四自由度機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計

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任務(wù)書.doc

四自由度機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計論文說明書.doc

大臂.dwg

小臂.dwg

底座.dwg

手爪.dwg

整體裝配圖.dwg

機(jī)械手手臂聯(lián)結(jié)座.dwg

機(jī)械手支座.dwg

機(jī)械手裝配.dwg

法蘭盤.dwg

腰部結(jié)構(gòu)圖.dwg

 機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計論文

         目 錄

第1章 緒論……………………………………………………………………  1

1.1 機(jī)器人概述……………………………………………………………  2

1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀…………………………………………………  3

1.3 機(jī)器人的發(fā)展趨勢……………………………………………………  4

第2章 機(jī)械手的設(shè)計………………………………………………………………5

2.1自由度及關(guān)節(jié)…………………………………………………………… 5

2.2 基座及連桿……………………………………………………………  5

2.2.1 基座……………………………………………………………… 7

2.2.2 大臂……………………………………………………………… 8

2.2.3 小臂………………………………………………………………9

2.3 機(jī)械手的設(shè)計……………………………………………………………10

2.4 驅(qū)動方式…………………………………………………………………11

2.5 傳動方式…………………………………………………………………12

2.6 制動器……………………………………………………………………12

第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………13

 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………14

3.2 控制系統(tǒng)的搭建………………………………………………………15

3.2.1 工控機(jī)…………………………………………………………16

3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………16

3.2.3 伺服放大器……………………………………………………17

3.2.4 端子板…………………………………………………………18

3.2.5電位器及其標(biāo)定…………………………………………………19

3.2.6電源………………………………………………………………20

第4章 控制系統(tǒng)軟件…………………………………………………………21

4.1預(yù)期的功能……………………………………………………………22

4.2 實(shí)現(xiàn)方法………………………………………………………………23

4.2.1實(shí)時顯示各個關(guān)節(jié)角及運(yùn)動范圍控制 ……………………24

4.2.2直流電機(jī)的伺服控制……………………………………………25

4.2.3電機(jī)的自鎖………………………………………………………26

4.2.4示教編程及在線修改程序………………………………………27

4.2.5設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn)…………………………………………27

第5章 總結(jié)………………………………………………………………………29

5.1 所完成的工作………………………………………………………… 30

5.2 設(shè)計經(jīng)驗(yàn)……………………………………………………………… 31

5.3 誤差分析……………………………………………………………… 32

5.4 可以繼續(xù)探索的方向…………………………………………………33

致 謝………………………………………………………………………………34

參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………  35

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)過程的自動化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動化生產(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國家工業(yè)自動化的水平，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)計一臺四自由度的工業(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方式、驅(qū)動方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計該機(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)計以及控制軟件的設(shè)計，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)的伺服控制和制動問題、實(shí)時監(jiān)測機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況、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)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人，示教編程，伺服，制動

ABSTRACT

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

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、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。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，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(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)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動生產(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。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。

要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、5.2 設(shè)計經(jīng)驗(yàn)

（1） 底座設(shè)計成長方體不合理

當(dāng)腰關(guān)節(jié)在不同的位置時，肩關(guān)節(jié)運(yùn)動的下限不同，不便于編程；最好將底座設(shè)計成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐。

    （2） 最好安裝機(jī)械制動裝置

          僅依靠程序來實(shí)現(xiàn)制動并不可靠，例如突然掉電，將無法制動。

    （3） 電機(jī)上應(yīng)安裝放電回路

          電機(jī)相當(dāng)于一個線圈，在電機(jī)啟動或者停止瞬間，會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢，很可能會對電路中的元器件造成破壞，所以要加上穩(wěn)壓或者續(xù)流元件。

（4） 電位器輸出電壓會在一定范圍內(nèi)會有無規(guī)則的波動

由于電位器材料電阻率分布的不均勻以及電刷滑動時接觸電阻的無規(guī)律變化，會引起所謂的“滑動噪聲”。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。

5.3 誤差分析

     本文中每個關(guān)節(jié)的角度誤差在±2°左右，由于是開環(huán)機(jī)構(gòu)，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會較大，并且重復(fù)精度不夠。

     下面簡要分析一下誤差的來源：

（1） 工作臺、基座的上下表面平行度誤差，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差，以及其它關(guān)節(jié)之間的平行度誤差

