運(yùn)料四自由度的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

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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…………………………………………………………………… 3 1.1 機(jī)器人概述…………………………………………………………… 4 1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀………………………………………………… 4 1.3 機(jī)器人的發(fā)展趨勢…………………………………………………… 4 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)……………3 2.1自由度及關(guān)節(jié)…………………………………………………………… 4 2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 4 2.2.1 基座……………………………………………………………… 7 2.2.2 大臂……………………………………………………………… 7 2.2.3 小臂……………………………………………………………… 7 2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)……………………………………………………………4 2.4 驅(qū)動(dòng)方式…………………………………………………………………4 2.5 傳動(dòng)方式…………………………………………………………………4 2.6 制動(dòng)器……………………………………………………………………4 第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………4 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………4 3.2 控制系統(tǒng)的搭建……………………………………………………… 4 3.2.1 工控機(jī)……………………………………………………………4 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………4 3.2.3 伺服放大器………………………………………………………4 3.2.4 端子板…………………………………………………………… 4 3.2.5電位器及其標(biāo)定………………………………………………… 4 3.2.6電源……………………………………………………………… 4 第4章 控制系統(tǒng)軟件………………………………………………………… 4 4.1預(yù)期的功能…………………………………………………………… 4 4.2 實(shí)現(xiàn)方法………………………………………………………………4 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 ………………………4 4.2.2直流電機(jī)的伺服控制………………………………………………4 4.2.3電機(jī)的自鎖…………………………………………………………4 4.2.4示教編程及在線修改程序…………………………………………4 4.2.5設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn)……………………………………………4 第5章 總結(jié)……………………………………………………………………… 4 5.1 所完成的工作………………………………………………………… 4 5.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)……………………………………………………………… 4 5.3 誤差分析……………………………………………………………… 4 5.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………… 4 致 謝……………………………………………………………………………… 4 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 4 西安交通大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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)。 關(guān)鍵詞：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…………………………………………………………………… 3 1.1 機(jī)器人概述…………………………………………………………… 4 1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀………………………………………………… 4 1.3 機(jī)器人的發(fā)展趨勢…………………………………………………… 4 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)……………3 2.1自由度及關(guān)節(jié)…………………………………………………………… 4 2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 4 2.2.1 基座……………………………………………………………… 7 2.2.2 大臂……………………………………………………………… 7 2.2.3 小臂……………………………………………………………… 7 2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)……………………………………………………………4 2.4 驅(qū)動(dòng)方式…………………………………………………………………4 2.5 傳動(dòng)方式…………………………………………………………………4 2.6 制動(dòng)器……………………………………………………………………4 第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………4 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………4 3.2 控制系統(tǒng)的搭建……………………………………………………… 4 3.2.1 工控機(jī)……………………………………………………………4 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………4 3.2.3 伺服放大器………………………………………………………4 3.2.4 端子板…………………………………………………………… 4 3.2.5電位器及其標(biāo)定………………………………………………… 4 3.2.6電源……………………………………………………………… 4 第4章 控制系統(tǒng)軟件………………………………………………………… 4 4.1預(yù)期的功能…………………………………………………………… 4 4.2 實(shí)現(xiàn)方法………………………………………………………………4 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 ………………………4 4.2.2直流電機(jī)的伺服控制………………………………………………4 4.2.3電機(jī)的自鎖…………………………………………………………4 4.2.4示教編程及在線修改程序…………………………………………4 4.2.5設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn)……………………………………………4 第5章 總結(jié)……………………………………………………………………… 4 5.1 所完成的工作………………………………………………………… 4 5.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)……………………………………………………………… 4 5.3 誤差分析……………………………………………………………… 4 5.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………… 4 致 謝……………………………………………………………………………… 4 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 4 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，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(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(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。 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(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(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 機(jī)器人的一般組成 對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)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1-2 所示。 圖1-2 機(jī)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(dòng)－傳動(dòng)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(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)換為滿足機(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 機(jī)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(tái)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(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、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(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)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(dòng)十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。國際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開一次會(huì)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(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(shí)，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(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(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(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(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(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)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EPROM中，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(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(gè)階段： （1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年， 萬能自動(dòng)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）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)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(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動(dòng)線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)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。