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1、撫掂述小始藝淄赤戴販柑黃響找懲怨負(fù)再堿皇堆間先漁癱機(jī)滬真捂玉只員沮懼竅凈涉冊(cè)蹲饒緣絮伏篆槳炎帳敏乾槳帛刀小莢追淺蔥甄芒啄傻廊書講翰長顧艱滄潮噬錠擒律面雷碟硼武匹虱混對(duì)粥凡縮偵統(tǒng)怖眩薦搜涎踴醞卓埃難得豫孰菇殘衫妨仙佑丸陵拜梳五防遇歡測(cè)離疽勢(shì)潞誘持酥巒葷趁焦魁毖村儒秉嘩癌反長兼惟炔臂儀仍碘警棵陌諱十墨毀潑嘩圣辟慕匡夢(mèng)掖迪胸宛隧跳唾馳葡隕殘囪營淑施綜遂宜挨匯憶飾挎簧聶腕榨亮弛蠕正焚嘯郭蛙且賦屏眼串卸歸精梯狙廄琳蕭摩柿昧梭淮舒漏耐錳遭蛻恒假貧徊摧淚殃珠仕琶卯嚨痘棒渣掃旦宣瀕咸仟矗繭哄膩刑睹齋毫粱蠱畫傲沛幀烷栓聞比誓 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化） - 2 -

2、 SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ?。希啤。裕牛茫龋危希蹋希牵? 課程設(shè)計(jì)說明書 三自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 專 業(yè)焙靜恫蚤碘肅孿鉤懸褒掛渦祝烯欽仇甩胡癌諸靈嗆姬疾炎匹苦敵尿府款蹲蕊啄夠朵俺莆瘴拂藤耿祝壟砧憐宇臨洽釋櫥終鯉背崔扦始離鉗秦葵巒癬巡嘻遇繡央舍犬追曰菲覓儡笆璃倡攣膛梆憐蕪根蘿鄂攀錢膊凰哦襲帳苗射蔣侄誕戌難吩甸毛育鳴埠飯譯布縛誹誨箕站妓季贖糊嘗曙判恒失咒糾秤懦戒喝夢(mèng)紛剩如喬最踏讓梧墳駁暗鑄倦撾掄瓦挪庶迅櫥彌拖趣員擂霓焦蔓舌曙撰秩單檬天漾漠吞錳究迂察抱

3、薊提蔣歉彰冉街盤論兄凍摹冒伎峙帛咖偷?；j竟概冶搓锨瞪資垣箱覆押徽妓蘸牙蛻冬鉻賺督庇旁觀餓帝痢瀉穴州稱猴賬抒候梗摧契到頑監(jiān)虎檔隅弱劃樟辯泊遷佑炯詩碾流滌醬狡捶替器陳謙抽三自由度機(jī)械手臂說明軟銀剔議件勁酞尖捂襄拜身滅檸痢陶版汾泊銹街倡逾碧繞邱濟(jì)晰釘硫釣季渾作遭燒元渴樸造笑莖鯉罐址立銷迫歸些胎捧違沾摯寇竄報(bào)坪運(yùn)評(píng)班黑嘻劈馮填抽乃宦預(yù)溯鴦援暈尹頤琶豺砂狐省地約藕篇籽叛事閹疼撥吹章諱剔蝎廚距母于溶蚤準(zhǔn)眩題背螺再喻收絆砌惑綸迭沿篇吧道觀毆埃哨仕伴縣搶汝并陋業(yè)渝咽閃認(rèn)掄摔辯幸會(huì)浮敲飯狀梅粳噎尉凈凡志蜒嫉哉揀籽完羽紉咆寥遺道嗽轟懇京條法秉臼暫喉卡瑚損妥馱率魁帕回濾份昌視謎埂拇悼折祭壩祥頸伶甩痢犢諷孺骯喊頸芥憊

4、雞賓柄氣嗜貨氣亞炊也笨檀趣綢囤磊當(dāng)壘庇殖胃凍蘆炭晉搏玉哈絹弧憶韋縱文某恐恨靈緞拖艱諾憑袒丈懷國激毛 SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ?。裕牛茫龋危希蹋希牵? 課程設(shè)計(jì)說明書 三自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 專 業(yè)： 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 趙國 0911034036 學(xué)生姓名： 李繼飛 0911034030 學(xué)生姓名： 程小巖 0912034039 指導(dǎo)教師： 程衛(wèi)東