（2） 齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻

（3） 裝配誤差

（4） 各關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)誤差，各連桿的受力變形誤差；

（5） 運(yùn)行時，機(jī)械部分的振動

（6） 電位器的滑動噪聲，以及電源的不穩(wěn)定都會導(dǎo)致反饋電壓的不準(zhǔn)確

（7） 用程序?qū)崿F(xiàn)制動不如機(jī)械制動裝置反應(yīng)快

5.4 可以繼續(xù)探索的方向

（1） 對于本文中的示教編程部分，將程序稍作修改，就能實(shí)現(xiàn)對示教程序的保存和離線修改，進(jìn)而也容易實(shí)現(xiàn)離線編程。

（2） 可以用Opengl或者ADAMS訂作一個虛擬場景，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬示教編程，這樣會更加安全和方便。當(dāng)然手工編寫的程序代碼也可以在此虛擬場景中運(yùn)行，以驗(yàn)證其合理與否。

（3） 通過虛擬場景和網(wǎng)絡(luò)，也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

（4） 還可以嘗試在原有實(shí)驗(yàn)平臺上加上視覺反饋。

（5） 控制界面如果用LabView設(shè)計，可能會更方便些。

（6） 通過進(jìn)一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)，可以將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。

致 謝

    本次畢業(yè)設(shè)計，是老師考慮到學(xué)生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次訓(xùn)練，提高了自己的動手能力、設(shè)計能力和編程水平，為學(xué)生日后順利進(jìn)入機(jī)器人這一深邃的科研領(lǐng)域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計，學(xué)生收獲頗多，這與于老師的悉心指導(dǎo)是分不開的。于老師身體狀況欠佳，且公務(wù)繁忙，但是還是經(jīng)常抽時間來視察學(xué)生畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度，就畢業(yè)設(shè)計過程中遇到的問題給予耐心指導(dǎo)，敦敦教誨，身體力行，實(shí)在令學(xué)生欽佩感動不已！特此，學(xué)生鄭重向于老師表示感謝！ 另外，學(xué)生還要感謝在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！

參考文獻(xiàn)

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[10] 羅建軍 崔舒寧 楊琦.  大學(xué)Visual C++程序設(shè)計案例教程.  北京：高等教育出版社，2004

