水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì),水果,采摘,機(jī)器人,設(shè)計(jì) 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(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)柑橘采摘機(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(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)柑橘采摘機(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)五自由度的工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人，用于給采摘水果。首先，本文將設(shè)計(jì)柑橘采摘機(jī)器人的底座、大臂、小臂和機(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，搭建柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該柑橘采摘機(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柑橘采摘機(jī)器人運(yùn)行過(guò)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(wèn)題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柑橘采摘機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、柑橘采摘機(jī)器人的示教編程和在線(xiàn)修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：柑橘采摘機(jī)器人，示教編程，伺服，制動(dòng) ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake 目 錄 第1章 緒論…………………………………………………………………… 1 1.1 柑橘采摘機(jī)器人概述………………………………………………… 3 1.2 柑橘采摘機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀………………………………………… 4 1.3 柑橘采摘機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………… 5 第2章 柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)…………………………5 2.1自由度及關(guān)節(jié)……………………………………………………………6 2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 7 2.2.1 基座……………………………………………………………… 8 2.2.2 大臂………………………………………………………………9 2.2.3 小臂……………………………………………………………… 10 2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)……………………………………………………………12 2.4 驅(qū)動(dòng)方式…………………………………………………………………13 2.5 傳動(dòng)方式…………………………………………………………………14 2.6 制動(dòng)器……………………………………………………………………15 第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………16 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………17 3.2 控制系統(tǒng)的搭建………………………………………………………18 3.2.1 工控機(jī)……………………………………………………………19 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………20 3.2.3 伺服放大器……………………………………………………21 3.2.4 端子板……………………………………………………………22 3.2.5電位器及其標(biāo)定…………………………………………………22 3.2.6電源………………………………………………………………23 第4章 控制系統(tǒng)軟件…………………………………………………………24 4.1預(yù)期的功能……………………………………………………………25 4.2 實(shí)現(xiàn)方法……………………………………………………………26 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 ……………………26 4.2.2直流電機(jī)的伺服控制……………………………………………27 4.2.3電機(jī)的自鎖………………………………………………………28 4.2.4示教編程及在線(xiàn)修改程序………………………………………29 4.2.5設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn)…………………………………………30 第5章 總結(jié)………………………………………………………………………32 5.1 所完成的工作…………………………………………………………33 5.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)………………………………………………………………35 5.3 誤差分析………………………………………………………………36 5.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………… 38 致 謝………………………………………………………………………………39 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… 40 第1章 緒論 1.1 柑橘采摘機(jī)器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專(zhuān)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。柑橘采摘機(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)柑橘采摘機(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(guó)內(nèi)稱(chēng)作工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人或通用柑橘采摘機(jī)器人）。 柑橘采摘機(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。柑橘采摘機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guó)常把具有上述特點(diǎn)的柑橘采摘機(jī)器人稱(chēng)為專(zhuān)用柑橘采摘機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱(chēng)為通用柑橘采摘機(jī)器人。 簡(jiǎn)而言之，柑橘采摘機(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。 柑橘采摘機(jī)器人一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是不需要人工操作的通用柑橘采摘機(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(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)操作柑橘采摘機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類(lèi)是專(zhuān)業(yè)柑橘采摘機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種柑橘采摘機(jī)器人在國(guó)外通常被稱(chēng)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(zhuān)用的。 柑橘采摘機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類(lèi)型，其中關(guān)節(jié)型柑橘采摘機(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(guò)基座周?chē)囊恍┱系K物等這樣一些特點(diǎn)，成為柑橘采摘機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名柑橘采摘機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的柑橘采摘機(jī)器人。 