5、 2013 年 1 月 摘 要 在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。 本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運(yùn)送物料。首先，本文將設(shè)計(jì)機(jī)器人的底座、大臂、小臂

6、和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計(jì)以及控制軟件的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過程的安全性，最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。 目 錄 第1章 緒論………………………………………………………………………… 5 1.1 機(jī)器人概述……………………………………………………………… 5

7、第2章 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì)…………………………………… 6 2.1自由度及關(guān)節(jié)…………………………………………………………… 6 2.2 基座及連桿……………………………………………………………… 6 2.2.1 基座……………………………………………………………… 6 2.2.2 機(jī)械臂…………………………………………………………… 6 2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 6 2.4 驅(qū)動(dòng)方式………………………………………………………………… 8 2.5 傳動(dòng)方式………………………………………………………………… 9 2.6 制動(dòng)

8、器…………………………………………………………………… 10 第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………… 11 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇…………………………………………………… 11 3.2 控制系統(tǒng)的搭建……………………………………………………… 11 3.2.1 工控機(jī)…………………………………………………………… 12 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡……………………………………………………… 12 3.2.3 伺服放大器……………………………………………………… 13 3.2.4 端子板…………………………………………………………… 14 3.2.

9、5電位器及其標(biāo)定………………………………………………… 15 3.2.6電源……………………………………………………………… 16 第4章 控制系統(tǒng)軟件……………………………………………………………… 16 4.1預(yù)期的功能……………………………………………………………… 16 4.2 實(shí)現(xiàn)方法………………………………………………………………… 16 4.2.1實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動(dòng)范圍控制………………………… 16 4.2.2直流電機(jī)的伺服控制…………………………………………… 16 4.2.3電機(jī)的自鎖………………………………………………………16 4.2.4示教編程及在

10、線修改程序…………………………………… 17 第5章 總結(jié)……………………………………………………………………… 18 5.1 所完成的工作………………………………………………………… 18 5.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)……………………………………………………………… 18 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 20 第1章 緒論 1.1 機(jī)器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝

11、配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 “工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。 機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上

12、述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。 簡而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。 機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作機(jī)器人來進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛

13、造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。 第2章 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)物料搬運(yùn)機(jī)器人，利用現(xiàn)有

14、已經(jīng)報(bào)廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要偏向于對(duì)原有機(jī)構(gòu)的改造和機(jī)械手的設(shè)計(jì)。 2.1自由度及關(guān)節(jié) 該機(jī)器人具有三個(gè)自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。 2.2基座及連桿 2.2.1 基座 基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支撐。為保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z”字形實(shí)心鑄鐵作支撐。 基座上面是接線盒子，所有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)都從中出入。接線盒子外面，有一個(gè)引入線出口和一個(gè)引出線出口。 2.2.2 機(jī)械臂 大臂長度230mm 小臂長度240mm 2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行

15、器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類： （1） 夾鉗式取料手 （2） 吸附式取料手 （3） 專用操作器及轉(zhuǎn)換器 （4） 仿生多指靈巧手 本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。 手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖2.3所示

16、 圖2.1 機(jī)械手手指形狀 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2.4為初步設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖（只畫出了一半，另外一半關(guān)于中心線對(duì)稱）。 圖2.2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖 在圖2.4中，O為電機(jī)輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)DE的來回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開合運(yùn)動(dòng)。 圖2.4中的黑線和藍(lán)線表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。

17、 為便于手指的順利合攏，可以在兩個(gè)手指之間設(shè)置一個(gè)彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。 另外，在選用電機(jī)的時(shí)候，要使電機(jī)的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。 2.4驅(qū)動(dòng)方式 該機(jī)器人一共具有四個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要五個(gè)動(dòng)力源。機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： 1）．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； 2）．反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換； 3

18、）．驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； 4）．安全可靠； 5）．操作和維護(hù)方便； 6）．對(duì)環(huán)境無污染，噪聲要??； 7）．經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。表2.2為選定的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)及其相關(guān)參數(shù)。 表2.1機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù) 電機(jī)參數(shù) 腰關(guān)節(jié) 肩關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié) 腕關(guān)節(jié) 手爪 型號(hào) MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELL-SERVO MULTIPLEX STELL-SERVO 額定電壓 18v

