機(jī)械手設(shè)計(jì)資料

1、-. z.摘 要 在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)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(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承當(dāng)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)械手的構(gòu)造，然后選擇適宜的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的構(gòu)造平臺(tái)；在此根底上，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

2、擇、反響方式和反響元件的選擇、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(guò)程的平安性，最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問(wèn)題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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 enh

3、ance 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 industria

4、l automation to some e*tent, 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

5、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 de

6、sign 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 f

7、inally 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 31.1 機(jī)器人概述 41.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 41.3

8、 機(jī)器人的開(kāi)展趨勢(shì) 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)32.1自由度及關(guān)節(jié) 42.2 基座及連桿 42.2.1 基座 72.2.2 大臂 72.2.3 小臂 72.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)42.4 驅(qū)動(dòng)方式42.5 傳動(dòng)方式42.6 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43.2 控制系統(tǒng)的搭建 43.2.1 工控機(jī)43.2.2 數(shù)據(jù)采集卡43.2.3 伺服放大器43.2.4 端子板 43.2.5電位器及其標(biāo)定 43.2.6電源 4第4章 控制系統(tǒng)軟件 44.1預(yù)期的功能 44.2 實(shí)現(xiàn)方法44.2.1實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動(dòng)*圍控制 44.2.2直流電機(jī)的伺服控制44.2

9、.3電機(jī)的自鎖44.2.4示教編程及在線修改程序44.2.5設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn)4第5章 總結(jié) 45.1 所完成的工作 45.2 設(shè)計(jì)經(jīng)歷 45.3 誤差分析 45.4 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(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已根本得到解決。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)化的有效方法；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)化的重要方法。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

10、出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的根底。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(guó)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局部功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、本錢低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(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(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由*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)展加工。 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

11、、不附屬于*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(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)開(kāi)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)展探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一*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(guó)外通常被稱之為Mechanical Hand，它是為主機(jī)效勞的，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)器人按照構(gòu)造形式的不同又可分為多

12、種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其構(gòu)造緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周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構(gòu)造形式，世界一些著名機(jī)器人的本體局部都采用這種機(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(jiǎn)單的根本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等局部組成的抓取和移動(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)這三局部組成，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(jué)裝置、視

13、覺(jué)裝置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(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(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成局部并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)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)器人的各局部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)器人各組成局部之間的關(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

14、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)三大局部。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)局部。1.2 機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)場(chǎng)研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的構(gòu)造特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機(jī)器人開(kāi)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。 目前工業(yè)機(jī)器人大局部還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)展控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別

15、能力；改良的方向主要是降低本錢和提高精度。 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(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息進(jìn)展反響，使機(jī)器人具有感覺(jué)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(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步開(kāi)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Fle*ible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Fle*ible 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(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活潑，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。國(guó)際工業(yè)

16、機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開(kāi)一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的開(kāi)展及應(yīng)用問(wèn)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(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)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(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，開(kāi)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，但還不具備傳感反響能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生*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)的飛速開(kāi)展和社會(huì)的進(jìn)步，

17、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(lái)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(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造CIM要求機(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(kāi)放構(gòu)造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)多采用封閉構(gòu)造的專用控制器，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(yǔ)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，

18、如果不進(jìn)展重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本方法是研究和使用具有開(kāi)放構(gòu)造的機(jī)器人系統(tǒng)。美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：11963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年，萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)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。21968-1970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(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車公司1968年訂購(gòu)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(guó)克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)沖床都

19、用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。31970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)開(kāi)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)開(kāi)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開(kāi)了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司Sundstrand創(chuàng)造了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬(wàn)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(guó)家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開(kāi)場(chǎng)以美國(guó)的Versatran和Unimate型

20、機(jī)器人為藍(lán)本開(kāi)場(chǎng)進(jìn)展研制的。就日本來(lái)說(shuō)，1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國(guó)的Versatran,川崎重工公司引進(jìn)Unimate，并獲得迅速開(kāi)展。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國(guó)并超過(guò)其他國(guó)家。經(jīng)過(guò)大約10年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980年開(kāi)場(chǎng)進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。我國(guó)雖然開(kāi)場(chǎng)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)的開(kāi)展比擬慢。目前我國(guó)已開(kāi)場(chǎng)有方案地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的開(kāi)展。1.3機(jī)器人開(kāi)展趨勢(shì) 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

