機械手設計

機械手設計,機械手,設計 西安交通大學本科生畢業(yè)設計（論文） 摘 要 在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術水平和應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)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。 本文將設計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設備運送物料。首先，本文將設計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結構，然后選擇合適的傳動方式、驅動方式，搭建機器人的結構平臺；在此基礎上，本文將設計該機器人的控制系統(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、端子板電路的設計以及控制軟件的設計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終實現(xiàn)的目標包括：關節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設置參考點和回參考點。 關鍵詞：機器人，示教編程，伺服，制動 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 機器人概述…………………………………………………………… 4 1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀………………………………………………… 4 1.3 機器人的發(fā)展趨勢…………………………………………………… 4 第2章 機器人實驗平臺介紹及機械手的設計……………3 2.1自由度及關節(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 機械手的設計……………………………………………………………4 2.4 驅動方式…………………………………………………………………4 2.5 傳動方式…………………………………………………………………4 2.6 制動器……………………………………………………………………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……………………………………………………………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電位器及其標定………………………………………………… 4 3.2.6電源……………………………………………………………… 4 第4章 控制系統(tǒng)軟件………………………………………………………… 4 4.1預期的功能…………………………………………………………… 4 4.2 實現(xiàn)方法………………………………………………………………4 4.2.1實時顯示各個關節(jié)角及運動范圍控制 ………………………4 4.2.2直流電機的伺服控制………………………………………………4 4.2.3電機的自鎖…………………………………………………………4 4.2.4示教編程及在線修改程序…………………………………………4 4.2.5設置參考點及回參考點……………………………………………4 第5章 總結……………………………………………………………………… 4 5.1 所完成的工作………………………………………………………… 4 5.2 設計經(jīng)驗……………………………………………………………… 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………………………………………………………………………… 4 第1章 緒論 1.1 機器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、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。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機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、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。 “工業(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機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。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 簡而言之，機器人就是用機器代替人手，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行加工。 機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中關節(jié)型機器人以其結構緊湊，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，成為機器人中使用最多的一種結構形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人。 要機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、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構——執(zhí)行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅動－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)的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執(zhí)行機構、驅動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。 圖1-1 機器人的一般組成 對于現(xiàn)代智能機器人而言，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器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機器人的。要實現(xiàn)機器人所期望實現(xiàn)的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1-2 所示。 圖1-2 機器人各組成部分之間的關系 機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構和驅動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅動－傳動系統(tǒng)主要包括驅動機構和傳動系統(tǒng)。驅動機構提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅動力轉換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構部分。 1.2 機器人的歷史、現(xiàn)狀 機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器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(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，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(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)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、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。