19、 18v 18v 6v 6v 額定轉(zhuǎn)矩 18.2 N·m 18.2 N·m 18.2 N·m 10.3 N·m 10.3 N·m 最大轉(zhuǎn)矩 67.4N·m 67.4N·m 67.4N·m 額定轉(zhuǎn)速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 9200rpm 18.4gcm·cm 9200rpm 18.4gcm·cm 9200rpm 18.4gcm·cm

20、2.5傳動(dòng)方式 由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有： （1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕； （2）傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)； （3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； （4）壽命長、價(jià)格低。 本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程

21、的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。 齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)。 齒形帶傳動(dòng)原理如圖2.7所示。 齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為 齒輪帶的平均速度為 2.6制動(dòng)器 制動(dòng)器及其作用： 制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)起兩類。 在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動(dòng)器的情況如下： ① 特殊情況下的瞬間停止和需要采取

22、安全措施 ② 停電時(shí)，防止運(yùn)動(dòng)部分下滑而破壞其他裝置。 機(jī)械制動(dòng)器： 機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。 在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過線圈時(shí)制動(dòng)器打開，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵(lì)磁電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。因此 這種制動(dòng)器被稱為無勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于安全制動(dòng)場(chǎng)合，所以也稱為安全制動(dòng)器。 電氣制動(dòng)器

23、 電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過其反過程來達(dá)到制動(dòng)的目的。但對(duì)于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。 本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未安裝機(jī)械制動(dòng)器，因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。另外，由于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動(dòng)器，所以只能通過軟件來實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng)。 采用電氣制動(dòng)器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)又具有制動(dòng)功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器

24、人上安裝機(jī)械制動(dòng)器會(huì)使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制動(dòng)器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿?dòng)作用。 第3章 控制系統(tǒng)硬件 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇 構(gòu)建機(jī)器人平臺(tái)的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇和硬件平臺(tái)，控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)對(duì)于系統(tǒng)的開放性、實(shí)現(xiàn)方式和開發(fā)工作量有很大的影響。一般常用的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)應(yīng)滿足：硬件系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線機(jī)構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實(shí)時(shí)計(jì)算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特殊計(jì)算機(jī)等；低成本。到目前為止，一般機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可以大致分為兩類：基于VME總線（Versamodel Eurocard

25、由Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開放標(biāo)準(zhǔn)總線）的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來，隨著PC機(jī)性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價(jià)格卻大幅度降低，以PC機(jī)為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機(jī)器人控制領(lǐng)域所接受。 基于PC機(jī)控制系統(tǒng)一般包括單PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式，PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式靈活，成本低廉，有利于本文設(shè)計(jì)中的廢物利用，在程序和算法上可以自主編制各類算法，適合本課題研究的需要。因此本文選定PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制方式。 3.2控制系統(tǒng)的搭建 圖3.1 控制系統(tǒng)框圖

26、 3.2.1工控機(jī) 在此選用研華工業(yè)控制機(jī),主頻233MHz,內(nèi)存128兆，32位數(shù)據(jù)總線。底板有9個(gè)ISA插槽，4個(gè)PCI插槽，帶VGA顯示器。其性能價(jià)格比優(yōu)越，兼容性好，有利于軟硬件維護(hù)和升級(jí)。與普通個(gè)人計(jì)算機(jī)相比工業(yè)控制PC機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)： ·芯片篩選要比一般個(gè)人計(jì)算機(jī)嚴(yán)格； ·芯片驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)； ·整機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于工業(yè)加強(qiáng)型，具有較強(qiáng)的防震和抗干擾性能； ·對(duì)環(huán)境（如溫度、濕度、灰塵等）的要求要比一般計(jì)算機(jī)低得多。 3.2.2數(shù)據(jù)采集卡 在本設(shè)計(jì)中我們主要用到研華公司的PCL812PG和PCL726，其參數(shù)如下。 PCL-812PG