要柑橘采摘機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類(lèi)似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了柑橘采摘機(jī)器人的性能。一般而言，柑橘采摘機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。 圖1-1 柑橘采摘機(jī)器人的一般組成 對(duì)于現(xiàn)代智能柑橘采摘機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予柑橘采摘機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及柑橘采摘機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。柑橘采摘機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)柑橘采摘機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)柑橘采摘機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，柑橘采摘機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。 圖1-2 柑橘采摘機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系 柑橘采摘機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是柑橘采摘機(jī)器人賴(lài)以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供柑橘采摘機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足柑橘采摘機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把柑橘采摘機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。 1.2 柑橘采摘機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 柑橘采摘機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)柑橘采摘機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型柑橘采摘機(jī)器人后，大力從事柑橘采摘機(jī)器人的研究。 目前工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代柑橘采摘機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反饋，使柑橘采摘機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。 第三代柑橘采摘機(jī)器人（柑橘采摘機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。國(guó)際工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開(kāi)一次會(huì)議，討論和研究柑橘采摘機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問(wèn)題。 目前，工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至柑橘采摘機(jī)器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的柑橘采摘機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求柑橘采摘機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求柑橘采摘機(jī)器人系統(tǒng)能和車(chē)間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高柑橘采摘機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求柑橘采摘機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的柑橘采摘機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用控制器，一般采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專(zhuān)用柑橘采摘機(jī)器人語(yǔ)言作為離線(xiàn)編程工具，采用專(zhuān)用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專(zhuān)用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本辦法是研究和使用具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的柑橘采摘機(jī)器人系統(tǒng)。 美國(guó)工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： （1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年， 萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人供用戶(hù)做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人定型為1900型。 （2）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車(chē)公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車(chē)車(chē)身的焊接自動(dòng)線(xiàn)；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車(chē)公司32條沖壓自動(dòng)線(xiàn)上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人傳遞工件。 （3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開(kāi)了第一屆全國(guó)工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)柑橘采摘機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)柑橘采摘機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)柑橘采摘機(jī)器人組成的汽車(chē)車(chē)輪生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型柑橘采摘機(jī)器人。 其他國(guó)家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開(kāi)始以美國(guó)的“Versatran”和“Unimate”型柑橘采摘機(jī)器人為藍(lán)本開(kāi)始進(jìn)行研制的。就日本來(lái)說(shuō)，1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國(guó)的“Versatran”,川崎重工公司引進(jìn)“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國(guó)產(chǎn)化柑橘采摘機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國(guó)并超過(guò)其他國(guó)家。經(jīng)過(guò)大約10年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980年開(kāi)始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。 我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。 