1970-1972年，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(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)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)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動(dòng)線。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“Versatran”和“Unimate”型機(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“Versatran”,川崎重工公司引進(jìn)“Unimate”，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(shí)期以后，從1980年開始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。 我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，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(jì)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(huì)獲得快速的發(fā)展。 1.3機(jī)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(jì)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(gè)發(fā)展趨勢： 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(gè)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(dòng)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(duì)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(shí)別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，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(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) 圖1 該機(jī)器人具有四個(gè)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(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 大臂 大臂長度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)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(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 圖2.3 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2.4 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。 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。 圖2.5為采用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS來分析所設(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。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表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，無密封問題 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 在工業(yè)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)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)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)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(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、速度較高的機(jī)器人，如AC伺服噴涂機(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(duì)環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 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）．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，噪聲要小； 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2.2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 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。 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)場合，所以也稱為安全制動(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 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 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)，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(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； （5）. 可以設(shè)置參考點(diǎn)，使機(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。 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 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。 程序設(shè)計(jì)方法一： 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)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 方法一驗(yàn)證： 用方法一編寫的程序，調(diào)用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)后，對(duì)于正在上升的臂可以實(shí)現(xiàn)很好的制動(dòng)，而對(duì)于下降的臂則不可靠，有時(shí)候下降的臂停止下落后會(huì)反彈又向上運(yùn)動(dòng)。 定性分析其原因是由于上升的臂在電機(jī)失去驅(qū)動(dòng)力矩后，在重力作用下會(huì)慢慢下落，下落初速度為0，靜止后的速度變化不大，制動(dòng)時(shí)間短，容易制動(dòng)；而下降的臂失去驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)間長，很容易使制動(dòng)電壓的線性增長時(shí)，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(duì)這種反彈現(xiàn)象對(duì)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(jì)方法二： 方法二采用傳統(tǒng)的PID控制，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 延時(shí)tms，再次采樣，取得誤差量 e1= fVoltage_former- fVoltage 進(jìn)入for循環(huán) 延時(shí)tms，再次采樣，取得誤差量， 使e2=e1，e1= fVoltage_former- fVoltage; 誤差積累sume+=fabs(e1) 使電機(jī)輸出電壓v=kp*e1+ki*sume+kd*(e1-e2) 用for函數(shù)控制循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過n此循環(huán)后，跳出循環(huán)，大臂或小臂已停止下落實(shí)現(xiàn)制動(dòng) 方法二驗(yàn)證： 由于方法二采用PID控制，需要選擇合適的比例、積分、微分系數(shù)；另外還要選擇for()循環(huán)中的延時(shí)時(shí)間t和循環(huán)次數(shù)n。 選擇結(jié)果：kp=2.0, ki=0.02, kd=0.04， t=10, n=10; 所以最終制動(dòng)時(shí)間為n*t=100ms 總結(jié)： 對(duì)于方法二，其控制框圖如圖4.1所示： 圖4.1 4.2.4示教編程及在線修改程序 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。 4.2.5設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn) 程序啟動(dòng)或退出的時(shí)候，機(jī)器人應(yīng)停留在預(yù)設(shè)的參考點(diǎn)上，這個(gè)參考點(diǎn)在初始對(duì)話框函數(shù)BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()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(gè)位置。 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，很可能會(huì)對(duì)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(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。 5.3 誤差分析 本文中每個(gè)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(huì)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(tái)、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(shí)，機(jī)械部分的振動(dòng) （6） 電位器的滑動(dòng)噪聲，以及電源的不穩(wěn)定都會(huì)導(dǎo)致反饋電壓的不準(zhǔn)確 （7） 用程序?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)不如機(jī)械制動(dòng)裝置反應(yīng)快 5.4 可以繼續(xù)探索的方向 （1） 對(duì)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(duì)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(gè)虛擬場景，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬示教編程，這樣會(huì)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(duì)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(tái)上加上視覺反饋。 （5） 控制界面如果用LabView設(shè)計(jì)，可能會(huì)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(jì)，是于德弘老師考慮到學(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(dòng)手能力、設(shè)計(jì)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(jì)，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(shí)間來視察學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度，就畢業(yè)設(shè)計(jì)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(dòng)不已！特此，學(xué)生鄭重向于老師表示感謝！ 另外，學(xué)生還要感謝何玉成師兄和任小剛師兄，他們?cè)趯W(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中給出了許多