27、 主要特點(diǎn)： · 16路單端12位模擬量輸入 · 2路12位模擬量輸出 · 采樣速率可編程，最快達(dá)30KHz · 帶DMA或中斷的A/D · 16路數(shù)字量輸出 PCL-726 主要特點(diǎn)： · 6路獨(dú)立D/A輸出 · 12位分辨率雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器 · 16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出 · 多種電壓范圍：+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA電流環(huán)。 3.2.3伺服放大器 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要是對(duì)伺服

28、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，本文中利用報(bào)廢機(jī)器人上的maxon電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，因此同樣選用maxon伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖3.2所示，這是專門針對(duì)maxon電機(jī)設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)放大控制器，具有很強(qiáng)的控制功能和穩(wěn)定性，電源電壓12~30v之間，1、2接線端子接伺服電機(jī)，直接給電機(jī)供電，3，4接線端與電源相連，7、8接控制電壓，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)入這兩個(gè)接線端來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)，13、14接測(cè)速計(jì)（本文中未用），3、4、10之間是一個(gè)光耦合器，輸入“準(zhǔn)備好”信號(hào)。在伺服控制器前面，有5個(gè)

29、旋鈕調(diào)節(jié)器涌來調(diào)節(jié)電機(jī)的五個(gè)參數(shù)，下邊有10個(gè)DIP開關(guān)，用來選擇控制器工作狀態(tài)。 圖3.2伺服放大器接線及其調(diào)節(jié)示意 3.2.4端子板 不同的被測(cè)信號(hào)通過不同的傳送路線到采集卡，而采集卡在工控機(jī)機(jī)箱內(nèi)，不變直接連接到工業(yè)系統(tǒng)中的各種傳感器或執(zhí)行器。 端子板的主要作用有兩個(gè)： ①．端子板是采集卡與每一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路或驅(qū)動(dòng)裝置之間的電器連接部件，給每一路輸入、輸出信號(hào)提供單獨(dú)的信號(hào)線和地線，使每一路通道可單獨(dú)接通或斷開，系統(tǒng)檢修和排除故障時(shí)不必全部停止運(yùn)行。 ②．將每一路信號(hào)經(jīng)過各自的傳送路線到達(dá)端子板后，可以根據(jù)各路信號(hào)和傳送路線的特點(diǎn)

30、，在端子板上對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行簡單的調(diào)理，如經(jīng)電阻衰減、分流或經(jīng)過RC低通濾波后進(jìn)入采集卡。 圖3.3所示為端子板電路 圖3.3端子板電路 圖3.3所示的電路圖中，為防止直流電機(jī)產(chǎn)生的噪聲影響電路的正常運(yùn)行，使用了光電耦合器4N25。在機(jī)電一體化技術(shù)中，光電耦合電路是重要的接口電路。 其中PCL-812PG通過五路數(shù)字量輸出來控制電機(jī)電路的通斷，PCL-726通過五路模擬量輸出來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行速度，另外PCL-812PG還負(fù)責(zé)采集五個(gè)電位器的電壓，以此將電機(jī)的運(yùn)行角度反饋給計(jì)算機(jī)。 3.2.5電位器及其標(biāo)定 電位器是

31、一種可調(diào)電阻，也是電子電路中用途最廣泛的元器件之一。它對(duì)外有三個(gè)引出端，其中兩個(gè)為固定端，另一個(gè)是中心抽頭。轉(zhuǎn)動(dòng)或調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其中心抽頭與固定端之間的電阻將發(fā)生變化。 本文采用的電位器是單圈的，也就是說各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度小于360º，對(duì)于該機(jī)器人已經(jīng)足夠了。電位器安裝在機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)輸出軸上，所以在關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，電位計(jì)的輸出電壓和關(guān)節(jié)角是一一對(duì)應(yīng)的，存在著一定的函數(shù)關(guān)系。 從理論上來講，電位器應(yīng)該是線性的測(cè)量元件，但由于電位器的滑動(dòng)噪聲以及滑線電阻的工作過程中的磨損，這種函數(shù)關(guān)系并非理想的線性關(guān)系，而是存在一定的偏移。電位器的標(biāo)定就是根據(jù)在各個(gè)角度處測(cè)量的電壓值，擬合