1.3柑橘采摘機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，柑橘采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)柑橘采摘機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)： a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速柑橘采摘機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將柑橘采摘機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的柑橘采摘機(jī)器人； b)開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類(lèi)型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類(lèi)行走柑橘采摘機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合； c)研制各類(lèi)傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周?chē)耐饨绛h(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 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)柑橘采摘柑橘采摘機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報(bào)廢的焊接柑橘采摘機(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)。 2.2基座及連桿 2.2.1 基座 基座是整個(gè)柑橘采摘機(jī)器人本體的支撐。為保證柑橘采摘機(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(xiàn)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(xiàn)盒子外面，有一個(gè)引入線(xiàn)出口和一個(gè)引出線(xiàn)出口。 2.2.2 大臂 大臂長(zhǎng)度230mm，具體尺寸如圖2.1所示： 圖2.1 大臂外形 2.2.3 小臂 小臂長(zhǎng)度240mm，具體尺寸如圖2.2所示： 圖2.2 小臂外形 2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì) 工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人的手又稱(chēng)為末端執(zhí)行器，它使柑橘采摘機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專(zhuān)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，并安裝于柑橘采摘機(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)柑橘采摘機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類(lèi)： （1） 夾鉗式取料手 （2） 吸附式取料手 （3） 專(zhuān)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)象為柑橘采摘柑橘采摘機(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(kāi)和夾緊工件，是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)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 圖2.3 機(jī)械手手指形狀 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開(kāi)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(jiǎn)圖（只畫(huà)出了一半，另外一半關(guān)于中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)）。 圖2.4 機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)DE的來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。 圖2.4中的黑線(xiàn)和藍(lán)線(xiàn)表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。 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(kāi)，并且提供足夠加緊物體的力。 圖2.5為采用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS來(lái)分析所設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作狀況。 圖2.5 虛擬樣機(jī)場(chǎng)景 下面更進(jìn)一步計(jì)算出所需要的電機(jī)力矩。 圖2.6 力矩變化情況 從圖2.6中看到，起始階段須克服的彈簧力最大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須大于550N·mm，這為電機(jī)的挑選提供了一定的依據(jù)。 2.4驅(qū)動(dòng)方式 該柑橘采摘機(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。 柑橘采摘機(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(lèi)型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表2.1： 表2.1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照 內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 輸出功率 ? 很大，壓力范圍為50～140Pa 大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達(dá)Pa ? 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 ? 很高 較高 ? 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小 伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn) 防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差 對(duì)環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染 排氣時(shí)有噪聲 無(wú) 在工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂柑橘采摘機(jī)器人、點(diǎn)焊柑橘采摘機(jī)器人和托運(yùn)柑橘采摘機(jī)器人 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制柑橘采摘機(jī)器人，如沖壓柑橘采摘機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配柑橘采摘機(jī)器人氣動(dòng)夾具 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的柑橘采摘機(jī)器人，如AC伺服噴涂柑橘采摘機(jī)器人、點(diǎn)焊柑橘采摘機(jī)器人、弧焊柑橘采摘機(jī)器人、裝配柑橘采摘機(jī)器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 柑橘采摘機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)柑橘采摘機(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）．