畢業(yè)設計-工業(yè)機器人機械手及其控制系統(tǒng)設計

畢業(yè)設計工業(yè)機器人機械手及其控制系統(tǒng)設計Designofindustrialrobotmanipulatoranditscontrolsystem系別：機械與汽車工程系專業(yè)名稱：機械設計制造及其自動化畢業(yè)設計任務書姓名學號班級1013班系別機械與汽車工程系專業(yè)機械設計制造及其自動化畢業(yè)論文〔設計〕題目工業(yè)機器人機械手及其控制系統(tǒng)設計指導教師所在單位吉林大學珠海學院任務：研究內容：本課題將設計一臺四自由度的工業(yè)機器人，將會被用作自動送料裝置。主要工作部件及設計重點就是機械手。第一，本人將設計該機器人的底座、大臂、小臂以及執(zhí)行機構機械手爪的結構和模型；第二，再設計出適合于該機器人的驅動、傳動方式，以期構成其的結構平臺。最后，在此根底上再將其控制系統(tǒng)設計出來，由下面幾個步驟組成：數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反響方式和反響元件的選擇、端子板電路的設計以及控制軟件的設計。其中重點要加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的平安性，最終要實現(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。研究方法、手段及步驟：研究機械手的機械結構，并繪制機械零件圖和裝配圖機械手驅動、傳動方式的選擇控制系統(tǒng)模式的選擇研究所選控制系統(tǒng)的構成及搭建控制系統(tǒng)軟件的選擇及操作誤差與性能提升分析時間安排：下發(fā)任務書時間2021年11月中旬至2021年12月31日開題報告上交時間2021年1月15日〔須經指導教師審核通過〕外文翻譯上交時間2021年1月15日畢業(yè)論文中期檢查時間2021年3月15日畢業(yè)論文、圖紙完成時間2021年4月30日辯論時間2021年5月初參考資料：工業(yè)機器人技術西安電子科技大學出版社機電傳動控制華中科技大學出版社工業(yè)機器人圖冊機械工業(yè)出版社機電一體化實用手冊科學出版社控制電氣及應用清華大學出版社C語言程序設計教程華南理工大學出版社機械制造裝備設計機械工業(yè)出版社電工與電子技術高等教育出版社機電一體化技術西安電子科技大學出版社10、機械技術根底機械工業(yè)出版社11、大學C++程序設計教程高等教育出版社12、大學VisualC++程序設計案例教程高等教育出版社13、IndustrialrobottechnologyOxfordPress14、Craig,JohnJ.Introductiontorobotics15、BasilioBonaandAldoCuratella.IdentificationofIndustrialRobotParametersforAdvancedModel-BasedControllersDesignProceedingsofthe2005IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.Barcelona,Spain,April200516、IntroductiontoRoboticsMechanicsandControl-ThirdEdition-JohnJ.Craig系專家組審核意見：吉林大學珠海學院機械與汽車工程系2021年01月01日

摘要工業(yè)機器人技術是近年來新技術開展的重要領域之一，是以微電子技術為主導的多種新興技術與機械技術交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術。這一技術在工業(yè)、農業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動化及生活效勞等眾多領域有著越來越多的應用。工業(yè)機器人在提高產品質量、加快產品更新、提高生產效率、促進制造業(yè)的柔性化、增強企業(yè)和國家的競爭力等諸多方面有著舉足輕重的地位。而機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務執(zhí)行機構，是機器人的關鍵部件之一；是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產自動化實踐相結合的產物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成局部；是提高生產過程自動化、改善勞動條件、提高產品質量和生產效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。本課題將設計一臺四自由度的工業(yè)機器人，將會被用作自動送料裝置。主要工作部件及設計重點就是機械手。第一，本人將設計該機器人的底座、大臂、小臂以及執(zhí)行機構機械手爪的結構和模型；第二，再設計出適合于該機器人的驅動、傳動方式，以期構成其的結構平臺。最后，在此根底上再將其控制系統(tǒng)設計出來，由下面幾個步驟組成：數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反響方式和反響元件的選擇、端子板電路的設計以及控制軟件的設計。其中重點要加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的平安性，最終要實現(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：工業(yè)機器人；機械手；驅動；控制