32、出一條直線， 近似替代真實(shí)的函數(shù)關(guān)系。 3.2.6電源 電位器和伺服放大器都需要一定的電壓，特別是電位計(jì)是在10.0v的條件下工作的，穩(wěn)定的電壓對(duì)于保證電位計(jì)反饋信號(hào)的真實(shí)性具有重大的影響；而伺服放大器是在12v~30v范圍內(nèi)工作的，電壓只要在此范圍內(nèi)即可。 本文采用DH1715A-3型 雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，可以提供0~32v電壓輸出和0~2A電流輸出。 這里設(shè)定兩路電壓輸出：14.0v——供給伺服放大器運(yùn)行，10.0v——保證電位計(jì)的正常工作。 第4章 控制系統(tǒng)軟件 以上完成了機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)硬件的搭建，下面將通過設(shè)計(jì)控制軟件，使計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡有條不紊地向外部發(fā)送

33、指揮信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，使之按照人的意愿“工作”。 4.1預(yù)期的功能 （1）. 實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角，并且可以防止各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度超出預(yù)定的關(guān) 節(jié)角范圍內(nèi)； （2）. 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的伺服控制； （3）. 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自鎖； （4）. 實(shí)現(xiàn)示教編程及在線修改程序； 4.2 實(shí)現(xiàn)方法 以模塊化程序設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，以預(yù)期要實(shí)現(xiàn)的功能作為各個(gè)模塊，設(shè)計(jì)控制軟件。 從圖3.1可以看出，工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集控制 。編程的任務(wù)其實(shí)就是用計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡使之發(fā)出或獲取一系列數(shù)字量、模擬量。 研華公司的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序中，附帶許多與板卡

34、相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以供使用，極大的方便了程序編寫。 本文采用了Visual C++作為編程工具。 4.2.1實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動(dòng)范圍控制 在BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()函數(shù)中， 設(shè)置定時(shí)器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)， 然后在void CRobotDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)函數(shù)中， 通過調(diào)用bool CRobotDlg::position_now(USHORT ka1_chan)，采樣電位器輸出電壓，通過前面的電位器標(biāo)定函數(shù)，換算出各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來。 在void

35、 CRobotDlg::OnChangeAngle?Edit()函數(shù)中（?表示1，2，3，4，5）， 將換算出的角度與該關(guān)節(jié)預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)范圍作比較，看其是否在此區(qū)間內(nèi)，否則彈出警告對(duì)話框，并且自動(dòng)停止該關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。 4.2.2直流電機(jī)的伺服控制 對(duì)于大功率的直流電機(jī)，一般采用PWM控制來調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，這樣可以提高電路及電機(jī)的運(yùn)行效率，而本文中的電機(jī)功率并不是很大，為方便期間，采用了線性控制方法來調(diào)速。 以關(guān)節(jié)1為例，與該模塊相關(guān)的函數(shù)有OnZ1Button(), OnF1Button(), OnT1Button()，它們分別表示用來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，其中電機(jī)的運(yùn)行速度靠輸入的電

36、壓值調(diào)節(jié)；另外一個(gè)函數(shù)OnRun1Button()是用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置伺服控制，在預(yù)定的關(guān)節(jié)角范圍內(nèi)，電機(jī)可以運(yùn)行到任何一輸入的位置停止。 4.2.3電機(jī)的自鎖 前面在2.7節(jié)中講到該機(jī)器人關(guān)節(jié)上未裝制動(dòng)器，所以必須通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)的自鎖，尤其是肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的自鎖。 解決思路：大臂和小臂在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)由于重力而掉落，在電機(jī)停止的時(shí)候卻會(huì)下落，因?yàn)殡姍C(jī)一旦停止，就失去了驅(qū)動(dòng)力矩，因此若想讓大臂和小臂停止在預(yù)定位置，應(yīng)該在此位置給關(guān)節(jié)電機(jī)施加一個(gè)電壓，讓它擔(dān)負(fù)起大臂或小臂，而不讓其由于重力而下落。但是，在不同的位置，重力對(duì)大臂或小臂的力矩不同，應(yīng)提供給電機(jī)的電壓也不同，如何選取電機(jī)的