21、生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)開(kāi)展趨勢(shì)： a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(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(cè)模塊組成構(gòu)造不同的機(jī)器人； b)開(kāi)發(fā)各種新型構(gòu)造用于不同類型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合； c)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(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(cè)

22、。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)展問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)展控制。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，本文的中構(gòu)造設(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)和反響信號(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

23、.2 大臂大臂長(zhǎng)度230mm，具體尺寸如圖2.1所示：圖2.1 大臂外形2.2.3 小臂小臂長(zhǎng)度240mm，具體尺寸如圖2.2所示：圖2.2 小臂外形2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案選取 方案論證控制器的選取與機(jī)械手手部設(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)展操作的部件。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)及外表狀態(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：夾鉗式取料手可加圖吸附式取料手專用操作器及轉(zhuǎn)換器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

24、指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開(kāi)和夾緊工件，是通過(guò)手指的*開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖2.3所示 圖2.3 機(jī)械手手指形狀 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2.4為初步設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖只畫出了一半，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(jiǎn)圖 在圖2.4中，O為電機(jī)輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)DE的來(lái)回?cái)[動(dòng)

25、，從而實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)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)的功率足以克制彈簧的收縮和*開(kāi)，并且提供足夠加緊物體的力。 圖2.5為采用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS來(lái)分析所設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作狀況。 圖2.5 虛擬樣機(jī)場(chǎng)景下面更進(jìn)一步計(jì)算出所需要的電機(jī)力矩。 圖2.6 力矩變化情況從圖2.6中看到，起始階段須克制的彈簧力最大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須大于550Nmm，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

26、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(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表2.1：表2.1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率 很大，壓力*圍為50140Pa大，壓力*圍為4860Pa，最大可達(dá)Pa 較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反響靈敏，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，能準(zhǔn)確定位，反響靈敏，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 很高構(gòu)造性能及體積構(gòu)造適

27、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，構(gòu)造緊湊，密封問(wèn)題較大構(gòu)造適當(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，構(gòu)造緊湊，密封問(wèn)題較小伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)造性能好，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)，構(gòu)造緊湊，無(wú)密封問(wèn)題平安性防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差對(duì)環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲無(wú)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用*圍適用于重載、低

28、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)器人等本錢液壓元件本錢較高本錢低本錢高維修及使用方便，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反響速度要快，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)展頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；3

29、驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；4平安可靠；5操作和維護(hù)方便；6對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要??；7經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積?；谏鲜鲵?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)展驅(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)MA*ON2332MA*ON2332MA*ON2332MULTIPLE*STELL-SERVOMULTIPLE*STELL-SERVO額定電壓18v18v18v6v6v額定轉(zhuǎn)矩18.2 Nm18.2 Nm18.2 Nm10.3 Nm10.3 Nm最大轉(zhuǎn)矩6

30、7.4Nm67.4Nm67.4Nm額定轉(zhuǎn)速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子慣量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm2.5傳動(dòng)方式由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有：1構(gòu)造緊湊，即具有一樣的傳動(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)軸在一樣的扭矩時(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

31、的位置控制精度；4壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。 本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，構(gòu)造緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(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)局部的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或者停頓的裝置，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)

32、器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動(dòng)器的情況如下：特殊情況下的瞬間停頓和需要采取平安措施停電時(shí)，防止運(yùn)動(dòng)局部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(guò)線圈時(shí)制動(dòng)器翻開(kāi)，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開(kāi)線圈中無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動(dòng)器被稱為無(wú)勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于平安制動(dòng)場(chǎng)合，所以也稱為平

33、安制動(dòng)器。電氣制動(dòng)器 電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過(guò)其反過(guò)程來(lái)到達(dá)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)在停頓轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橹亓σ蛩囟侣洹Ａ硗?，由于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動(dòng)器，所以只能通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng)。 采用電氣制動(dòng)器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)又具有制動(dòng)功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器人