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(wú)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)和柑橘采摘機(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)柑橘采摘機(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2.2柑橘采摘機(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 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 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(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)柑橘采摘機(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(zhǎng)、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(guò)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(guò)程的沖擊和振動(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(lái)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(xiàn)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 圖2.7 齒形帶傳動(dòng) 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(lèi)。 在柑橘采摘機(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(pán)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。 在柑橘采摘機(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(pán)式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)制動(dòng)器打開(kāi)，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開(kāi)線(xiàn)圈中無(wú)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(chēng)為無(wú)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(chēng)為安全制動(dòng)器。 電氣制動(dòng)器 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(guò)其反過(guò)程來(lái)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(lèi)型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。 本文中，該柑橘采摘機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未安裝機(jī)械制動(dòng)器，因此柑橘采摘機(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侣洹Ａ硗?，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(guò)軟件來(lái)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，而在柑橘采摘機(jī)器人上安裝機(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。 機(jī)械臂在抓取前必須先進(jìn)行移動(dòng)。本文中的移動(dòng)機(jī)械臂，通過(guò)肩部和臂部進(jìn)行方向移動(dòng)。下面對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)定義幾個(gè)性能參數(shù)，這幾個(gè)性能參數(shù)是反映移動(dòng)過(guò)程中抓取的精度、速度和難易程度的指標(biāo) (1)抓取速度 移動(dòng)機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以一定速度驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂時(shí)，機(jī)械臂的角速度。移動(dòng)速度是衡量機(jī)械臂動(dòng)性的一個(gè)指標(biāo)，它的大小反映了抓取轉(zhuǎn)移的快慢。 (2)工作空間 移動(dòng)機(jī)械臂移動(dòng)的工作范圍成為工作空間。工作空間是衡量移動(dòng)機(jī)械臂動(dòng)性的一個(gè)指標(biāo)，它的大小反映了移動(dòng)機(jī)械臂工作范圍:工作空間大，一說(shuō)明在不改變運(yùn)動(dòng)體的位置時(shí)，機(jī)械臂移動(dòng)的范圍就大;反之，工作空間小，機(jī)械臂移動(dòng)的范圍就小。 (3)對(duì)機(jī)械臂的要求 （a）保證旋轉(zhuǎn)精度 移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)精度主要取決于移動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量，傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的精度。就肩部而言，移動(dòng)精度與肩部空回量的大小有很大聯(lián)系。這里的空回量是由于移動(dòng)的各運(yùn)動(dòng)副的嚙合間隙和各傳動(dòng)連接件之間的空隙所產(chǎn)生的，這些空隙是由于零件的制造誤差和裝配誤差以及零件的磨損或分解組合調(diào)整得不夠好所造成的。另外各傳動(dòng)件的加工、裝配質(zhì)量的情況等對(duì)于移動(dòng)精度都有影響。為了提高移動(dòng)精度，減小移動(dòng)時(shí)的方向變位，有利于提高移動(dòng)準(zhǔn)確度和密集度，對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂的空回量提出了一定的要求。 (b)保證移動(dòng)操作輕便，平穩(wěn) 為了能夠迅速地，精確地進(jìn)行移動(dòng)完成抓取任務(wù)，要求移動(dòng)機(jī)械臂的操作輕便、平穩(wěn)。移動(dòng)機(jī)械臂的操作輕便、平穩(wěn)主要取決于在一定移動(dòng)旋轉(zhuǎn)速度下所需驅(qū)動(dòng)力的大小。 移動(dòng)機(jī)械臂的在穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力可按下列公式求出: （6-1） 式中: M—移動(dòng)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)部分阻力矩 R—移動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸半徑 —移動(dòng)臂總效率 i—移動(dòng)臂總傳動(dòng)比 而 (6-2） —驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 —肩或臂回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度即移動(dòng)速度 由(6-1)式可知： i與P成反比，i愈大，則P愈小。 由(6-2)式可知：i與成反比，i愈大，則。、愈小。 所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)力P與移動(dòng)速度是成正比的。這樣為了減少驅(qū)動(dòng)力，就必須增加傳動(dòng)比，而增加傳動(dòng)比，會(huì)引起移動(dòng)速度減小。同樣，若要提高移動(dòng)速度，就必須減小傳動(dòng)比;而減小了傳動(dòng)比，又會(huì)引起驅(qū)動(dòng)力增大。因此，減小驅(qū)動(dòng)力同提高移動(dòng)速度是相矛盾的。所以要根據(jù)移動(dòng)機(jī)械臂的移動(dòng)抓取技術(shù)要求，在滿(mǎn)足一定移動(dòng)速度的情況下，減小驅(qū)動(dòng)力，以便移動(dòng)機(jī)械臂操作輕便、平穩(wěn)、靈活。 (c)保證準(zhǔn)確定位不易被破壞 引起定位被破壞的可能有以下原因:不平衡力矩的變化、移動(dòng)中振動(dòng)等。當(dāng)機(jī)械臂具有自鎖性和適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)力時(shí)，就能保證移動(dòng)的位置不因上述原因而被破壞。移動(dòng)機(jī)械臂的自鎖性是指關(guān)節(jié)只能正傳動(dòng)，不能逆?zhèn)鲃?dòng)。移動(dòng)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)的自鎖性很重要，它不僅保證移動(dòng)位置不被破壞，而且也保證了因?yàn)閿嚯姸l(fā)生機(jī)械臂下落撞擊本體。