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、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器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學技術的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機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)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機器人系統(tǒng)。 美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段： （1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。 （2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，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)機器人傳遞工件。 （3）1970年至今一直處于推廣應用和技術發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。 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”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 1.3機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術的提高，機器人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而改變目前機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)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人； b)開發(fā)各種新型結構用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構用以保證精度；開發(fā)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合； 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)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。 第2章 實驗平臺介紹及機械手的設計 該設計的目的是為了設計一臺物料搬運機器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報廢的焊接機器人，本文的中結構設計主要偏向于對原有機構的改造和機械手的設計。 2.1自由度及關節(jié) 圖1 該機器人具有四個自由度 ，即腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)，都為轉動關節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。 2.2基座及連桿 2.2.1 基座 基座是整個機器人本體的支撐。為保證機器人運行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z”字形實心鑄鐵作支撐。 基座上面是接線盒子，所有電機的驅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。 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機械手的設計 工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它使機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）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機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） 專用操作器及轉換器 （4） 仿生多指靈巧手 本文設計對象為物料搬運機器人，并不需要復雜的多指人工指，只需要設計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現(xiàn)的。該設計采用兩個手指，其外形如圖2.3所示 圖2.3 機械手手指形狀 傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構。根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉型和平移形。本文采用回轉型傳動機構。圖2.4為初步設計的機械手機構簡圖（只畫出了一半，另外一半關于中心線對稱）。 圖2.4 機械手機構簡圖 在圖2.4中，O為電機輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構成曲柄滑塊機構；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構成滑塊搖桿機構。通過兩個機構串聯(lián)，使電機最終驅動DE的來回擺動，從而實現(xiàn)手指的開合運動。 圖2.4中的黑線和藍線表示機構運行的兩個極限位置。 為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設置一個彈簧，這樣還可以提供適當?shù)膴A緊力。 另外，在選用電機的時候，要使電機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為采用虛擬樣機軟件ADAMS來分析所設計的機械手機構的工作狀況。 圖2.5 虛擬樣機場景 下面更進一步計算出所需要的電機力矩。 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，電機轉矩必須大于550N·mm，這為電機的挑選提供了一定的依據(jù)。 2.4驅動方式 該機器人一共具有四個獨立的轉動關節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要五個動力源。 機器人常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅動方式的特點見表2.1： 表2.1三種驅動方式的特點對照 內容 驅動方式 液壓驅動 氣動驅動 電機驅動 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，可無級調速，反應靈敏，可實現(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，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜 響應速度 ? 很高 較高 ? 很高 結構性能及體積 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅動。功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小 伺服電動機易于標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質，在一定條件下有火災危險 防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性 設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，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)機器人中應用范圍 適用于重載、低速驅動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人 適用于中小負載驅動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等 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 較復雜 機器人驅動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅動系統(tǒng)的要求有： 1）．