的周长可以计算出钢丝绳的伸长量S 。

d n s π?=3600

上式中n 表示编码器记录的脉冲数；d 表示鼓的直径。

设初始伸长量为L 0

()mm L 36.12333810100220=++-=

设测量装置A 到机械手末端P 的距离为L ：

R L s L ++=0

上式中R 表示挂钩螺钉运动时始终所在球面的半径

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 8 - 3.2.2 机械手末端坐标的测定

在距离测定的基础上，本装置可以测定机械手末端在空间中的坐标，能够用于机械手末端运动轨迹中离散点的标定。

图3.2 便携式机器人精度测量系统工作原理图

记P 点坐标（x,y,z ），将测量装置先后安装到工件坐标系0XYZ 中三个已知点A1、A2、A3上，可以测得其到P 点的距离分别为l 1，l 2，l 3

在支链O A1P 根据机构学中的封闭矢量法有：

A OA 11+=

11A -= 即????

??????-??????????=1111z y x z y x A 两边同时取模方： 得21

11

21z z y y x x P A ---=

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 9 - 同理：22

22

22z z y y x x P A ---=

23

33

23z z y y x x P A ---=

即()()()()()()()()()???

????-+-+-=-+-+-=-+-+-=232323232222222221212121z z y y x x l z z y y x x l z z y y x x l （3-1）

三个方程三个未知数，由上式即可解出机器人末端点P 的坐标（x,y,z ）。

3．3 低惯量密绕装置的设计

3.3.1 低惯量密绕系统的工作原理及组成

低惯量密绕装置是整个系统设计的关键之处，直接影响着测量系统的精度。拉绳是机器人精度的测量介质，所采用拉绳的直径为0.5mm 。拉绳缠绕在密绕装置上时要保证不能重叠缠绕，否则会使测量数据产生误差。

本设计中采用了特殊螺距的螺纹结构，使密绕装置沿轴向上下运动。而且螺纹的螺距与拉线的直径相等，这样使得拉绳每缠绕一周，密绕装置在竖直方向上向上或者向下移动拉绳直径那么大的距离即0.5mm,这样便保证细绳平铺缠绕在密绕装置上。

低惯量密绕系统主要包括以下几部分：主轴、鼓、直线轴承与滚动轴承、导向轴和钢质螺纹套。

3.3.2 主轴的设计

主轴是系统中最主要的回转部件，主轴首先要求较低的惯量，其次由于主轴是一个细长轴，也要求有一定的刚度，防止出现主轴弯曲而产生测量误 …… 此处隐藏：2788字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……