解決移動(dòng)機(jī)械臂自鎖的方法通常有以下二種: 一種是移動(dòng)機(jī)械臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，采用自鎖的運(yùn)動(dòng)副。如自鎖的蝸輪蝸桿副，移動(dòng)機(jī)械臂的肩部采用了自鎖的蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)自鎖。另一種是在移動(dòng)機(jī)械臂附加自鎖機(jī)構(gòu)。如自鎖器、固定盤(pán)、電磁閘等。為了防止微小的外力作用到移動(dòng)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上而破壞移動(dòng)，移動(dòng)機(jī)械臂的肩部驅(qū)動(dòng)力不應(yīng)過(guò)小。 (d)有足夠的強(qiáng)度、剛度和使用壽命 由于移動(dòng)機(jī)械臂工作條件較差，傳遞運(yùn)動(dòng)受力較大，且受動(dòng)載荷的作用，各部件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證移動(dòng)機(jī)械臂肩部不被破壞和產(chǎn)生變形影響抓取精度。這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用上應(yīng)予考慮。同時(shí)還要考慮各傳動(dòng)件之間的磨損問(wèn)題，應(yīng)盡量減小磨損，磨損以后能夠調(diào)整。 上述要求，既是移動(dòng)機(jī)械臂設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，又是衡量移動(dòng)機(jī)械臂性能好壞的依據(jù)。 2.7 機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)分析 移動(dòng)機(jī)械臂的肩部采用的蝸輪蝸桿式的，下面移動(dòng)機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)分析。 2.7.1 作用原理 肩部結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿式的。所謂蝸輪蝸桿式肩部，是指在肩部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，主要通過(guò)蝸輪蝸桿的傳動(dòng)，使肩部回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂方向移動(dòng)的。移動(dòng)機(jī)械臂的肩部還承受并傳遞臂部時(shí)回轉(zhuǎn)部分所產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩。 2.7.2 結(jié)構(gòu)及分析 (1)結(jié)構(gòu) 在前面的移動(dòng)機(jī)械臂的肩部機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)械臂的肩部結(jié)構(gòu)己經(jīng)有了詳細(xì)的介紹，詳見(jiàn)前面機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，這里就不再累述了。 (2)分析 根據(jù)對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂的要求，來(lái)分析機(jī)械臂肩部結(jié)構(gòu)性能。 （a）為了提高方向移動(dòng)精度，減小移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的變位，要求保證在肩部傳動(dòng)輕便靈活的情況下，空回量要小，保證臂部裝置在肩部上總的配合間隙所產(chǎn)生的方向移動(dòng)改變量要小于一定值。肩部的空回量，主要取決于蝸輪蝸桿嚙合間隙、磨損情況、蝸桿是否有軸向串動(dòng)及傳動(dòng)連接件的間隙等。 肩部的蝸輪蝸桿傳動(dòng)是開(kāi)式傳動(dòng)，不便于潤(rùn)滑和防塵;因此傳動(dòng)過(guò)程中的磨損是較嚴(yán)重的。同時(shí)蝸輪蝸桿間的摩擦系數(shù)較大，也易于磨損。由于磨損較嚴(yán)重，從而增大蝸輪蝸桿的嚙合間隙，使肩部空回量變大，這同樣會(huì)影響移動(dòng)精度和移動(dòng)時(shí)的變位。工廠在裝配過(guò)程中應(yīng)盡量減少裝配誤差，保證總的配合間隙對(duì)移動(dòng)角的影響最小。 （b）為了使傳動(dòng)輕便、平穩(wěn)、靈活，在機(jī)械臂的肩部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，采用了滾動(dòng)軸承并能通過(guò)注油嘴注油潤(rùn)滑。蝸輪蝸桿在裝配前經(jīng)過(guò)研磨檢查，裝配后又經(jīng)過(guò)調(diào)整，使其兩齒的接觸面沿齒高達(dá)60%，沿齒寬達(dá)50%. 蝸桿為右旋，頭數(shù)=1，蝸輪齒數(shù)=32，配套減速器的減速比=156，齒輪副傳動(dòng)比= 1，因此肩部的總傳動(dòng)比 (6-3) 又 (6-4） 式中?！珀P(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 (6-5) n—電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，n=10200r/m —回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，即為移動(dòng)速度 （6-6） 將（6-4）（6-5）代入（6-6）式得到移動(dòng)肩部的速度 =0.775rad/s 上述為肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度的理論計(jì)算值，移動(dòng)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)速度最大0.5rad/s可看成它符合移動(dòng)技術(shù)要求，實(shí)際測(cè)量值雖然會(huì)因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的加工裝配質(zhì)量等的影響而大一些，但仍是符合移動(dòng)技術(shù)要求的。滿(mǎn)足移動(dòng)機(jī)械臂肩部的設(shè)計(jì)要求。 (c)移動(dòng)機(jī)械臂肩部的自鎖是靠能夠自鎖的蝸輪蝸桿副來(lái)保證的。蝸輪蝸桿副自鎖條件：蝸桿螺旋角小于折合摩擦角和要可靠自鎖必須比至少小1度。 由機(jī)械零件可知 (6-7) (6-8) 式中 —蝸桿頭數(shù) =1 q—蝸桿特性系數(shù) (6-9) 一蝸桿分度圓直徑 =28mm · 一蝸桿軸向模數(shù) =2mm 將上述各值代入公式得到： > 由此可以看出:蝸輪蝸桿雖然符合>條件，而且差大于1，故自鎖可靠。 (d)蝸輪蝸桿式的肩部易于旋轉(zhuǎn)方向的要求。 肩部是蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸桿固定于蝸輪箱內(nèi)，蝸輪位于蝸輪箱內(nèi)，通過(guò)軸套與轉(zhuǎn)軸相連，與蝸桿嚙合。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)操作時(shí)，主控計(jì)算機(jī)把臂部角度與目標(biāo)點(diǎn)的角度進(jìn)行比 較，角度的差值通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)配套的減速器后，經(jīng)過(guò)一對(duì)齒輪副的傳動(dòng)，帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿與蝸輪嚙合，使得與蝸輪通過(guò)軸套連接的肩部轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得固定于肩部轉(zhuǎn)軸的臂部轉(zhuǎn)動(dòng)，賦予肩部在150度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。 (e)蝸輪副的傳動(dòng)一般具有工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊的特定，但是在這里將它用作移動(dòng)機(jī)械臂的肩部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后，具體情況有所變化。因?yàn)槲佪單仐U分別安裝在箱體上，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)蝸輪蝸桿的固定裝置進(jìn)行組合加工來(lái)保證蝸輪蝸桿的中心距有較小的偏差;裝配時(shí)，蝸輪中心與回轉(zhuǎn)中心不易重合，存在較大的偏差。