驅動系統(tǒng)的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高； 2）．反應速度要快，即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉切換； 3）．驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； 4）．安全可靠； 5）．操作和維護方便； 6）．對環(huán)境無污染，噪聲要?。? 7）．經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅動系統(tǒng)的特點和機器人驅動系統(tǒng)的設計要求，本文選用直流伺服電機驅動的方式對機器人進行驅動。表2.2為選定的各個關節(jié)電機型號及其相關參數(shù)。 表2.2機器人驅動電機參數(shù) 電機參數(shù) 腰關節(jié) 肩關節(jié) 肘關節(jié) 腕關節(jié) 手爪 型號 MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELL-SERVO MULTIPLEX STELL-SERVO 額定電壓 18v 18v 18v 6v 6v 額定轉矩 18.2 N·m 18.2 N·m 18.2 N·m 10.3 N·m 10.3 N·m 最大轉矩 67.4N·m 67.4N·m 67.4N·m 額定轉速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高轉速 轉子慣量 9200rpm 18.4gcm·cm 9200rpm 18.4gcm·cm 9200rpm 18.4gcm·cm 2.5傳動方式 由于一般的電機驅動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構來增加力矩，提高帶負載能力。對機器人的傳動機構的一般要求有： （1）結構緊湊，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，即由驅動器的輸出軸到連桿關節(jié)的轉軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動； （3）回差要小，即由正轉到反轉時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； （4）壽命長、價格低。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設計，結構緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅動各個連桿的運動。為減小機構運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動或將回轉運動轉換成直線運動，在本文中主要用于腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)的傳動。 齒形帶傳動原理如圖2.7所示。 齒輪帶的傳動比計算公式為 齒輪帶的平均速度為 圖2.7 齒形帶傳動 2.6制動器 制動器及其作用： 制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運動的機械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩類。 在機器人機構中，學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，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。 機械制動器： 機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。 在機器人的驅動系統(tǒng)中常使用伺服電動機，伺服電機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。又因為這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 電動機是將電能轉換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉機械能轉換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉換裝置，可將電能轉換為機械能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當?shù)闹苿与娐贰? 本文中，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的肩關節(jié)和軸關節(jié)在停止轉動的時候，會因為重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有機構上添加機械制動器，所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關節(jié)和軸關節(jié)的電氣制動。 采用電氣制動器，其優(yōu)點在于：在不增加驅動系統(tǒng)質量的同時又具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機器人上安裝機械制動器會使質量有所增加，故應盡量避免。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候將失去制動作用。 第3章 控制系統(tǒng)硬件 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇 構建機器人平臺的核心是建立機器人的控制系統(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)硬件平臺應滿足：硬件系統(tǒng)基于標準總線機構，具有可伸縮性；硬件結構具有必要的實時計算能力；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等；低成本。到目前為止，一般機器人控制系統(tǒng)的硬件平臺可以大致分為兩類：基于VME總線（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開放標準總線）的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來，隨著PC機性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價格卻大幅度降低，以PC機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機器人控制領域所接受。 基于PC機控制系統(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運動控制卡的控制模式，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 在此選用研華工業(yè)控制機,主頻233MHz,內存128兆，32位數(shù)據(jù)總線。底板有9個ISA插槽，4個PCI插槽，帶VGA顯示器。其性能價格比優(yōu)越，兼容性好，有利于軟硬件維護和升級。與普通個人計算機相比工業(yè)控制PC機有以下優(yōu)點： ·芯片篩選要比一般個人計算機嚴格； ·芯片驅動能力較強； ·整機內部結構屬于工業(yè)加強型，具有較強的防震和抗干擾性能； ·對環(huán)境（如溫度、濕度、灰塵等）的要求要比一般計算機低得多。 