AbstractIndustrialrobottechnologyisoneoftheimportantfieldsinthedevelopmentofnewtechnologiesinrecentyears,isacross,avarietyofemergingtechnologyandmechanicaltechnologyintegrationwithmicroelectronicstechnologyastheleadingintoacomprehensivehighandnewtechnology.Thistechnologyhasbeenusedmoreandmoreinthefieldsofindustry,agriculture,nationaldefense,medical,officeautomationandservicelife.Industrialrobotsplayadecisiveroleinimprovingthequalityofproducts,tospeeduptheupdateproducts,improveproductionefficiency,promotemanufacturingflexibility,strengthenenterpriseandnationalcompetitivenessetc.Themanipulatoristhetraditionaltaskexecutionmechanismofindustrialrobotsystem,isoneofthekeycomponentsoftherobot;isaproductofmoderncontroltheoryandautomationofindustrialproductionpractice,andtobecomeanimportantpartofmodernmechanicalmanufacturingsystem;itisoneoftheeffectivewaystoimprovetheproductionprocessautomation,improveworkingconditions,toimprovetheproductqualityandproductionefficiency.Especiallywitharadioactivepollutioninhightemperature,highpressure,dust,noiseandoccasions,morewidelyapplied.Thistopicwillbethedesignofindustrialrobotwithafourdegreeoffreedom,willbeusedfortheautomaticfeedingdevice.Themainworkingpartsanddesignfocusismanipulator.First,thebase,Iwilldesigntherobotbigarm,smallarmandgripperactuatorstructureandmodel;second,redesigndrive,drivemodesuitablefortherobot,inordertoformthestructureofplatform.Finally,onthebasisofthedesignedcontrolsystem,consistingofthefollowingsteps:thedesignofdataacquisitioncardandservoamplifierselection,feedbacksystemandthefeedbackcomponentselection,terminalboardcircuitdesignandcontrolsoftware.Thekeytostrengthenthesecurityofoperationreliabilityandrobotcontrolsoftware,toachievetheultimategoalsinclude:Jointservocontrolandbrakeproblems,real-timemonitoringthemovementofeachjointofrobot,robotteachingprogrammingandonlinemodifytheprogram,setthereferencepointandthereferencepointreturn.KeyWords：Industrialrobot;Manipulator;Drive;Control目錄1緒論 11.1 工業(yè)機器人簡介 1 開展史 1特點 1構造分類 21.1.4應用 31.2 國內外開展狀況 41.2.1國外開展 41.2.2國內開展 51.3 工業(yè)機器人開展趨勢 52工業(yè)機器人試驗平臺及機械手設計 62.1機械手設計 6機械手簡介 62.1.2機械手分類 6具體結構設計 72.2工業(yè)機器人基座與連桿設計 9基座的設計 9大臂設計 9小臂設計 