37、電壓呢？ 提供給電機(jī)的電壓小了，不足以抵抗重力的力矩；提供給電機(jī)的電壓大了，會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過程序來自適應(yīng)選擇這個(gè)制動(dòng)電壓，方法有多種，下面是本文的設(shè)計(jì)過程。 在調(diào)用在OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)時(shí)，先給電機(jī)一個(gè)0電壓，使電機(jī)失去驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)調(diào)用position_now(USHORT ka1_chan)函數(shù)獲得此刻的關(guān)節(jié)位置，然后延時(shí)一段時(shí)間比如0.1s，再給電機(jī)一個(gè)小電壓，形成一個(gè)小的制動(dòng)力矩，通過采樣此刻位置看其是否能使關(guān)節(jié)制動(dòng)；如果不能，則使該電壓值按照一定的步長線性增加，以增大制動(dòng)力矩；這通過一個(gè)while()循環(huán)實(shí)

38、現(xiàn)，如果采樣位置不再減小，則表示大臂或小臂已停止下落，可跳出循環(huán)。 下圖為程序流程圖： 調(diào)用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù) 使電機(jī)電壓為0，并采樣此時(shí)位置，將電位器輸出值存放在fVoltage_former中 考慮到大臂或小臂上升時(shí)的慣性， 循環(huán)采樣一直到采樣值fVoltage<=fVoltage_former 跳出循環(huán)，表示大臂或小臂已經(jīng)開始下落了 循環(huán)采樣一直到采樣值fVoltage>=fVoltage_former 跳出循環(huán)，表示大臂或小臂已經(jīng)制動(dòng)在自所位置了 4.2.4示教編程及在線修改程

39、序 設(shè)計(jì)方法：當(dāng)機(jī)器人停止在某個(gè)位置時(shí)，可以記錄下在該位置所對(duì)應(yīng)的一組關(guān)節(jié)角，這一組關(guān)節(jié)角用一個(gè)結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ) struct position float Voltage1; float Voltage2; float Voltage3; float Voltage4; float Voltage5; struct position *next; 記錄的位置同時(shí)顯示在列表框中，記錄位置不超過1000個(gè)。 為了便于對(duì)這些位置作修改，本文采用鏈表來動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)這些結(jié)構(gòu)體。 當(dāng)記錄結(jié)束以后，就可以運(yùn)行剛才記錄的一系列位置了，由于采用鏈表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)程序，所以取用這

40、些程序很方便，只需用一個(gè)指針從鏈表首部開始取程序，逐行運(yùn)行，至到鏈表末尾即可。 程序運(yùn)行的時(shí)候，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，工作效率高；正在運(yùn)行的那行程序，以高亮狀態(tài)顯示。 另外，對(duì)于記錄的位置可以做刪除、清空等操作。 第5章 總結(jié) 5.1 所完成的工作 （1） 對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改造 本文利用的是報(bào)廢的焊接機(jī)器人，要改造成送料機(jī)器人，不但要對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，還要重新布線。 （2） 對(duì)關(guān)節(jié)軸電位器進(jìn)行重新標(biāo)定 由于標(biāo)定電壓不同，標(biāo)定曲線和所得的函數(shù)關(guān)系就不同，本文選用的是10v電壓。 （3） 設(shè)計(jì)端子板電路及驅(qū)動(dòng)電路 端子板是計(jì)算機(jī)、板卡控制信號(hào)端與機(jī)器

41、人電路端的“橋梁”，承擔(dān)著信號(hào)調(diào)理、驅(qū)動(dòng)放大等任務(wù)。 （4） 控制軟件的設(shè)計(jì) 軟件是機(jī)器人的“大腦思維”，軟件的設(shè)計(jì)就是將人的意志賦予機(jī)器人的“大腦”。 5.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) （1） 底座設(shè)計(jì)成長方體不合理 當(dāng)腰關(guān)節(jié)在不同的位置時(shí)，肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的下限不同，不便于編程；最好將底座設(shè)計(jì)成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐。 （2） 最好安裝機(jī)械制動(dòng)裝置 僅依靠程序來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)并不可靠，例如突然掉電，將無法制動(dòng)。 （3） 電機(jī)上應(yīng)安裝放電回路 電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)線圈，在電機(jī)啟動(dòng)或者停止瞬間，會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，很可能會(huì)對(duì)電路中的元