3.2.2數(shù)據(jù)采集卡 在本設計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： · 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30KHz · 帶DMA或中斷的A/D · 16路數(shù)字量輸出 PCL-726 主要特點： · 6路獨立D/A輸出 · 12位分辨率雙緩沖D/A轉換器 · 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 在驅動系統(tǒng)設計過程中，主要是對伺服電機的驅動，本文中利用報廢機器人上的maxon電機驅動關節(jié)，因此同樣選用maxon伺服電機驅動器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）進行驅動，如圖3.2所示，這是專門針對maxon電機設計的伺服電機放大控制器，具有很強的控制功能和穩(wěn)定性，電源電壓12~30v之間，1、2接線端子接伺服電機，直接給電機供電，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入這兩個接線端來控制電機的轉速大小和正反轉，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“準備好”信號。在伺服控制器前面，有5個旋鈕調節(jié)器涌來調節(jié)電機的五個參數(shù)，下邊有10個DIP開關，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節(jié)示意 3.2.4端子板 不同的被測信號通過不同的傳送路線到采集卡，而采集卡在工控機機箱內，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理電路或驅動裝置之間的電器連接部件，給每一路輸入、輸出信號提供單獨的信號線和地線，使每一路通道可單獨接通或斷開，系統(tǒng)檢修和排除故障時不必全部停止運行。 ②．將每一路信號經(jīng)過各自的傳送路線到達端子板后，可以根據(jù)各路信號和傳送路線的特點，在端子板上對各路信號進行簡單的調理，如經(jīng)電阻衰減、分流或經(jīng)過RC低通濾波后進入采集卡。 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，為防止直流電機產(chǎn)生的噪聲影響電路的正常運行，使用了光電耦合器4N25。在機電一體化技術中，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電路的通斷，PCL-726通過五路模擬量輸出來控制電機的正反轉和運行速度，另外PCL-812PG還負責采集五個電位器的電壓，以此將電機的運行角度反饋給計算機。 3.2.5電位器及其標定 電位器是一種可調電阻，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。轉動或調節(jié)電位器轉動軸，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，也就是說各關節(jié)的運動角度小于360o，對于該機器人已經(jīng)足夠了。電位器安裝在機器人的各個關節(jié)輸出軸上，所以在關節(jié)角的運動范圍內，電位計的輸出電壓和關節(jié)角是一一對應的，存在著一定的函數(shù)關系。 從理論上來講，電位器應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)關系并非理想的線性關系，而是存在一定的偏移。電位器的標定就是根據(jù)在各個角度處測量的電壓值，擬合出一條直線， 近似替代真實的函數(shù)關系。 下面即是對各個關節(jié)的進行電位計標定。 電位器1的標定，如圖 3.4所示： 圖 3.4電位器 關節(jié)角1與電位計1的函數(shù)關系： a=33.3105v-16.895 電位器2的標定 圖 3.5 如圖 3.5所示： 關節(jié)角2與電位計2的函數(shù)關系： a=33.2967v -124.2692 電位器3的標定 圖 3.6 如圖 3.6所示： 關節(jié)角3與電位計3的函數(shù)關系： a= 32.9333v-16.2222 電位器4的標定 圖 3.7 如圖 3.7所示： 關節(jié)角4與電位計4的函數(shù)關系： a= 32.6333v-75.1389 電位器5的標定 圖 3.8 如圖 3.8所示： 電機5與電位計5的函數(shù)關系： a= 32.9000v -36.3611 注：以上標定工作都是在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，特別是電位計是在10.0v的條件下工作的，穩(wěn)定的電壓對于保證電位計反饋信號的真實性具有重大的影響；而伺服放大器是在12v~30v范圍內工作的，電壓只要在此范圍內即可。 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。 這里設定兩路電壓輸出：14.0v——供給伺服放大器運行，10.0v——保證電位計的正常工作。 第4章 控制系統(tǒng)軟件 以上完成了機器人的本體設計和控制系統(tǒng)硬件的搭建，下面將通過設計控制軟件，使計算機通過數(shù)據(jù)采集卡有條不紊地向外部發(fā)送指揮信號，最終驅動機器人各個關節(jié)的運動，使之按照人的意愿“工作”。 4.1預期的功能 （1）. 實時顯示各個關節(jié)角，并且可以防止各個關節(jié)的運動角度超出預定的關 節(jié)角范圍內； （2）. 實現(xiàn)直流電機的伺服控制； （3）. 實現(xiàn)電機的自鎖； （4）. 實現(xiàn)示教編程及在線修改程序； （5）. 可以設置參考點，使機器人在空間有一個固定的參考位置，可以回參考 點。 4.2 實現(xiàn)方法 以模塊化程序設計思想為指導，以預期要實現(xiàn)的功能作為各個模塊，設計控制軟件。 從圖3.1可以看出，工控機通過數(shù)據(jù)采集控制 。編程的任務其實就是用計算機控制數(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)采集卡驅動程序中，附帶許多與板卡相關的函數(shù)和數(shù)據(jù)結構以供使用，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實時顯示各個關節(jié)角及運動范圍控制 在BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()函數(shù)中， 設置定時器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)， 然后在void CRobotDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)函數(shù)中， 通過調用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定函數(shù)，換算出各個關節(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節(jié)預設的運動范圍作比較，看其是否在此區(qū)間內，否則彈出警告對話框，并且自動停止該關節(jié)的運動。 4.2.2直流電機的伺服控制 對于大功率的直流電機，一般采用PWM控制來調節(jié)運行速度，這樣可以提高電路及電機的運行效率，而本文中的電機功率并不是很大，為方便期間，采用了線性控制方法來調速。 以關節(jié)1為例，與該模塊相關的函數(shù)有OnZ1Button(), OnF1Button(), OnT1Button()，它們分別表示用來控制電機的正轉、反轉和停止，其中電機的運行速度靠輸入的電壓值調節(jié)；另外一個函數(shù)OnRun1Button()是用來實現(xiàn)電機的位置伺服控制，在預定的關節(jié)角范圍內，電機可以運行到任何一輸入的位置停止。 4.2.3電機的自鎖 前面在2.7節(jié)中講到該機器人關節(jié)上未裝制動器，所以必須通過軟件程序實現(xiàn)關節(jié)的自鎖，尤其是肩關節(jié)和肘關節(jié)的自鎖。 解決思路：大臂和小臂在電機運轉時不會由于重力而掉落，在電機停止的時候卻會下落，因為電機一旦停止，就失去了驅動力矩，因此若想讓大臂和小臂停止在預定位置，應該在此位置給關節(jié)電機施加一個電壓，讓它擔負起大臂或小臂，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，應提供給電機的電壓也不同，如何選取電機的電壓呢？ 