102.3工業(yè)機器人自由度及關節(jié)的設計 102.4選擇適宜的驅動方式 11電機驅動 11液壓驅動 12氣壓驅動 12驅動方式確實定 132.5選擇適宜的傳動方式 132.6選擇適宜的制動器 143控制系統(tǒng)硬件的組成 153.1選擇適宜的控制系統(tǒng)模式 153.2建立適宜的控制系統(tǒng)模型 164控制系統(tǒng)軟件的選取和設計 194.1預期實現(xiàn)動作 194.2實現(xiàn)手段 194.2.1各關節(jié)運動控制及監(jiān)測 194.2.2直流電機伺服控制 204.2.3電機自鎖 204.2.4程序的在線修改與示教控制 224.2.5參考點的設置 225總結 225.1設計經驗 225.2誤差分析 235.3總體評價 23致謝 23參考文獻 241緒論工業(yè)機器人簡介開展史1920年由著名捷克斯洛伐克作家查培克所作劇本?羅薩姆的萬能機器人?里第一次出現(xiàn)了“機器人〞這個名詞，但最初〞Robot〞一詞是苦力的意思，指的是一臺類人的且具有特殊功能的機器，為一種人造苦力。這就是最原始的的工業(yè)機器人假想。進入20世紀中期，有越來越多的人開始關注機器人的研究。其中美國橡樹嶺實驗室就開始對可控的搬運核原料機械手進行了研究。其控制系統(tǒng)為主從型控制系統(tǒng)，這種控制方式促進了近代工業(yè)機器人的研發(fā)和設計。1954年工業(yè)機器人的概念由美國人戴沃爾最早提出且申請專利。這是一種借助伺服系統(tǒng)控制機器人關節(jié)并利用人手對其動作示教，從而到達動作記錄與再現(xiàn)的工業(yè)機器人，即示教再現(xiàn)機器人。該控制模式成為當前主流的機器人控制方式。1959年，美國Unimation公司生產出了世界上第一臺工業(yè)機器人，成為機器人開展史上的一塊里程碑。該公司VAL語言也成為機器人領域最原始的程控語言，并逐漸傳播于各個大學及科研機構，成為機器人品牌的根本模版，而且其機械局部的結構也成為該行業(yè)的范本。在工業(yè)機器人領域，日本也不甘落后，在經過了20世紀60年代的搖籃期，70年代的實用化時期，以及80年代的普及、提高期3個根本階段后，日本的工業(yè)機器人已經取得了突飛猛進的開展。現(xiàn)在，日本機器人主要用于汽車制造業(yè)和電子機械產業(yè)，而電子機械產品中的電子零件封裝、半導體封裝、無塵室、組裝等領域占了日本機器人銷售額的一半。現(xiàn)在日本擁有機器人的總量為美國的7倍。1.1.2特點工業(yè)機器人具有以下顯著特征：通用性：在執(zhí)行不同作業(yè)任務時，一般的工業(yè)機器人都具有良好的通用性〔特別設計的專用機器人除外〕。例如：為了讓同一部工業(yè)機器人執(zhí)行不同的任務，我們可只更換其末端執(zhí)行機構〔機械手爪，作業(yè)工具等〕；可編程：柔性啟動化是生產自動化的下一開展目標。為了讓工業(yè)機器人在小批量多品種且具有均衡高效率的柔性制造任務中發(fā)揮更好的功能，我們需要根據(jù)其工作環(huán)境的需要對其進行相應的編程和再編程，這是柔性制造系統(tǒng)中的重要組成局部。擬人化：除了在機械結構上工業(yè)機器人有類似人的移動機構〔下肢〕、腰部、大臂、小臂、手腕、手爪等之外，在控制系統(tǒng)上還有類似人腦的計算機。而且，新興的智能化機器人還具有許多類人生物傳感器，例如，視覺、聲覺、嗅覺傳感器，皮膚接觸傳感器，力傳感器，負載傳感器以及語言功能等等。正是因為有了傳感器，工業(yè)機器人對周圍環(huán)境的適應能力才有了很大提高。涉及學科較復雜廣泛：工業(yè)機器人涉及的知識面非常廣泛，概括來講主要為機械學科和微電子學科的結合，即機電一體化技術。第三代智能機器人不僅能夠通過各種傳感器獲得外界信息，而且還具有邏輯推理、圖像識別、言語理解等人工智能，這些都與微電子技術的應用，特別是計算機技術的應用息息相關。所以，機器人技術的開展必將推動其他領域的開展，越來越成為衡量一個國家工業(yè)化水平開展的重要依據(jù)。1.1.3構造分類工業(yè)機器人由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和主體三個根本局部構成。其中機座和執(zhí)行機構〔包括手部、腕部、臂部〕構成了機器人的主體；動力裝置與傳動機構組成了機器人的驅動系統(tǒng)；控制系統(tǒng)主要是根據(jù)輸入程序對驅動系統(tǒng)和主體發(fā)出各種指令集進行控制。工業(yè)機器人按照不同的分類方式可分為不同的種類：按臂部運動形式：工業(yè)機器人按照臂部運動形式可分為四類，直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉、俯仰和伸縮；關節(jié)型的臂部有多個轉動關節(jié)。按執(zhí)行機構運動的控制機能：可分為兩類，點位型和連續(xù)軌跡型。點位型指的是控制其執(zhí)行機構由一點到另一點的精確定位，通常適用于上下料機構，一般電焊、搬運、裝卸等；連續(xù)型可實現(xiàn)按照輸入程序指定的軌跡連續(xù)作業(yè)，通常適用于涂裝、；連續(xù)焊接等。