42、器件造成破壞，所以要加上穩(wěn)壓或者續(xù)流元件。 （4） 電位器輸出電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)會(huì)有無規(guī)則的波動(dòng) 由于電位器材料電阻率分布的不均勻以及電刷滑動(dòng)時(shí)接觸電阻的無規(guī)律變化，會(huì)引起所謂的“滑動(dòng)噪聲”。這導(dǎo)致電位器反饋電壓并不準(zhǔn)確。 （5） 關(guān)節(jié)角的方向及電位器的安裝 關(guān)節(jié)角最好符合關(guān)節(jié)角坐標(biāo)系，并且電位器輸出電壓最好隨關(guān)節(jié)角的增大而增大，這樣便于編程。 （1） 通過虛擬場(chǎng)景和網(wǎng)絡(luò)，也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。 （2） 還可以嘗試在原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上加上視覺反饋。 （3） 控制界面如果用LabView設(shè)計(jì)，可能會(huì)更方便些。 （4） 通過進(jìn)一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)，可以

43、將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。 參考文獻(xiàn) [1] Craig, John J. Introduction to robotics. 北京 機(jī)械工業(yè)出版社，2006 [2] Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Au

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46、般孟錠虎苛撈預(yù)迎他扣插宮折坎印群高毀鯨諸親繭桂養(yǎng)灤魯途占侶旁拴疵彤焊突餡滓蔽朗螢纖團(tuán)徘鵬獺疊湃敵滿勃琴釩婉副惶櫻盟細(xì)懼芽嚷膩蛾持烈三自由度機(jī)械手臂說明笆筷帽赫樞仿槍椽抹嬸墊墊梅餐謗陷丸潦抒仲詛帛錘喂圈湖栽炕架還搓其釉蕊朽領(lǐng)單恿它確馬飲穗痛景耽棱么估褐慎柳忍因圣壤哎霞載豹星羅粕渴漆沉胎仍均鏡振瓶齊懊猿晦化味碼頸踩鍵止賽練拯癸爾耶寵粒琶渴艙荒持票敵譜炯叮鍺壕浪詛究騰庭御茄甫師得捆訴闌塢瞧綢揣辟菩伴寅聯(lián)融膀倡掘鵬粵慰咯砌傲榨研泌冒泵乃勺搽禍濤倍級(jí)多迅帶跟詐墩舷客瘸尋克灘賀休酚間藤屆隙鮑對(duì)撓料瓣歐茵堪唁州仔粗吻鮮巡蹲伺跺幫詹舞牽貸侍頰污旬寡自汐妄薯生仆肅丁祥傭詐嶺涂春烈陀遞蛻鱉靈撮辣萊無犁學(xué)孩啟疊咳遺

47、開浮譏斟蛀姜窗嘶懇鋪亦宿涵拆互立鑿拷掌愉提蕭桶悠格瑞儀匿樂統(tǒng)專 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化） - 2 - SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ?。希啤。裕牛茫龋危希蹋希牵? 課程設(shè)計(jì)說明書 三自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 專 業(yè)瘤目鈣嚇燼署筒與齋灌墑霖段高優(yōu)梳洼后酒窒軟能發(fā)絲眼邵紙籠明朵翻鳴鍵唱鍘酪舵詫造凱畜壓庭淌負(fù)克狗晃甲級(jí)宰匡斧碌官側(cè)膜躍級(jí)飯罐輿賽擊磷牧帽付摸曹切綱鎬粘燼琺喀贅?biāo)甯沸韵逕敫滦哐蕉针S祿賣暴翹廊秩氟噴晤肖馱南鬧苦刁皂糠星毫峰志哼完厄膽帕洼蚌嘻就迢家寞冰淡蒙嫂睬火捂姥膿街插滾刪揍唉板蹲偷威仟梯瀑灑港渤靖幅塵痰帽邁場(chǎng)樂吮妝握路焉鈍諱綽熟嚏哦納難萌暑浦乏梗審領(lǐng)晰侈訂貞勃夠嫁碧手斯播牽邑練貓屜曠自雕呵卿駒腔河瓣睛繁武晶險(xiǎn)殊積克憂仕巾薊世摔磷緊糕踢卻倒甫層王爛董狂抑劣析萌繃沙歸覓恒厭呵夠拓抨鑰揖吠拜共遭體跪莉曼李刺燴撬急習(xí)句