機械手設計資料1

1、本科生畢業(yè)設計（論文）在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生 產過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產線上的重要成員， 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

2、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ABSTRACTIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay moreatte nti on on the automatio n degree of the p roducti on p rocess

3、 in order to enhance thep roducti on efficie ncy, and guara ntee the p roduct quality. As an imp orta nt part of theautomati on p roducti on line, in dustrial robots are gradually appro ved and adop ted byenterp rises.The tech nique level and the app licati on degree of in dustrial robots reflect th

4、e n ati on al level of the in dustrial automati on to some exte nt, curre ntly, in dustrial robots mainly un dertake the jops of weld ing, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in p layback way.In this p

5、aper I will desig n an in dustrial robot with four DOFs, which is used tocarry material for a pun ch. First I will desig n the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipu lator of the robot, the n choose proper drive method and tran smissi on method, build ing the mecha ni c

6、al structure of the robot. On this foun dati on, I will desig n the con trol system of the robot, i nclud ing choos ing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and con trol software. Great atte nti on will be p aid on the reliability of the contro

7、l software and the robot safety duri ng running. The aims to realize fin ally in clude: servoc on trol and brake of the joi nt, mon itori ng the moveme nt of each joi nt in realtime, pl ayback p rogram ming and modify ing the p rogram on li ne, sett ing refere nee point and returni ng to refere nee

8、point.KEY WORDS : robot, playback, servocontrol, brake緒論1.1機器人概述1.2機器人的歷史、現(xiàn)狀1.3機器人的發(fā)展趨勢第2章機器人實驗平臺介紹及機械手的設計2.1自由度及關節(jié)2.2基座及連桿2.2.1 基座2.2.2大臂2.2.3小臂2.3機械手的設計2.4驅動方式2.5傳動方式2.6制動器控制系統(tǒng)硬件3.1控制系統(tǒng)模式的選擇3.2控制系統(tǒng)的搭建第4章控制系統(tǒng)軟件3.2.1工控機43.2.2數(shù)據(jù)米集卡43.2.3伺服放大器43.2.4端子板43.2.5電位器及其標定43.2.6電源4444.1預期的功能4.2實現(xiàn)方法4.2.1實時顯示各個

9、關節(jié)角及運動范圍控制 44.2.2直流電機的伺服控制4.2.3電機的自鎖4.2.4示教編程及在線修改程序4.2.5設置參考點及回參考點第5章總結5.1所完成的工作5.2設計經驗5.3誤差分析5.4可以繼續(xù)探索的方向致謝參考文獻本科生畢業(yè)設計（論文）第1章緒論1.1機器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù) 性生產過程的自動化已基本得到解決。 但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不 連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法；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

10、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?！肮I(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。還具備機器人一般分為三類。第一類

11、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， 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 “ Mecha nical Hand',它是為主機服務的，

12、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。像肌肉那樣使手臂運動的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； 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

13、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

14、一傳動系統(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 (Ma nip ulator)，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

15、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 Man ufacturi ng System）和柔性制造單元 FMC（Flexible Ma nu facturi

16、ng 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

17、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

18、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 EP ROMP，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，

19、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 本科生畢業(yè)設計（論文）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

20、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“ Versatra n ”，川崎重工公司引進“ Uni mate”， 并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產化機器人， 技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時

21、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)展趨勢尤其當隨著現(xiàn)代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強， 機器人的生產與柔性化制造系統(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

22、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)FA ?該機器人具有四個自由度

23、 ，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?；厦媸墙泳€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。222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2.3機械手的設計（ 方案選取方案論證控制器的選取與機械手手部設計工業(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

24、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（可（2）吸附式取料手（3）專用操作器及轉換器（4）仿生多指靈巧手加圖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

25、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，0為電機輸出軸，曲柄0A、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

26、機構的工作狀 況。twoKCiJiJiT1 aT I牡拙1呵億羽 i JCGir-ll 1剛化IF4-fURlLia1 懂叩 N00£ EI joOu'(Da血b右L衆(zhòng)1_F0h訃WI.F吐 7j |e和£»*Ti incbs Laa»L_hdpLkcik*E Ti tni-L hr i-H-Ai n Lifi«rTi iMkH LauI_>fcil*TUJkan 旦Alii噸坪4"" 7_上-皿1BtL*皿詁商lomiwir二J.DIT圖2.5虛擬樣機場景F面更進一步計算出所需要的電機力矩。HDLi-tra-

27、ii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,:th聖亜共、，需要本科生畢業(yè)設計(論文)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很大，壓力范圍為大，壓力范圍為48較大輸出功率50140Pa60Pa,最大可達Pa利用液體的不可壓縮氣體壓縮性大，精度控制精度高，功率較大，性，控制精度較高，低