按程序輸入方式：可分為編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型指可通過串口或以太網(wǎng)通信方式將計算機中已編好程序文件傳送至機器人控制柜；而示教輸入型指的就是示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。智能型工業(yè)機器人指能夠在復雜環(huán)境下工作，且具備觸覺、力覺或簡單視覺以及識別功能或進一步增加自適應、學習等功能的復雜機器人。附圖：圖1-1機器人一般構成圖1-2機器人各局部間相互關系1.1.4應用在現(xiàn)代工業(yè)生產中，工業(yè)機器人不僅能夠代替人類做很多單調、頻繁、重復的長時間作業(yè)任務，還能有效承當高風險，極端惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在原子能領域，完成有害核廢料的搬運或處理工作。20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的根底上，采用伺服機構和自動控制等技術，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人；60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產中得到應用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產線。此后，各工業(yè)興旺國家都很重視研制和應用工業(yè)機器人。由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產，70年代起，常與數(shù)字控制機床結合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成局部。國內外開展狀況1.2.1國外開展1954年，美國人戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利要點為借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，使其實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)，被稱為示教在現(xiàn)機器人，現(xiàn)有機器人根本上都是該控制方式。1958年，被譽為“工業(yè)機器人之父〞的JosephF.EngelBerger創(chuàng)立了世界上第一個機器人公司——Unimation公司，并參與設計了第一臺Unimate機器人。這是一臺用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅動機器人，手臂控制由一臺專用計算機完成。它采用別離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠記憶和完成180個工作步驟。與此同時，另一家美國公司——AMF公司也開始研制工業(yè)機器人。它主要用于機器之間的物料運輸，采用液壓驅動。該機器人的手臂可以繞底座回轉，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認為，這兩種機器人是世界上最早的工業(yè)機器人。隨著計算機技術和人工智能技術的飛速開展，機器人在功能和技術層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺與觸覺就是典型的代表。這些技術的開展推動了機器人概念的延伸。20世紀80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱之為智能機器人。水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術擴散和滲透到各個領域，便形成了各式各樣的新機器——機器人化機器。當前，與信息技術的交互和融合又產生了“軟件機器人〞、“網(wǎng)絡機器人〞的名稱，這也說明了機器人所具有的創(chuàng)新活力。美國的機器人技術一直處于世界領先水平。在1967—1974年的幾年時間里，由于政府對機器人開展重視度不夠，且機器人處于開展初期，價格昂貴，適用性不強，所以開展緩慢。此后，由于美國機器人協(xié)會、制造工工程師協(xié)會積極主動的進行機器人技術推廣工作，且美國為了高效生產，適應市場多變的需求，以機器人為核心的柔性自動化生產線恰好有這些優(yōu)點，所以機器人技術得以迅猛開展。日本機器人的開展經過了20世紀60年代的搖籃期，70年代的實用化時期，以及80年代的普及、提高期3個根本階段。在1967年，日本東京機械貿易公司首次從美國引進機器人。1968年，日本川崎重工業(yè)公司與美國Unimation公司締結國際技術合作協(xié)議，引進機器人。1970年，日本機器人實現(xiàn)國產化。從此，日本進入了開發(fā)和應用機器人時期。幾年后，美國反而要向日本進口機器人。1983年，美國從日本進口機器人占進口機器人總數(shù)的78%。日本政府和企業(yè)一直充分信任機器人，大膽使用機器人。在解決勞動力缺乏、提高生產率、改良產品質量、降低產品本錢方面，機器人發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經濟增長速度和產品競爭能力的不可缺少的隊伍。