原始數(shù)據(jù)： 電機(jī)轉(zhuǎn) 子 上下料機(jī)械手 是電機(jī)轉(zhuǎn) 子 加工車床上下料用的專用 機(jī)械手 。要求 抓取工件重量： 250N；運(yùn)動數(shù) ： 2(升降、擺動 )；升降行程 ： 300動角度 ： 270 度；臂長 ： 500~600壓驅(qū)動。 工作要求：要求設(shè)計的 電機(jī)轉(zhuǎn) 子 上下料機(jī)械手 結(jié)構(gòu)合理，工作可靠、平穩(wěn)，制造容易，維護(hù)保養(yǎng)方便；機(jī)械手手爪的動作與 機(jī)床裝卸工件的 動作相協(xié)調(diào)， 上、下料兩手臂工作時同步動作。 設(shè)計內(nèi)容： 1. 完成 上料 手臂 、 下料手臂 升降裝置、擺動裝置 、手爪夾緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對主要零件進(jìn)行設(shè)計計算及強(qiáng)度分析； 2. 完成上下料機(jī)械手機(jī)座的設(shè)計； 設(shè)計要求： 1． 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，在規(guī)定時間內(nèi)獨(dú)立認(rèn)真完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)； 2． 查閱和使用各種技術(shù)資料和各種工具書，并通過計算、繪圖、實(shí)驗(yàn)等提高自身的動手能力和編寫技術(shù)文件的能力； 設(shè)計說明書要符合規(guī)范，要求方案正確，論據(jù)充分，闡述清楚，文字簡潔，穿插必要的插圖、表格和圖紙，并裝訂成冊。 圖紙要求：完成總裝圖、部件圖、零件圖共折合 3 張 的繪制。 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書不少于 30 頁。 字號：小四 機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計論文 目 錄 第 1 章 緒論 ?????????????????????????? 1 器人概述 ??????????????????????? 2 器人的歷史、現(xiàn)狀 ??????????????????? 3 器人的發(fā)展趨勢 ???????????????????? 4 第 2 章 機(jī)械手的設(shè)計 ???????????????????????? 5 由度及關(guān)節(jié) ??????????????????????? 5 座 及連桿 ??????????????????????? 5 座 ???????????????????????? 7 臂 ???????????????????????? 8 臂 ???????????????????????? 9 械手的設(shè)計 ??????????????????????? 10 動方式 ????????????????????????? 11 動方式 ????????????????????????? 12 動器 ??????? ??????????????????? 12 第 3 章 控制系統(tǒng)硬件 ??????????????????????? 13 制系統(tǒng)模式的選擇 ???????????????????? 14 制系統(tǒng)的搭建 ????????????????????? 15 控機(jī) ?????????????????????? 16 據(jù)采集卡 ????????????????????? 16 服放大器 ???????????????????? 17 子板 ?????????????? ???????? 18 位器及其標(biāo)定 ??????????????????? 19 源 ???????????????????????? 20 第 4 章 控制系統(tǒng)軟件 ?????????????????????? 21 期的功能 ??????????????????????? 22 現(xiàn)方法 ???????????????????????? 23 時顯示各個關(guān)節(jié)角及運(yùn)動范圍控制 ???????? 24 流電機(jī)的伺服控制 ????????????????? 25 機(jī)的自鎖 ????????????????????? 26 教編程及在線修改程序 ??????????????? 27 置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn) ???????????????? 27 第 5 章 總結(jié) ??????????????????????????? 29 完成的工作 ?????????????????????? 30 計經(jīng)驗(yàn) ???????????????????????? 31 差分析 ???????????????????????? 32 以繼續(xù)探索的方向 ??? ???????????????? 33 致 謝 ?????????????????????????????? 34 參考文獻(xiàn) ??????????????????????????? 35 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)過程的自動化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動化生產(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國家工業(yè)自動化的水平，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)計一臺四自由度的工業(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方式、驅(qū)動方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計該機(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)計以及控制軟件的設(shè)計，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)的伺服控制和制動問題、實(shí)時監(jiān)測機(jī)器人的各個關(guān)節(jié) 的運(yùn)動情況、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)。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，示教編程，伺服，制動 n on of in to As an of of of to of , of in In an is a of of of On I of AQ of be on of to of of in to 第 1 章 緒論 器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。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”（ 多數(shù)是 指程序可變（編）的獨(dú)立的自動抓取、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，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(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)（ 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)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動生產(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“ 它 是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動。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。 