從而不能保證蝸桿軸線(xiàn)與蝸輪的節(jié)圓在同一平面內(nèi)。所以解決的辦法是蝸桿兩端加上調(diào)整墊片。也就是說(shuō)，在傳動(dòng)過(guò)程中，蝸輪蝸桿的嚙合情況是變化的，這就使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)肩部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)、驅(qū)動(dòng)力不均勻現(xiàn)象。又因?yàn)榧绮繛橐患?jí)傳動(dòng)，而且旋轉(zhuǎn)部分很重，體積較大，進(jìn)行肩部旋轉(zhuǎn)定位時(shí)，回轉(zhuǎn)慣性也就較大，同時(shí)也沒(méi)有消除回轉(zhuǎn)慣性力矩的緩沖機(jī)構(gòu)，這種回轉(zhuǎn)慣性也就敏感地、直接地反映到電機(jī)上來(lái)。由于法蘭盤(pán)和臂部體積較大，使得肩部的體積也較大，且不夠緊湊。 第3章 控制系統(tǒng)硬件 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇 構(gòu)建柑橘采摘機(jī)器人平臺(tái)的核心是建立柑橘采摘機(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(kāi)放性、實(shí)現(xiàn)方式和開(kāi)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(mǎn)足：硬件系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)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，一般柑橘采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可以大致分為兩類(lèi)：基于VME總線(xiàn)（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)）的系統(tǒng)和基于PC總線(xiàn)的系統(tǒng)。近年來(lái)，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)已廣泛被柑橘采摘機(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(lèi)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 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(xiàn)。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 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(guò)程中，主要是對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，本文中利用報(bào)廢柑橘采摘機(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(zhuān)門(mén)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(xiàn)端子接伺服電機(jī)，直接給電機(jī)供電，3，4接線(xiàn)端與電源相連，7、8接控制電壓，通過(guò)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(xiàn)端來(lái)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)旋鈕調(diào)節(jié)器涌來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的五個(gè)參數(shù)，下邊有10個(gè)DIP開(kāi)關(guān)，用來(lái)選擇控制器工作狀態(tài)。 圖3.2伺服放大器接線(xiàn)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(guò)不同的傳送路線(xiàn)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(xiàn)和地線(xiàn)，使每一路通道可單獨(dú)接通或斷開(kāi)，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(guò)各自的傳送路線(xiàn)到達(dá)端子板后，可以根據(jù)各路信號(hào)和傳送路線(xiàn)的特點(diǎn)，在端子板上對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)理，如經(jīng)電阻衰減、分流或經(jīng)過(guò)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(guò)五路數(shù)字量輸出來(lái)控制電機(jī)電路的通斷，PCL-726通過(guò)五路模擬量輸出來(lái)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(shuō)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度小于360o，對(duì)于該柑橘采摘機(jī)器人已經(jīng)足夠了。電位器安裝在柑橘采摘機(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(lái)講，電位器應(yīng)該是線(xiàn)性的測(cè)量元件，但由于電位器的滑動(dòng)噪聲以及滑線(xiàn)電阻的工作過(guò)程中的磨損，這種函數(shù)關(guān)系并非理想的線(xiàn)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，擬合出一條直線(xiàn)， 近似替代真實(shí)的函數(shù)關(guān)系。 下面即是對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的進(jìn)行電位計(jì)標(biāo)定。 電位器1的標(biāo)定，如圖 3.4所示： 圖 3.4電位器 關(guān)節(jié)角1與電位計(jì)1的函數(shù)關(guān)系： a=33.3105v-16.895 電位器2的標(biāo)定 圖 3.5 如圖 3.5所示： 關(guān)節(jié)角2與電位計(jì)2的函數(shù)關(guān)系： a=33.2967v -124.2692 電位器3的標(biāo)定 圖 3.6 如圖 3.6所示： 關(guān)節(jié)角3與電位計(jì)3的函數(shù)關(guān)系： a= 32.9333v-16.2222 電位器4的標(biāo)定 圖 3.7 如圖 3.7所示： 關(guān)節(jié)角4與電位計(jì)4的函數(shù)關(guān)系： a= 32.6333v-75.1389 電位器5的標(biāo)定 圖 3.8 如圖 3.8所示： 電機(jī)5與電位計(jì)5的函數(shù)關(guān)系： a= 32.9000v -36.3611 注：以上標(biāo)定工作都是在10.00v的電壓下測(cè)量的 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 以上完成了柑橘采摘機(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(guò)設(shè)計(jì)控制軟件，使計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡有條不紊地向外部發(fā)送指揮信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng)柑橘采摘機(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(xiàn)修改程序； （5）. 可以設(shè)置參考點(diǎn)，使柑橘采摘機(jī)器人在空間有一個(gè)固定的參考位置，可以回參考 點(diǎn)。 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(guò)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(xiě)。 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(guò)調(diào)用bool CRobotDlg::position_now(USHORT ka1_chan)，采樣電位器輸出電壓，通過(guò)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(lái)。 在void