日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產，是日本汽車及電子產品生產量猛增，質量日益提高，而制造本錢那么大幅降低，從而使日本汽車能夠以廉價的絕對優(yōu)勢進軍號稱“汽車王國〞的美國市場。據(jù)統(tǒng)計，2007年日本機器人的銷售額為5850億日元，其中出口額到達3730億日元。日本推動機器人開展的主要原因是向海外開展的日本企業(yè)數(shù)量逐漸增加，同時海外的汽車制造商也開始積極地引進日本機器人?，F(xiàn)在，日本機器人主要用于汽車制造業(yè)和電子機械產業(yè)，而電子機械產品中的電子零件封裝、半導體封裝、無塵室、組裝等領域占了日本機器人銷售額的一半?，F(xiàn)在日本擁有機器人的總量為美國的7倍。1.2.2國內開展我國工業(yè)機器人起步于上世紀1970年初期，經過20多年的開展，大致經歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。1970年我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機器人應用掀起一個高潮，尤其在日本開展更為迅猛，它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。進入80年代后，在高技術浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機器人技術的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持。“七五〞期間，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術研究開展方案〔863方案〕開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術的前沿，經過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。從90年代初期起，我國的國民經濟進入實現(xiàn)兩個根本轉變時期，掀起了新一輪的經濟體制改革和技術進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產業(yè)化基地，為我國機器人產業(yè)的騰飛奠定了根底。雖然中國的工業(yè)機器人產業(yè)在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。從市場占有率來說，更無法相提并論。工業(yè)機器人很多核心技術，當前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產業(yè)開展的一個重要瓶頸。工業(yè)機器人開展趨勢智能化、仿生化是工業(yè)機器人的最高階段，隨著材料、控制等技術不斷開展，實驗室產品越來越多的產品化，逐步應用于各個場合。伴隨移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的開展，多傳感器、分布式控制的精密型工業(yè)機器人將會越來越多，逐步滲透制造業(yè)的方方面面，并且由制造實施型向效勞型轉化。就目前總的開展形勢來看，工業(yè)機器人會有以下開展趨勢：(1)通過提高運動速度和運動精度，減少不必要的空間和質量的占用；通過工業(yè)機器人功能部件模式化和標準化的加速，到達將其不同模塊統(tǒng)籌協(xié)調的目的；〔2〕為適應不同場合作業(yè)任務的要求，必須設計研發(fā)出各種新型結構的工業(yè)機器人，例如：為了到達精度要求而研發(fā)出微動機構，為了到達機動靈活的目的而研發(fā)出多指靈巧手或移動是工業(yè)機器人；〔3〕為了讓其更好地適應多變的外部環(huán)境，以期獲取更多外部信息，就需研發(fā)各種類型的傳感器和檢測元器件，包括視覺、觸覺、聽覺、味覺傳感器以及距離檢測、壓力監(jiān)測、加速度檢測、陀螺儀等裝置，而且微機控制越來越成為主流的控制方式。2工業(yè)機器人試驗平臺及機械手設計本設計的主要目的就是利用手頭上一部已經報廢掉了的噴涂機器人，在此根底上進行適當?shù)母脑旌蛣?chuàng)新，重新設計出一臺物料搬運機器人。其中重點局部就是機械手的設計。2.1機械手設計2.1.1機械手簡介機械手是工業(yè)機器人的重要組成局部，是其直接執(zhí)行機構，又稱為末端操作器，它是機器人直接用于抓取和握緊〔吸附〕專用工具〔如噴頭、焊具、扳手、噴槍等〕并進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。隨著近年來工業(yè)自動化水平的迅速開展，機械手正逐漸開展成為一門新興的學科，并且開展地越來越快，成為自動化領域中常見的控制對象。其不僅被廣泛地應用于諸如噴漆、裝配、焊接、沖壓、鍛造等行業(yè)，而且在高溫、有毒、高放射性等惡劣環(huán)境中也經?？吹綑C械手的身影。由于機械手能夠有效地提高生產效率，改善勞動條件，減輕人類的勞動量，因此在工業(yè)自動化領域，機械手越來越受到人們的重視。2.1.2機械手分類因為被握工件材質、質量、形狀、尺寸以及外表粗糙度等因素的差異，所以工業(yè)機器人機械手的種類是很繁多的，我們可以大概地將其分為以下幾種：吸附式取料手；夾鉗式取料手；仿生多指靈巧手；專用轉換器及操作器；其他類機械手。