要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機(jī)構(gòu) —— 執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像 肌肉那樣 使手臂運(yùn)動的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系 統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1示。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)機(jī)器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動 - 傳 動 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動 ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計 算 機(jī)圖 1器人的一般組成 對于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，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示。 位 形 檢 測控 制 系 統(tǒng) （ 二 ）驅(qū) 動傳 動裝 置執(zhí) 行機(jī) 構(gòu)工 作 對 象智 能 系 統(tǒng)控 制 系 統(tǒng) （ 一 ）圖 1器人各組成部分之間的關(guān)系 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－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(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)(相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。 器人的歷史、現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(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)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。 目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。 第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機(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) 和柔性制造單元 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機(jī)器人會議 定每年召開一次會議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。 目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險作業(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 。 在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)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，就將引起零部件甚至機(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)展和社會的進(jìn)步，針對于上述各個領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機(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)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機(jī)集成制造（ 求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機(jī)作為上層主控計算機(jī)，使用專用機(jī)器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器 人系統(tǒng)。 美國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段： （ 1） 1963為試驗(yàn)定型階段。 1963， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。 1967 年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為 1900型。 （ 2） 1968為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)機(jī)器人在美國進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司 1968 年訂購了 68 臺工業(yè)機(jī)器人； 1969 年該公司又自行研制出 工業(yè)機(jī)器人，并用 21 組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司 32 條沖壓自動線上的 448 臺 沖床都用工業(yè)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，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。 1970 年 4 月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機(jī)器人會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計，美國大約 200 臺工業(yè)機(jī)器人，工作時間共達(dá)60 萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（ 明了用小型計算機(jī)控制 50 臺機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由 25 臺機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機(jī)器人 。 其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從 1967， 1968 年開始以美國的“ “ 機(jī)器人為藍(lán)本開始進(jìn)行研制的。就日本來說， 1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國的“ ,川崎重工公司引進(jìn)“ 并獲得迅速發(fā)展。通過引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約 10 年的實(shí)用化時期以后，從1980 年開始進(jìn)入廣泛的普及時代。 我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚 5，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會獲得快速的發(fā)展。 器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)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。