34、上安裝機(jī)械制動(dòng)器會(huì)使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量防止。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(kāi)放性、實(shí)現(xiàn)方式和開(kāi)發(fā)工作量有很大的影響。一般常用的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)應(yīng)滿足：硬件系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線機(jī)構(gòu)，具有可伸縮性；硬件構(gòu)造具有必要的實(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；低本錢。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Motorol

35、a公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著PC機(jī)性能的快速開(kāi)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)域所承受?；赑C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，本錢低廉，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

36、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)部構(gòu)造屬于工業(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 1

37、6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*圍：+/-10V，+/-5V，0+5V，0+10V和420mA電流環(huán)。3.2.3伺服放大器 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，本文中利用報(bào)廢機(jī)器人上的ma*on電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，因此同樣選用ma*on伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ma*on motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2進(jìn)展驅(qū)動(dòng)，如圖3.2所示，這是專門針對(duì)ma*on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1230v之間，1、2接線端子

38、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(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)入這兩個(gè)接線端來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)，13、14接測(cè)速計(jì)本文中未用，3、4、10之間是一個(gè)光耦合器，輸入準(zhǔn)備好信號(hào)。在伺服控制器前面，有5個(gè)旋鈕調(diào)節(jié)器涌來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的五個(gè)參數(shù)，下邊有10個(gè)DIP開(kāi)關(guān)，用來(lái)選擇控制器工作狀態(tài)。 圖3.2伺服放大器接線及其調(diào)節(jié)示意3.2.4端子板不同的被測(cè)信號(hào)通過(guò)不同的傳送路線到采集卡，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)：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

39、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(kāi)，系統(tǒng)檢修和排除故障時(shí)不必全部停頓運(yùn)行。將每一路信號(hào)經(jīng)過(guò)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)展簡(jiǎn)單的調(diào)理，如經(jīng)電阻衰減、分流或經(jīng)過(guò)RC低通濾波后進(jìn)入采集卡。圖3.3所示為端子板電路 圖3.3端子板電路圖3.3所示的電路圖中，為防止直流電機(jī)產(chǎn)生的噪聲影響電路的正常運(yùn)行，使用了光電耦合器4N25。在機(jī)電一體化技術(shù)中，光電耦合電路是重要的接口電路。其中PCL-812PG通過(guò)五路數(shù)字量輸出來(lái)控制電機(jī)電路的通斷，PCL-726通過(guò)五路模擬量輸出來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行速度，另外PCL-812PG還負(fù)

40、責(zé)采集五個(gè)電位器的電壓，以此將電機(jī)的運(yùn)行角度反響給計(jì)算機(jī)。3.2.5電位器及其標(biāo)定電位器是一種可調(diào)電阻，也是電子電路中用途最廣泛的元器件之一。它對(duì)外有三個(gè)引出端，其中兩個(gè)為固定端，另一個(gè)是中心抽頭。轉(zhuǎn)動(dòng)或調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其中心抽頭與固定端之間的電阻將發(fā)生變化。本文采用的電位器是單圈的，也就是說(shuō)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度小于360，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)*圍內(nèi)，電位計(jì)的輸出電壓和關(guān)節(jié)角是一一對(duì)應(yīng)的，存在著一定的函數(shù)關(guān)系。從理論上來(lái)講，電位器應(yīng)該是線性的測(cè)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(guò)程中的磨損，這種函數(shù)關(guān)系并非理想的線性關(guān)系，

41、而是存在一定的偏移。電位器的標(biāo)定就是根據(jù)在各個(gè)角度處測(cè)量的電壓值，擬合出一條直線，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)展電位計(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

42、數(shù)關(guān)系： a= 32.9000v -36.3611注：以上標(biāo)定工作都是在10.00v的電壓下測(cè)量的3.2.6電源電位器和伺服放大器都需要一定的電壓，特別是電位計(jì)是在10.0v的條件下工作的，穩(wěn)定的電壓對(duì)于保證電位計(jì)反響信號(hào)的真實(shí)性具有重大的影響；而伺服放大器是在12v30v*圍內(nèi)工作的，電壓只要在此*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032v電壓輸出和02A電流輸出。這里設(shè)定兩路電壓輸出：14.0v供應(yīng)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(guò)設(shè)計(jì)控制軟件，使計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡

43、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*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(guò)數(shù)據(jù)采集控制 。編程的任務(wù)其實(shí)就是用計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡使之發(fā)出或獲取一系列數(shù)字量、模擬量。研華公司的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序中，附帶許多與板卡

44、相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)構(gòu)造以供使用，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)*圍控制 在BOOL CRobotDlg:OnInitDialog()函數(shù)中，設(shè)置定時(shí)器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)，然后在void CRobotDlg:OnTimer(UINT nIDEvent)函數(shù)中，通過(guò)調(diào)用bool CRobotDlg:position_now(USHORT ka1_chan)，采樣電位器輸出電壓，通過(guò)前面的電位器標(biāo)定函數(shù)，換算出各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來(lái)。在void CRobotDlg:OnChangeAngl

45、eEdit()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)*圍作比擬，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)停頓該關(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(lái)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(lái)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(lái)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停頓，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(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置伺

46、服控制，在預(yù)定的關(guān)節(jié)角*圍內(nèi)，電機(jī)可以運(yùn)行到任何一輸入的位置停頓。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(guò)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)停頓的時(shí)候卻會(huì)下落，因?yàn)殡姍C(jī)一旦停頓，就失去了驅(qū)動(dòng)力矩，因此假設(shè)想讓大臂和小臂停頓在預(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)提供應(yīng)電機(jī)的電壓也不同，如何選取電機(jī)的電壓呢？提供應(yīng)電機(jī)的電壓小了，缺乏以抵抗重力的力矩；提供應(yīng)電機(jī)的電壓大了，會(huì)使電機(jī)

47、轉(zhuǎn)動(dòng)，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過(guò)程序來(lái)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(guò)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)間比方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(guò)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(zhǎng)線性增加，以增大制動(dòng)力矩；這通過(guò)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頓下落，可跳出循環(huán)。下列圖為程序流

48、程圖：調(diào)用調(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，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

49、的制動(dòng)，而對(duì)于下降的臂則不可靠，有時(shí)候下降的臂停頓下落后會(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(lái)的速度下落，靜止后的速度變化較大，制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，很容易使制動(dòng)電壓的線性增長(zhǎng)時(shí)，超過(guò)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(guò)屢次修改，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，可以防止反彈現(xiàn)象的發(fā)生。下列圖為程序流程

50、圖：調(diào)用調(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，取得誤差量延時(shí)tms，再次采樣，取得誤差量e1= fVoltage_former- fVoltage進(jìn)入for循環(huán)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fo

51、r函數(shù)控制循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過(guò)n此循環(huán)后，跳出循環(huán)，大臂或小臂已停頓下落實(shí)現(xiàn)制動(dòng)用for函數(shù)控制循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過(guò)n此循環(huán)后，跳出循環(huán)，大臂或小臂已停頓下落實(shí)現(xiàn)制動(dòng)方法二驗(yàn)證：由于方法二采用PID控制，需要選擇適宜的比例、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4.14.2.4示教編程及在線修改程序設(shè)計(jì)方法：當(dāng)機(jī)器人停頓在*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)構(gòu)造體存儲(chǔ)struc

52、t positionfloat Voltage1;float Voltage2;float Voltage3;float Voltage4;float Voltage5;struct position *ne*t;記錄的位置同時(shí)顯示在列表框中，記錄位置不超過(guò)1000個(gè)。為了便于對(duì)這些位置作修改，本文采用鏈表來(lái)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)這些構(gòu)造體。當(dāng)記錄完畢以后，就可以運(yùn)行剛剛記錄的一系列位置了，由于采用鏈表構(gòu)造存儲(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(kāi)場(chǎng)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?；貐⒖键c(diǎn)的程序和回放示教程序一樣，不過(guò)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)展重新設(shè)計(jì)，還要重新布線。對(duì)關(guān)節(jié)軸電位器進(jìn)展重新標(biāo)定 由于標(biāo)定電壓不同，標(biāo)定