2.1.3具體結構設計本次設計對象為自動送料工業(yè)機器人，只需設計出能從各個角度位置抓取物件的鉗形手爪，并不需要設計出結構復雜的仿生多指靈巧手。工業(yè)機器人機械手指直接與物件相接觸。通過手指的開閉來實現(xiàn)松開和加緊物件。本次設計使用兩根手指，其結構外形如下列圖所示：圖2-1該工業(yè)機器人機械手指形狀為了實現(xiàn)加緊和松開物料的目的，傳動機構須向機械手指傳送動力或運動。我們可以根據(jù)其張開、閉合的特征將其運動分為平移型和回轉型兩種。此次設計采用回轉型傳動機構。在此，我們將其初步機械手結構圖設計出來，如下列圖所示：圖2-2機械手結構簡圖在圖2-2中，O點為電機的輸出軸，其中滑塊B、連桿AB、曲柄OA以及支架構成了簡單的曲柄滑塊機構；而連桿CE、BC、滑塊B以及支架那么構成了搖桿滑塊機構。最終電機能夠驅使連桿DE往復擺動就是通過以上兩個機構的串聯(lián)實現(xiàn)的，從而到達手指開閉的目的。圖2-2中的藍線與黑線代表該機構運動的極限位置。另外，為了給手指的加緊提供足夠的預緊力，也為了使手指更加順利地加緊和松開物料，特意在兩根手指之間連接了一根彈簧。因此，在考慮選取電機時，一定要讓電機具有足夠的功率來克服彈簧的彈力，這樣才能使手指順利松開和加緊，且提供足夠的夾緊力。為了形象真實的的表示機械手指的工作狀況，我們可以選用適當?shù)能浖o予仿真處理，本次設計選取的軟件為虛擬樣機ADAMS軟件。之所以選擇ADMS，是因為其方便易用，容易上手。機械手各機構工況分析如下列圖所示：

圖2-3ADAMS仿真虛擬場景接下來就是更重要的數(shù)據(jù)計算了，我們可以利用該軟件求出所需電機的力矩等參數(shù)。圖2-4所需電機力矩變化示意圖由圖2-4，我們可以得知，初始階段電機克服彈簧的彈力是最大的，因此所選取的電機力矩須大于550N·mm，數(shù)據(jù)結果可能會有誤差，但還是有很大參考價值的。2.2工業(yè)機器人基座與連桿設計2.2.1基座的設計基座是工業(yè)機器人的重要組成局部，是其主要的支撐部件。在此，我們采用兩塊兒“Z〞型球墨鑄鐵作為支撐，以期到達穩(wěn)定的目的。電機所有的驅動、反響信號都從基座上方的接線盒中出入。因此需要在接線盒外部設計出兩個出口，分別為引入線出口和引出線出口?；唸D如下：圖2-5基座簡圖2.2.2大臂設計統(tǒng)籌機器人總體尺寸，到達整體的協(xié)調，故將大臂長度設計為230mm，其具體參數(shù)如下列圖所示：圖2-6大臂簡圖2.2.3小臂設計與大臂設計規(guī)那么相似，將小臂尺寸定為240mm，其具體參數(shù)如下列圖所示：圖2-7小臂簡圖2.3工業(yè)機器人自由度及關節(jié)的設計之前我們已經設計出了工業(yè)機器人的機械手、基座、大臂和小臂等部件，為使該機器人能夠整體協(xié)調作業(yè)且高效完成物料搬運任務，故將其設計為四個自由度：腕關節(jié)、肘關節(jié)、肩關節(jié)和腰關節(jié)，且都為轉動關節(jié)。另外末端為執(zhí)行機構搬運機械手。為了形象地表示其整體結構，我們不妨用UG將其三維模型創(chuàng)立出來，這樣整個機器人的結構就根本上確定下來了。如下列圖所示：圖2-8該機器人三維模型2.4選擇適宜的驅動方式此工業(yè)機器人共有四個自由度，即四個轉動關節(jié)，外加末端執(zhí)行機構機械手，總共需提供5個動力機構。電機驅動、液壓驅動和氣壓驅動是工業(yè)機器人最常見的幾種驅動方式。此3種驅動模式各有特點，也各有所長。2.4.1電機驅動電機驅動的優(yōu)點：輸出功率較大；控制精度較高，且反響靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度連續(xù)軌跡控制；伺服特性好，伺服電機易于標準化控制，結構性能好，噪聲低，無密封問題；設備自身無爆炸、火災風險；對環(huán)境根本上沒有影響，綠色環(huán)保。缺點：控制系統(tǒng)較為復雜，不便于維修，本錢較高；通常情況下，電機需要配備減速裝置，難以直接驅動；假設使用直流有刷電機，其換向時會產生火花，如遇可燃氣體易爆炸。適用范圍：通常適用于中小型負載、速度較高且有較高控制精度的工業(yè)機器人。2.4.2液壓驅動液壓驅動的優(yōu)點：輸出功率很大，便于重載啟動；控制精度高，可到達連續(xù)軌跡控制；響應速度很高，反響靈敏，可到達無級調速；結構緊湊，可直接驅動，且可對執(zhí)行機構模擬化、標準化；維修使用較方便；防爆性能較好。缺點：存在較大密封問題，易泄漏；假設用液壓油作為傳動媒介，容易發(fā)生火災；對環(huán)境有污染。適用范圍：通常情況下，適用于低速重載工業(yè)機器人。2.4.3氣壓驅動氣壓驅動的優(yōu)點：結構簡單，維修使用方便，本錢較低；結構緊湊，體積較小，可直接驅動；密封問題小，防爆能力較高；響應速度較高，反響靈敏。缺點：由于其氣體壓縮性比擬大，造成控制精度低，低速時難以到達高精度控制的目的；對設備的抗壓性要求較高；噪音較大，對環(huán)境有一定影響。適用范圍：通常適用于控制精度較低的中小負載工業(yè)機器人。2.4.4驅動方式確實定既然以上三種驅動方式各有千秋，那個我們就需要整體把握該自動送料機器人的具體要求：a〕、驅動裝置質量要求足夠輕，輸出功率、效率要求足夠高；b〕、力矩與轉動慣量的比值要求足夠大，即響應速度要快，可以實現(xiàn)頻繁啟動，正反切換；c〕、靈敏度高，誤差要??