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a)提高運(yùn)動速度和運(yùn)動精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、 檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合； c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 第 2 章 實(shí)驗(yàn)平臺介紹及機(jī)械手的設(shè)計 該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺 物料 搬運(yùn) 機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計主要偏向于對原有機(jī)構(gòu)的改造和機(jī)械手的設(shè)計。 由度及關(guān)節(jié) 圖 1 該機(jī)器人具有四個自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；還有一個用于夾持物料的機(jī)械手。 座及連桿 座 基座是整個機(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)動信號和反饋信號都從中出入。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。 臂 大臂長度 230體尺寸如圖 示： 圖 臂外形 臂 小臂長度 240體尺寸如圖 示： 圖 臂外形 械手的設(shè)計 工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行器，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 原始數(shù)據(jù)：電機(jī)轉(zhuǎn)子上下料機(jī)械手是電機(jī)轉(zhuǎn)子加工車床上下料用的專用機(jī)械手。要求抓取工件重量： 250N；運(yùn)動數(shù)： 2(升降、擺動 )；升降行程： 300動角度： 270 度；臂長： 500~600壓驅(qū)動。 工作要求：要求設(shè)計的 電機(jī)轉(zhuǎn)子 上下料機(jī)械手 結(jié)構(gòu)合理，工作可靠、平穩(wěn)，制造容易，維護(hù)保養(yǎng)方便；機(jī)械手手爪的動作與 機(jī)床裝卸工件的 動作相協(xié)調(diào)，上、下料兩手臂工作時同步動作。 設(shè)計內(nèi)容： 1. 完成上料 手臂、 下料手臂 升降裝置、擺動裝置 、手爪夾緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對主要零件進(jìn)行設(shè)計計算及強(qiáng)度分析； 2. 完成上下料機(jī)械手機(jī)座的設(shè)計； 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)計采用兩個手指，其外形如圖 示 圖 械手手指形狀 傳動機(jī)構(gòu)是向手指傳遞運(yùn)動和動力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開合的動作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機(jī)構(gòu)。圖 初步設(shè)計的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖（只畫出了一半， 另外一半關(guān)于中心線對稱）。 圖 械手機(jī)構(gòu)簡圖 在圖 ， O 為電機(jī)輸出軸，曲柄 桿 塊 B 和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊 B、連桿 桿 支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過兩個機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動 來回擺動，從而實(shí)現(xiàn)手指的開合運(yùn)動。 圖 的黑線和藍(lán)線表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個極限位置。 為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設(shè)置一個彈簧，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。 圖 采用虛擬樣機(jī)軟件 分析所設(shè)計的機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作狀況。 圖 擬樣機(jī)場景 下面更進(jìn)一步計算出所需要的電機(jī)力矩。 圖 矩變化情況 從圖 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550N2 為電機(jī)的挑選提供了一定的依據(jù)。 動方式 該機(jī)器人一共具有四個獨(dú)立的轉(zhuǎn)動關(guān) 節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動，一共需要五個動力源。 機(jī)器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點(diǎn)見表 表 種驅(qū)動方式的特點(diǎn)對照 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電 機(jī) 驅(qū)動 輸出功率 很大，壓力范圍為50～ 140，壓力范圍為 48～60大可達(dá) 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，可無級調(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。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 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。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除 動機(jī)外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險 防爆性能好，高于10000 個大氣壓 )時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機(jī)換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 對環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 在工業(yè)機(jī)器人 適用于重載、低速驅(qū) 適用于中小負(fù)載驅(qū)動、 適用于中小負(fù)載、要求具中應(yīng)用范圍 動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人 精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動平衡及裝配機(jī)器人氣動夾具 有較 高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如 服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(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，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： 1）．驅(qū)動系統(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)動慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； 3）．驅(qū)動盡可能靈活，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)動系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動的方式對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動。表 選定的各個關(guān)節(jié)電機(jī)型號及其相關(guān)參數(shù)。 