提供給電機的電壓小了，不足以抵抗重力的力矩；提供給電機的電壓大了，會使電機轉動，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過程序來自適應選擇這個制動電壓，方法有多種，下面是本文的設計過程。 程序設計方法一： 在調用在OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)時，先給電機一個0電壓，使電機失去驅動力矩，同時調用position_now(USHORT ka1_chan)函數(shù)獲得此刻的關節(jié)位置，然后延時一段時間比如0.1s，再給電機一個小電壓，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while()循環(huán)實現(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： 調用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù) 使電機電壓為0，并采樣此時位置，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)制動在自所位置了 方法一驗證： 用方法一編寫的程序，調用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)后，對于正在上升的臂可以實現(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動。 定性分析其原因是由于上升的臂在電機失去驅動力矩后，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，從而導致反彈現(xiàn)象的發(fā)生，其實質是由于電壓的超調造成的。 此后，針對這種反彈現(xiàn)象對程序作過多次修改，結果都不太理想，所以就嘗試換一種方法。 程序設計方法二： 方法二采用傳統(tǒng)的PID控制，電壓超調后還可以減小，可以避免反彈現(xiàn)象的發(fā)生。 下圖為程序流程圖： 調用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù) 使電機電壓為0，并采樣此時位置，將電位器輸出值存放在fVoltage_former中 延時tms，再次采樣，取得誤差量 e1= fVoltage_former- fVoltage 進入for循環(huán) 延時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現(xiàn)制動 方法二驗證： 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)中的延時時間t和循環(huán)次數(shù)n。 選擇結果：kp=2.0, ki=0.02, kd=0.04， t=10, n=10; 所以最終制動時間為n*t=100ms 總結： 對于方法二，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 設計方法：當機器人停止在某個位置時，可以記錄下在該位置所對應的一組關節(jié)角，這一組關節(jié)角用一個結構體存儲 struct position { float Voltage1; float Voltage2; float Voltage3; float Voltage4; float Voltage5; struct position *next; } 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)存儲這些結構體。 當記錄結束以后，就可以運行剛才記錄的一系列位置了，由于采用鏈表結構存儲程序，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，逐行運行，至到鏈表末尾即可。 程序運行的時候，機器人各個關節(jié)同時運動，工作效率高；正在運行的那行程序，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。 4.2.5設置參考點及回參考點 程序啟動或退出的時候，機器人應停留在預設的參考點上，這個參考點在初始對話框函數(shù)BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()中預先設置。在程序運行期間，使用者也可以自行設置。 回參考點的程序和回放示教程序一樣，不過回參考點只是運行到一個位置。 第5章 總結 5.1 所完成的工作 （1） 對實驗平臺的改造 本文利用的是報廢的焊接機器人，要改造成送料機器人，不但要對末端執(zhí)行機構進行重新設計，還要重新布線。 （2） 對關節(jié)軸電位器進行重新標定 由于標定電壓不同，標定曲線和所得的函數(shù)關系就不同，本文選用的是10v電壓。 （3） 設計端子板電路及驅動電路 端子板是計算機、板卡控制信號端與機器人電路端的“橋梁”，承擔著信號調理、驅動放大等任務。 （4） 控制軟件的設計 軟件是機器人的“大腦思維”，軟件的設計就是將人的意志賦予機器人的“大腦”。 5.2 設計經(jīng)驗 （1） 底座設計成長方體不合理 當腰關節(jié)在不同的位置時，肩關節(jié)運動的下限不同，不便于編程；最好將底座設計成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐。 （2） 最好安裝機械制動裝置 僅依靠程序來實現(xiàn)制動并不可靠，例如突然掉電，將無法制動。 （3） 電機上應安裝放電回路 電機相當于一個線圈，在電機啟動或者停止瞬間，會產(chǎn)生很高的感應電動勢，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”。這導致電位器反饋電壓并不準確。 （5） 關節(jié)角的方向及電位器的安裝 關節(jié)角最好符合關節(jié)角坐標系，并且電位器輸出電壓最好隨關節(jié)角的增大而增大，這樣便于編程。 5.3 誤差分析 本文中每個關節(jié)的角度誤差在±2°左右，由于是開環(huán)機構，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會較大，并且重復精度不夠。 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，腰關節(jié)轉軸的垂直度誤差，以及其它關節(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） 各關節(jié)軸的回轉誤差，各連桿的受力變形誤差； （5） 運行時，機械部分的振動 （6） 電位器的滑動噪聲，以及電源的不穩(wěn)定都會導致反饋電壓的不準確 （7） 用程序實現(xiàn)制動不如機械制動裝置反應快 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，就能實現(xiàn)對示教程序的保存和離線修改，進而也容易實現(xiàn)離線編程。 （2） 可以用Opengl或者ADAMS訂作一個虛擬場景，進而實現(xiàn)虛擬示教編程，這樣會更加安全和方便。當然手工編寫的程序代碼也可以在此虛擬場景中運行，以驗證其合理與否。 （3） 通過虛擬場景和網(wǎng)絡，也可以進一步實現(xiàn)對機器人的遠程監(jiān)測和控制。 （4） 還可以嘗試在原有實驗平臺上加上視覺反饋。 （5） 控制界面如果用LabView設計，可能會更方便些。 （6） 通過進一步完善控制方式和控制結構，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)設計，是于德弘老師考慮到學生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次訓練，提高了自己的動手能力、設計能力和編程水平，為學生日后順利進入機器人這一深邃的科研領域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設計，學生收獲頗多，這與于老師的悉心指導是分不開的。于老師身體狀況欠佳，且公務繁忙，但是還是經(jīng)常抽時間來視察學生畢業(yè)設計進度，就畢業(yè)設計過程中遇到的問題給予耐心指導，敦敦教誨，身體力行，實在令學生欽佩感動不已！特此，學生鄭重向于老師表示感謝！ 另外，學生還要感謝何玉成師兄和任小剛師兄，他們在學生畢業(yè)設計的過程中給出了許多