；d〕、噪音小，綠色無污染；e〕、結構適當，本錢較低；f〕、便于操作維修，平安可靠。根據(jù)以上驅動要求，統(tǒng)籌兼顧各個方面，此次設計我們不妨選擇直流伺服電機驅動方式。各個關節(jié)電機型號及其參數(shù)如下表所示：表2-1工業(yè)機器人各驅動電機參數(shù)電機參數(shù)機械手爪腕關節(jié)肘關節(jié)肩關節(jié)腰關節(jié)型號MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVOMAXON2332MAXON2332MAXON2332轉子慣量——18.4gcm·cm18.4gcm·cm18.4gcm·cm最高轉速——9200rpm9200rpm9200rpm額定電壓6v6v18v18v18v額定轉速5460rpm5460rpm7980rpm7980rpm7980rpm額定轉矩10.3N·m10.3N·m18.2N·m18.2N·m18.2N·m最大轉矩——67.4N·m67.4N·m67.4N·m2.5選擇適宜的傳動方式通常情況下，采用電機驅動方式輸出力矩比擬小，為了增強其負載能力，必須增加相應的傳動機構來增大力矩。綜合考慮該機器人的工況條件，對其傳動機構提出以下幾點要求：a)、壽命較長，本錢較低；b〕、結構緊湊，質量較??；c〕、傳動剛度要求足夠大；d〕、回差盡可能小，以便獲得更高的控制精度。根據(jù)以上傳動要求，再統(tǒng)籌兼顧各種傳動方式的特點，此次設計采用齒形帶傳動的方式，這樣能夠有效減少運動過程中各個機構的沖擊和振動，增加平穩(wěn)度，而且能夠保證其控制精度的要求。齒形帶傳動也屬于同步帶傳動，可將回轉運動轉化為直線運動，通常用于平行軸間運動或力矩的傳遞，此次設計中，肘關節(jié)、肩關節(jié)和腰關節(jié)的傳動采用的就是該傳動方式。其傳動原理如下列圖所示：圖2-9齒形帶傳動原理其傳動比計算公式類似齒輪輪系間傳動公式：那么其平均速度為：2.6選擇適宜的制動器制動器就是將機械運動過程中的機械能轉化為內能，通過熱量的釋放使機械能減少，從而降低運動速度降低或停止運動裝置。通常分為兩種類型：電氣制動器與機械制動器。電氣制動器：電動機不僅可以將電能轉化為機械能，而且在一定條件下還可以將機械能轉化為電能。同樣的，伺服電機就是一種可以把電能轉化為機械能以實現(xiàn)驅動，同時也可以將機械能轉化為電能以實現(xiàn)制動的能量轉化裝置。對于不同種類的機電應采用適宜的制動電路。機械制動器：機械制動器種類繁多，包括電磁制動器、閘瓦式制動器、盤式制動器、螺旋式自動加載制動器等。最具有代表性的就是電磁制動器，其工作原理為：當有勵磁電流通過電機線圈時，由彈簧力制動的盤式制動器處于翻開狀態(tài)，不具有制動效果；當電源斷開，線圈中沒有勵磁電流時，制動器在彈力作用下處于常閉狀態(tài)，具有制動能力。被稱之為無勵磁動作型電磁制動器。又由于平安制動場合經常用到該制動器，因此也被稱為平安制動器。該自動送料機器人在以下兩種狀況下會使用到制動器：a)、一定條件下瞬間停止，并采取平安措施時；b〕、突發(fā)斷電時，使用制動器以阻止接下來的自然運動，防止其損壞其它裝置。此次設計，該機器人的肘關節(jié)和肩關節(jié)在停轉后，會受重力作用繼續(xù)向下運動，因為該機器人沒有裝備機械制動器。為了方便起見，我們可以采用軟件以實現(xiàn)肘關節(jié)、肩關節(jié)的電氣制動，而不必要在其原有機構上增加機械制動器。這樣做的優(yōu)點有：不必在機器人原有機構上增加機械制動器，這樣就防止了質量的增加，而且可以有效制動。但也存在缺陷，因為沒有機械制動器，所以斷電后不能有效制動。3控制系統(tǒng)硬件的組成3.1選擇適宜的控制系統(tǒng)模式設計有效的控制系統(tǒng)是該自動送料工業(yè)機器人的核心之所在。由于控制系統(tǒng)的硬件對系統(tǒng)的各個方面有著決定性的影響，因此第一步我們先要選擇硬件平臺。通常情況下，控制系統(tǒng)應該滿足以下幾點要求：a)、價格合理，本錢較低；b〕、系統(tǒng)模塊化程度較高，以便增加或者改變傳感器、接口以及微型計算機等設備；c〕、必須具備實時數(shù)據(jù)計算和分析能力；d〕、系統(tǒng)可伸縮性大。通常情況下，機器人的控制系統(tǒng)硬件平臺分為兩種，即基于PC總線和基于VME總線的系統(tǒng)。隨著微型計算機的迅猛開展，其控制效果得到了顯著改善，硬件配置也不斷提高，而本錢卻越來越低，因此基于PC總線的控制系統(tǒng)逐漸成為主流的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)。微機控制系統(tǒng)通常有以下幾種模式：a〕、單PC控制模式；b〕、DoublePC控制模式;c〕、PC+數(shù)據(jù)采集卡模式；d〕、PC+DSP運動控制卡模式；e〕、PC+分布式控制器模式。此次設計選擇PC+數(shù)據(jù)采集卡控制系統(tǒng)，因為該種控制系統(tǒng)本錢較低，且控制方式靈活，有利于自主編程，相對較符合本設計研究的需要。