表 器人驅(qū)動電機(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 定電壓 18v 18v 18v 6v 6v 額定轉(zhuǎn)矩 ·m ·m ·m ·m ·m 最大轉(zhuǎn)矩 m m m 額定轉(zhuǎn)速 7980980980460460高轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 9200200200動方式 由于一般的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機(jī)構(gòu)來增加力矩，提高 帶負(fù)載能力。對機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)的一般要求有： （ 1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕； （ 2）傳動剛度大，即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時角度變形要小，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； （ 3） 回 差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，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，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)動各個連桿的運(yùn)動。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。 齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運(yùn)動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，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。 齒形帶傳動原理如圖 示。 齒輪帶的傳動比計算公式為 2112 ?齒輪帶的平均速度2211 a ?????? 圖 形帶傳動 動器 制動器及其作用： 制動器是將機(jī)械運(yùn)動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動器和電氣制動起兩類。 在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動器的情況如下： ① 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 ② 停電時，防止運(yùn)動部分下滑而破壞其他裝置。 機(jī)械制動器： 機(jī)械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。 在機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件。從原理上講 ，這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開，這時制動器不起制動作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵磁電流時，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此 這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。又因?yàn)檫@種制動器常用于安全制動場合，所以也稱為安全制動器。 電氣制動器 電動機(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，同時也能通過其反過程來達(dá)到制動的目的。但對于直流電機(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)闹苿与娐贰? 本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺未安裝機(jī)械制動器，因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候，會因?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。 采用電氣制動器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動器會使質(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)械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩? 第 3 章 控制系 統(tǒng)硬件 制系統(tǒng)模式的選擇 構(gòu)建機(jī)器人平臺的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇和硬件平臺，控制系統(tǒng)硬件平臺對于系統(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)時計算能力；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)的硬件平臺可以大致分為兩類：基于 線（ 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 線的系統(tǒng)。近年來，隨著 性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價格卻大幅度降低，以為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機(jī)器人控制領(lǐng)域所接受。 基于 控制系統(tǒng)一般包括單 制模式， C 的控制模式， 布式控制器的控制模式， 動控制卡的控制模式， 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 據(jù)采集卡的控制方式。 制系統(tǒng) 的搭建 圖 制系統(tǒng)框圖 控機(jī) 在此選用研華工業(yè)控制機(jī) ,主頻 233存 128 兆， 32 位數(shù)據(jù)總線。底板有 9 個 槽， 4 個 槽，帶 示器。其性能價格比優(yōu)越，兼容性好，有利于軟硬件維護(hù)和升級。與普通個人計算機(jī)相比工業(yè)控制 有以下優(yōu)點(diǎn)： 2 芯片篩選要比一般個人計算機(jī)嚴(yán)格； 2 芯片驅(qū)動能力較強(qiáng)； 2 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； 2 對環(huán)境（如溫度、濕度、灰塵等）的要求要比一般計算機(jī)低得多。 據(jù)采 集卡 在本設(shè)計中我們主要用到 研華 公司的 參數(shù)如下。 要特點(diǎn) ： 路單端 12 位模擬量輸入 路 12 位模擬量輸出 采樣速率可編程，最快達(dá) 30帶 中斷的 A/D 路數(shù)字量輸出 要特點(diǎn) ： 路獨(dú)立 D/A 輸出 位分辨率雙緩沖 D/A 轉(zhuǎn)換器 路數(shù)字量輸入及 16 路數(shù)字量輸出 多種電壓范圍： +/+/0— +5V， 0— +10V 和 4— 20 流環(huán) 。 服放大器 在驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 過程 中，主要是對 伺服電機(jī) 的驅(qū)動，本文中利用報廢機(jī)器人上的 機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)，因此同樣選用 服電機(jī)驅(qū)動器（ 0/2）進(jìn)行驅(qū)動，如圖 示，這是專門針對機(jī)設(shè)計的伺服電機(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 電壓信號進(jìn)入這兩個接線端來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)， 13、 14 接測速計（本文中未用）， 3、 4、10 之間是一個光耦合器，輸入“準(zhǔn)備好”信號。