28、，阻尼效果差，低速能精確定位，反應靈敏，控制性能輸出功率大，可無級不易控制，難以實現(xiàn)高可實現(xiàn)高速、高精度的連調速，反應靈敏，可速、高精度的連續(xù)軌跡續(xù)軌跡控制，伺服特性實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制控制好，控制系統(tǒng)復雜響應速度很高較高很高結構性能及體結構適當，執(zhí)行機構結構適當，執(zhí)行機構可伺服電動機易于標準化，積可標準化、模擬化，標準化、模擬化，易實結構性能好，噪聲低，電易實現(xiàn)直接驅動。功現(xiàn)直接驅動。功率/質動機一般需配置減速裝率/質里比大，體積量比大，體積小，結構置，除DD電動機外，難小,結構緊湊，密封緊湊，密封問題較小以直接驅動，結構緊湊，問題較大無密封問題防爆性能較好，用液防爆性能好，咼于設備自身無爆炸和

29、火災安全性壓油作傳動介質，在1000kPa(10 個大氣危險，直流有刷電動機換一定條件下有火災危壓）時應注意設備的抗向時有火花，對環(huán)境的防險壓性爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對排氣時有噪聲無環(huán)境有污染在工業(yè)機器人適用于重載、低速驅適用于中小負載驅動、適用于中小負載、要求具中應用范圍動，電液伺服系統(tǒng)適精度要求較低的有限有較高的位置控制精度用于噴涂機器人、點點位程序控制機器人，和軌跡控制精度、速度較焊機器人和托運機器如沖壓機器人本體的高的機器人，如 AC伺服人氣動平衡及裝配機器噴涂機器人、點焊機器人氣動夾具人、弧焊機器人、裝配機成本、.t . - - /,.1、. r .-2.、一成本低器

30、人等液壓兀件成本較咼成本冋維修及使用方便，但油液對環(huán)方便較復雜境溫度有一定要求機器人驅動系統(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，噪聲要小;7) .經濟上合理，尤其要盡量減少占地面積?；谏鲜鲵寗酉到y(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

31、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MULTI PLEXMULTI PLEX型號MAXON2332MAXON2332MAXON2332STELL-SERVOSTELL-SERVO額定電壓18v18v18v6v6v額定轉矩18.2 N m18.2 N m18.2 N m10.3 N m10.3 N m最大轉矩67.4N m67.4N m67.4N -m額定轉速7980rpm7980rpm7980rpm最高轉速9200rpm9200rpm9200rpm轉子慣量18.4gcm cm18.4gcm cm18.4gcm cm5460rpm5460rpm2.5傳動方

32、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

33、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21蘭niZ2齒輪帶的平均速度Va為Vazi t niz2 t n2節(jié)9!Hl本科生畢業(yè)設計（論文）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: 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。機械制動器:機

34、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

35、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?。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

36、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

37、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，P C+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Ml工密札圖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

38、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)占-八、-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。P CL-812 PG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/D16路數(shù)字量輸出PCL-726主要特點:6路獨立D/A輸出12位

39、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 420mA 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，這是專門針對電源電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，壓1230v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、

40、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)。P1& n maxP2 巴 I X RP3 Q OffsetP4 Q ImaxP5 gainon off4電源23456789101J .J2<> 斗） 工I506 O'7 08 09O10廣、11012 O13 O14 O15 n16 O4kQ"|C控制電壓圖3.2伺服放大

41、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:.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。.將每一路信號經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， 如經電阻衰減、分流或經 過RC低通濾波后進入采集卡。圖3.3所示為端子板電路AAAI:H±±btiiH屯

42、> wg)+NE3 eJ +底3)04ME3OAAAAAJLATV¥7TV圖3.3端子板電路播電源10V圖3.3所示的電路圖中，為防止直流電機產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，

43、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3600，對于該機器人已經足夠了。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。F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.

44、4所示:出130D25D.*15D1OD5D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12U1003D.坤.弗tiUJDL-序百弓5.5eS57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1ODan12D.超./岸SD1.52253 3E 1.5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au2D/” -/2DI /_-十41.522 53J.5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= 32.633

45、3v-75.1389電位器5的標定4 hl1-110D-/I 聲*3D-5D如X /2DD1ii111511.52253J.5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326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12v30v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 032v電壓輸出和 02A電流輸出。這里設定兩路電壓輸出：14.0V

46、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.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(2)節(jié)角范圍內；.實現(xiàn)直流電機的伺服控制;(3)(4).實現(xiàn)電機的自鎖；.實現(xiàn)示教編程及在線修改程序;.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。本科生畢業(yè)設計(論文)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

47、，設計控 制軟件。編程的任務其實就是用從圖3.1可以看出，工控機通過數(shù)據(jù)采集控制計算機控制數(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:po

48、sition_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 OnZ1B

49、utton(). OnF1Button().On T1Butto n()，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)OnRun 1Button()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

50、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

51、，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 whileO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：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F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，

52、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:用for函數(shù)控制循環(huán)次數(shù)，經過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：

53、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4.14.2.4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 P ositi onfloat Voltage1;float Voltage2;float Voltage3;float Voltage4;float Voltage5;struct po siti on *n ext;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