3.2建立適宜的控制系統(tǒng)模型該控制系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、伺服放大器、端子板、電位器以及電源構成。接下來根據(jù)控制需求及本錢確定適宜的型號即可。對于工業(yè)控制PC機，考慮到其兼容性、硬件維護與升級以及本錢等因素，我們可以選擇研祥集團EVOC工控機，其具體參數(shù)詳見說明書。對于數(shù)據(jù)采集卡，選擇研華16路數(shù)字量輸出的PCL812PG和6路獨立D/A輸出的PCL726，其集體參數(shù)詳見說明書。對于伺服系統(tǒng)，核心就是伺服電機的選取?？紤]到其穩(wěn)定性、可控性及本錢，我們可以利用一臺已經報廢的工業(yè)機器人上的Maxon伺服電機驅動器，其具體參數(shù)詳見說明書。接線與調試如下列圖所示：圖3-1Maxon伺服電機驅動器接下來選擇適宜的端子板。由于采集卡不便與每個傳感器直接相連，被測信號須經過端子板的調理進入采集卡，因此端子板作用是舉足輕重的。在端子板電路接線的設計中，考慮到電機對其它電路的影響，我們特意使用了光電耦合器，這也是機電一體化技術中的重要元器件。其電路如下列圖所示：圖3-2端子板電路簡圖電位器實際上就是一種可調電阻，安裝于該機器人的各個關節(jié)輸出軸，可根據(jù)其輸出電壓與關節(jié)角的一一對應關系，求出相應的方程。由于該機器人各關節(jié)運動角度均小于360度，因此我們可以選擇單圈電位器，本錢較低且滿足其控制要求。電位器理論上是線性元件，然而由于滑動磨損及噪音的影響，實際上其輸出函數(shù)并不是一條直線，即存在偏移。因此需要對各電位器進行標定，即通過測量出假設干組數(shù)據(jù)，繪制出直線，用于替換實際的復雜函數(shù)。其具體標定如下列圖所示：圖3-3電位器1、2的標定圖3-4電位器3、4的標定最后根據(jù)各圖像，計算出相應的函數(shù)關系式，標定工作完成。要保證控制系統(tǒng)的正常運行，需要提供14v的電壓，而要保證電位器的正常工作，那么需要提供10v的電壓。因此我們選擇可供應0至32伏特輸出，0至2安培輸出的雙路穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，其型號為DH1715A-3。至此我們根本上已經完成了控制系統(tǒng)模型的搭建，如下列圖所示：圖3-5該機器人控制系統(tǒng)簡圖4控制系統(tǒng)軟件的選取和設計之前我們已經構建了該機器人的三維結構模型與控制系統(tǒng)模型，接下來就需要通過計算機和數(shù)據(jù)采集卡向其發(fā)送各種指令，驅動其各個關節(jié)運動，使其能夠按照人的意愿完成自動送料任務。這就需要對其控制軟件進行設計。4.1預期實現(xiàn)動作a〕、使各個關節(jié)在其運動角度范圍之內完成各項動作任務，并予以實時顯示與檢測；b〕、電機可自鎖；c〕、直流電機可根據(jù)控制要求完成伺服控制；d〕、到達在線修改編程和示教再現(xiàn)目的；e〕、可使該機器人以空間中的一個點為參考點完成各項作業(yè)任務，并能回到該原點。4.2實現(xiàn)手段由圖3-5可得出以下結論：工程控制計算機是通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出或者獲取各種信號〔數(shù)字信號、模擬信號〕來實現(xiàn)對工業(yè)機器人控制的目的。因此就需要對其進行編程，我們可以將程序設計模塊化，將其要實現(xiàn)的功能分為多個模塊，分別設計完成。此次設計選取的數(shù)據(jù)采集卡驅動程序中自帶了我們所需的所有數(shù)據(jù)和函數(shù)，大大地提高了編程的效率。本次設計選取VC++為編程軟件。4.2.1各關節(jié)運動控制及監(jiān)測在相應函數(shù)中設置定時器，再調用庫函數(shù)，根據(jù)電位器測得電壓和電位器標定函數(shù)關系式，計算各關節(jié)回轉角度，并記錄。再將該組數(shù)據(jù)與相應關節(jié)運動范圍做比擬，可判斷是否超出范圍，假設超出區(qū)間，就彈框示警并自動停止其運動。其具體步驟如下圖：圖4-1函數(shù)的調用4.2.2直流電機伺服控制為了提高電路與直流電機運作的效率，通常情況下使用PWM來調節(jié)較大功率直流電機的運行速率。由于此次設計中的直流電機功率不大，我們可以采取線性控制的方式對其進行速度調節(jié)。對于第一個關節(jié)來說，與之相關函數(shù)有OnT1Button、OnF1Button以及OnZ1Button，代表的含義分別為電機的停轉、反轉和正傳，其運行速率靠電壓調節(jié)。為了對電機的位置進行伺服控制，使之在允許的運動角度范圍之內可運行至任意輸入位置，可以調用關鍵函數(shù)OnRun1Button。4.2.3電機自鎖由于此自動送料機器人各個關節(jié)均沒有安裝機械制動器，斷電后不能有效制動，因此我們需要通過軟件編程對其進行自鎖控制，特別針對肘關節(jié)與肩關節(jié)。實驗中遇到的問題與相應解決方法：在電機的驅動下大臂和小臂雖受重力卻不會自由落體，但電機一旦斷電，由于驅動力缺乏其必然會自然下落。為了使其在電機停轉后停止在預設位置，我們可以考慮給其關節(jié)處電機施加適當?shù)碾妷?，這樣在其反向電流產生的阻力矩下，大臂和小臂就會保持平衡。不過還存在一個問題，因為大臂和小臂在不同位置，其需要的平衡力矩是不同