在伺服控制器前面，有 5 個旋鈕調(diào)節(jié)器涌來調(diào)節(jié)電機(jī)的五個參數(shù)，下邊有 10 個 關(guān)，用來選擇控制器工作狀態(tài)。 1234567891 01 11 21 31 41 51 6電 源控 制 電 壓測 速 計1234567891 0a i a O f f s e to n o f a x4 k Ω電 機(jī)圖 服放大器接線及其調(diào)節(jié)示意 子板 不同的被測信號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： ①．端子板是采集卡與每一個信號調(diào)理電路或驅(qū)動裝置之間的電器連接部件，給每一路輸入、輸出信號提供單獨(dú)的信號線和地線，使每一路通道可單獨(dú)接通或斷開，系統(tǒng)檢修和排除故障時不必全部停止運(yùn)行。 ② ．將每一路信號經(jīng)過各自的傳送路線到達(dá)端子板后，可以根據(jù)各路信號和傳送路線的特點(diǎn)，在端子板上對各路信號進(jìn)行簡單的調(diào)理，如經(jīng)電阻衰減、分流或經(jīng)過 通濾波后進(jìn)入采集卡。 圖 示為端子板電路 圖 子板電路 圖 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 4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 過五路數(shù)字量輸出來控制電機(jī)電路的通斷， 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 負(fù)責(zé)采集五個電位器的電壓，以此將電機(jī)的運(yùn)行角度反饋給計算機(jī)。 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。它對外有三個引出端，其中兩個為固定端，另一個是中心抽頭。轉(zhuǎn)動或調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動軸，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)動角度小于 360o，對于該機(jī)器人已經(jīng)足夠了。電位器安裝在機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)輸出軸上，所以在關(guān)節(jié)角的運(yùn)動范圍內(nèi)，電位計的輸出電壓和關(guān)節(jié)角是一一對應(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)該是線性的測量元件，但由于電位器的滑動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)在各個角度處測量的電壓值，擬合出一條直線， 近似替代真實(shí)的函數(shù)關(guān)系。 下面即是對各個關(guān)節(jié)的進(jìn)行電 位計標(biāo)定。 電位器 1 的標(biāo)定， 如圖 示： 圖 位器 關(guān)節(jié)角 1 與電位計 1 的函數(shù)關(guān)系： a=位器 2 的標(biāo)定 圖 圖 示： 關(guān)節(jié)角 2 與電位計 2 的函數(shù)關(guān)系： a=位器 3 的標(biāo)定 圖 如圖 示： 關(guān)節(jié)角 3 與電位計 3 的函數(shù)關(guān)系： a= 位器 4 的標(biāo)定 圖 如圖 示： 關(guān)節(jié)角 4 與電位 計 4 的函數(shù)關(guān)系： a= 位器 5 的標(biāo)定 圖 如圖 示： 電機(jī) 5 與電位計 5 的函數(shù)關(guān)系： a= ：以上標(biāo)定工作都是在 電壓下測量的 源 電位器和伺服放大器都需要一定的電壓，特別是電位計是在 條件下工作的，穩(wěn)定的電壓對于保證電位計反饋信號的真實(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 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： 供給伺服放大器運(yùn)行， 保證電位計的正常工作。 第 4 章 控制系統(tǒng)軟件 以上完成了機(jī)器人的本體設(shè)計和控制系統(tǒng)硬件的搭建，下面將通過設(shè)計控制軟件，使計算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡有條不紊地向外部發(fā)送指揮信號，最終驅(qū)動機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動，使之按照人的意愿“工作”。 期的功能 （ 1） . 實(shí)時顯示各個關(guān)節(jié)角，并且可以防止各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度超出預(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； （ 5） . 可以設(shè)置參考點(diǎn)，使機(jī)器人在空間有一個固定的參考位置，可以回參考 點(diǎn)。 現(xiàn)方法 以模塊化程序設(shè)計思想為指導(dǎo)，以預(yù)期要實(shí)現(xiàn)的 功能 作為各個模塊，設(shè)計控制軟件。 從圖 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。 本文采用了 ++作為編程工具。 時顯示各個關(guān)節(jié)角及運(yùn)動范圍控制 在 函數(shù)中， 設(shè)置定時器 , 然后在 數(shù)中， 通過調(diào)用 采樣電位器輸出電壓，通過前面的電位器標(biāo)定函數(shù)，換算出各個關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來。 在 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)動范圍作比較，看其是否在此區(qū)間內(nèi)，否則彈出警告對話框，并且自動停止該關(guān)節(jié)的運(yùn)動。 流電機(jī)的伺服控制 對于大功率的直流電機(jī)，一般采用 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 , , ，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)行速度靠輸入的電壓值調(diào)節(jié)；另外一個函數(shù) 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。 機(jī)的自鎖 前面在 中講到該機(jī)器人關(guān)節(jié)上未裝制動器，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)時不會由于重力而掉落，在電機(jī)停止的時候卻會下落，因?yàn)殡姍C(jī)一旦停止，就失去了驅(qū)動力矩，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，會使電機(jī)轉(zhuǎn)動，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過程序來自適應(yīng)選擇這個制動電壓，方法有多種，下面是本文的設(shè)計過程。 程序設(shè)計方法一： 在調(diào)用在 或 函數(shù)時，先給電機(jī)一個 0 電壓，使電機(jī)失去驅(qū)動力矩，同時調(diào)用 數(shù)獲得此刻的關(guān)節(jié)位置，然后延時一段時間比如 給電機(jī)一個小電壓，形成一個小的制動力矩，通過采樣此刻位置看其是否能使關(guān)節(jié)制動；如果不能，則使該電壓值按照一定的步長線性增加，以增大制動力矩；這通過一個 循環(huán)實(shí)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： 方法一驗(yàn)證： 調(diào)用 或 函數(shù) 使電機(jī)電壓為 0，并采樣此時位置，將電位器輸出值存放在 考慮到大臂或小臂上升時的慣性， 循環(huán)采樣一直到采樣值 出循環(huán)，表示大臂或小臂已經(jīng)制動在自所位置了 用方法一編寫的程序，調(diào)用 或 函數(shù)后，對于正在上升的臂可以 實(shí)現(xiàn)很好的制動，而對于下降的臂則不可靠，有時候下降的臂停止下落后會反彈又向上運(yùn)動。 定性分析其原因是由于上升的臂在電機(jī)失去驅(qū)動力矩后，在重力作用下會慢慢下落，下落初速度為 0，靜止后的速度變化不大，制動時間短，容易制動；而下降的臂失去驅(qū)動力矩后，在重力作用下仍以原來的速度下落，靜止后的速度變化較大，制動時間長，很容易使制動電壓的線性增長時，超過平衡重力所需要的電壓，從而導(dǎo)致反彈現(xiàn)象的發(fā)生，其實(shí)質(zhì)是由于電壓的超調(diào)造成的。 此后，針對這種反彈現(xiàn)象對程序作過多次修改，結(jié)果都不太理想，所以就嘗試換一種 方法。 程序設(shè)計方法二： 方法二采用傳統(tǒng)的 制，電壓超調(diào)后還可以減小，可以避免反彈現(xiàn)象的發(fā)生。 下圖為程序流程圖： 調(diào)用 或 函數(shù) 使電機(jī)電壓為 0，并采樣此時位置，將電位器輸出值存放在 延時 次采樣，取得誤差量 入 環(huán) 延時 次采樣，取得誤差量， 使 e2=誤差積累 使電機(jī)輸出電壓 v=kp*e1+ki* 方法二驗(yàn)證： 由于方法二采用 制，需要選擇合適的比例、積分、微分系數(shù)；另外還要選擇 循環(huán)中的延時時間 t 和循環(huán)次數(shù) n。 選擇結(jié)果： t=10, n=10; 所以最終制動時間為 n*t=100結(jié)： 對于方法二，其控制框圖如圖 示： 圖 示教編程及在線修改程序 設(shè)計方法： 當(dāng)機(jī)器人停止在某個位置時，可以記錄下在該位置所對應(yīng)的一組關(guān)節(jié)角，這一組關(guān)節(jié)角用一個結(jié)構(gòu)體存儲 用 數(shù)控制循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過 出循環(huán)，大臂或小臂已停止下落實(shí)現(xiàn)制動 } 記錄的位置同時顯示在列表框中，記錄位置不超過 1000 個。 為了便于對這些位置作修改，本文采 用鏈表來動態(tài)存儲這些結(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)存儲程序，所以取用這些程序很方便，只需用一個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)行的時候，機(jī)器人各個關(guān)節(jié)同時運(yùn)動，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，對于記錄的位置可以做刪除、清空等操作。 置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn) 程序啟動或退出的時候，機(jī)器人應(yīng)停留在預(yù)設(shè)的參考點(diǎn)上，這個參考點(diǎn)在初始對話框函數(shù) 中預(yù)先設(shè) 置。在程序運(yùn)行期間，使用者也可以自行設(shè)置。 回參考點(diǎn)的程序和回放示教程序一樣，不過回參考點(diǎn)只是運(yùn)行到一個位置。 第 5 章 總結(jié) 完成的工作 （ 1） 對實(shí)驗(yàn)平臺的改造 本文利用的是報廢的焊接機(jī)器人，要改造成送料機(jī)器人，不但要對末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，還要重新布線。 （ 2） 對關(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)計端子板電路及驅(qū)動電路 端子板是計算機(jī)、板卡 控制信號端與機(jī)器人電路端的“橋梁”，承擔(dān)著信號調(diào)理、驅(qū)動放大等任務(wù)。 （ 4） 控制軟件的設(shè)計 軟件是機(jī)器人的“大腦思維”，軟件的設(shè)計就是將人的意志賦予機(jī)器人的“大腦”。 計經(jīng)驗(yàn) （ 1） 底座設(shè)計成長方體不合理 當(dāng)腰關(guān)節(jié)在不同的位置時，肩關(guān)節(jié)運(yùn)動的下限不同，不便于編程；最好將底座設(shè)計成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐。 （ 2） 最好安裝機(jī)械制動裝置 僅依靠程序來實(shí)現(xiàn)制動并不可靠，例如突然掉電，將無法制動。 （ 3） 電機(jī)上應(yīng)安裝放電回路 電機(jī)相當(dāng)于一 個線圈，在電機(jī)啟動或者停止瞬間，會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢，很可能會對電路中的元器件造成破壞，所以要加上穩(wěn)壓或者續(xù)流元件。 （ 4） 電位器輸出電壓會在一定范圍內(nèi)會有無規(guī)則的波動 由于電位器材料電阻率分布的不均勻以及電刷滑動時接觸電阻的無規(guī)律變化，會引起所謂的“滑動噪聲”。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。 差分析 本文中每個關(guān)節(jié)的角度誤差在± 2°左右，由于是開環(huán)機(jī)構(gòu)，所以 綜合疊加起來，末端誤差可能會較大，并且重復(fù)精度不夠。 下面簡要分析一下誤差的來源： （ 1） 工作臺、基座的上下表面平行度誤差，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差，以及其它關(guān)節(jié)之間的平行度誤差 （ 2） 齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻 （ 3） 裝配誤差 （ 4） 各關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)誤差，各連桿的受力變形誤差； （ 5） 運(yùn)行時，機(jī)械部分的振動 （ 6） 電位器的 滑動噪聲，以及電源的不穩(wěn)定都會導(dǎo)致反饋電壓的不準(zhǔn)確 （ 7） 用程序?qū)崿F(xiàn)制動不如機(jī)械制動裝置反應(yīng)快 以繼續(xù)探索的方向 （ 1） 對于本文中的示教編程部分，將程序稍作修改，就能實(shí)現(xiàn)對示教程序的保存和離線修改，進(jìn)而也容 易實(shí)現(xiàn)離線編程。 （ 2） 可以用 者 作一個虛擬場景，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬示教編程，這樣會更加安全和方便。當(dāng)然手工編寫的程序代碼也可以在此虛擬場景中運(yùn)行，以驗(yàn)證其合理與否。 （ 3） 通過虛擬場景和網(wǎng)絡(luò)，也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。 （ 4） 還可以嘗試在原有實(shí)驗(yàn)平臺上加上視覺反饋。 （ 5） 控制界面如果用 計，可能會更方便些。 （ 6） 通過進(jìn)一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)，可以將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。 致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計，是老師考慮到學(xué)生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次 訓(xùn)練，提高了自己的動手能力、設(shè)計能力和編程水平，為學(xué)生日后順利進(jìn)入機(jī)器人這一深邃的科研