四自由度搬運物料工業(yè)機器人的設(shè)計

四自由度搬運物料工業(yè)機器人的設(shè)計摘要: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(shù)水平和應(yīng)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)機器人主要承當(dāng)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)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(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設(shè)備運送物料。首先，本文將設(shè)計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇適宜的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此根底上，本文將設(shè)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、反響方式和反響元件的選擇、端子板電路的設(shè)計以及控制軟件的設(shè)計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的平安性，最終實現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。關(guān)鍵詞：機器人示教編程伺服制動TheDesignofanIndustrialRobotwithFourDOFsforCarryingMaterialforaPunchAbstract:Inthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisespaymoreattentionontheautomationdegreeoftheproductionprocessinordertoenhancethe

productionefficiency,andguaranteetheproductquality.Asanimportantpartofthe

automationproductionline,industrialrobotsaregraduallyapprovedandadoptedby

enterprises.Thetechniquelevelandtheapplicationdegreeofindustrialrobotsreflectthenationalleveloftheindustrialautomationtosomeextent,currently,industrialrobotsmainlyundertakethejobsofwelding,spraying,transportingandstowingetc.,whichareusuallydonerepeatedlyandtakehighworkstrength,andmostoftheserobotsworkinplaybackway.InthispaperIwilldesignanindustrialrobotwithfourDOFs,whichisusedto

carrymaterialforapunch.FirstIwilldesignthestructureofthebase,thebigarm,thesmallarmandtheendmanipulatoroftherobot,thenchooseproperdrivemethodandtransmissionmethod,buildingthemechanicalstructureoftherobot.Onthisfoundation,Iwilldesignthecontrolsystemoftherobot,includingchoosingDAQcard,servocontrol,feedbackmethodanddesigningelectriccircuitoftheterminalcardandcontrolsoftware.Greatattentionwillbepaidonthereliabilityofthecontrolsoftwareandtherobotsafetyduringrunning.Theaimstorealizefinallyinclude:servocontrolandbrakeofthejoint,monitoringthemovementofeachjointinrealtime,playbackprogrammingandmodifyingtheprogramonline,settingreferencepointandreturningtoreferencepoint.Keywords:Robot；Playback；Servocontrol；Brake引言機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大局部組成。手部是用來抓持工件〔或工具〕的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動〔擺動〕、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反響的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。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。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已根本得到解決。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)自動化的有效方法；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)自動化的重要方法。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(yīng)用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的根底?！肮I(yè)機器人〞〔IndustrialRobot〕：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(nèi)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局部功能，工作程序固定的自動化裝置。有些機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、本錢低廉、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的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機器人稱為通用機器人。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(wù)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)，后來開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“MechanicalHand〞，它是為主機效勞的，由主機驅(qū)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(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體局部都采用這種機構(gòu)形式的機器人。要機器人像人一樣拿取東西，最簡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機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)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(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(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。機器人的這些組成局部并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)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機器人各組成局部之間的關(guān)系機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)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(wù)。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供機器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)那么將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻那么把機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大局部。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機構(gòu)局部。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(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人開展最快、應(yīng)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)機器人大局部還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式那么為開環(huán)式，沒有識別能力；改良的方向主要是降低本錢和提高精度。第二代機器人正在加緊研制。它設(shè)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響，使機器人具有感覺機能。第三代機器人〔機器人〕那么能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步開展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中的重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活潑，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)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開展及應(yīng)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)開展的需要。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(yīng)用較多，開展較快。目前主要應(yīng)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，但還不具備傳感反響能力，不能應(yīng)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(xué)技術(shù)的飛速開展和社會的進步，針對于上述各個領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)不同的應(yīng)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(shè)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(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(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本方法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。美國工業(yè)機器人技術(shù)的開展，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(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應(yīng)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臺機器人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(yīng)用和技術(shù)開展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術(shù)開展階段。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)機器人會議。據(jù)當(dāng)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〕創(chuàng)造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(xué)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〞，并獲得迅速開展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，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(shù)的開展比擬慢。目前我國已開始有方案地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的開展。1.3機器人開展趨勢隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當(dāng)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(jié)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)機器人有以下幾個開展趨勢：1.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(biāo)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(jié)構(gòu)不同的機器人；2.開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(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)各類行走機器人，以適應(yīng)不同的場合；3.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(shè)計該設(shè)計的目的是為了設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計主要偏向于對原有機構(gòu)的改造和機械手的設(shè)計。2.1自由度及關(guān)節(jié)圖2.1機器人結(jié)構(gòu)示意圖該機器人有四個自由度，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。2.2基座及連桿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(qū)動信號和反響信號都從中出入。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。大臂大臂長度230mm，具體尺寸如圖2.1所示：圖2.2大臂外形小臂小臂長度240mm，具體尺寸如圖2.2所示：圖2.3小臂外形2.3機械手的設(shè)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(zhì)及外表狀態(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(zhuǎn)換器4.仿生多指靈巧手本文設(shè)計對象為物料搬運機器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)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(shè)計采用兩個手指，其外形如圖2.3所示圖2.4機械手手指形狀傳動機構(gòu)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(gòu)。根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移型。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。圖2.4為初步設(shè)計的機械構(gòu)簡圖〔只畫出了一半，另外一半關(guān)于中心線對稱〕。圖2.5機械構(gòu)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(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機構(gòu)。通過兩個機構(gòu)串聯(lián)，使電機最終驅(qū)動DE的來回擺動，從而實現(xiàn)手指的開合運動。圖2.4中的粗線和細線表示機構(gòu)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(shè)置一個彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?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(shè)計的機械構(gòu)的工作狀況。圖2.6虛擬樣機場景下面更進一步計算出所需要的電機力矩。圖2.7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(zhuǎn)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(qū)動方式該機器人一共具有四個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)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(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表2.1:表2.1三種驅(qū)動方式的特點對照內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率

很大，壓力范圍為50～140Pa大，壓力范圍為48～60Pa

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(diào)速，反響靈敏，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，反響靈敏，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(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)行機構(gòu)可標(biāo)準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。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)行機構(gòu)可標(biāo)準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。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機易于標(biāo)準化，結(jié)構(gòu)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(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題平安性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，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(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)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(qū)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，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便較復(fù)雜機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：1.驅(qū)動系統(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)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；3.驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小；4.平安可靠；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(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文選用直流伺服電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。表2.2為選定的各個關(guān)節(jié)電機型號及其相關(guān)參數(shù)。表2.2機器人驅(qū)動電機參數(shù)電機參數(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MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO額定電壓18v18v18v6v6v額定轉(zhuǎn)矩18.2N·m18.2N·m18.2N·m10.3N·m10.3N·m最大轉(zhuǎn)矩67.4N·m67.4N·m67.4N·m額定轉(zhuǎn)速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子慣量9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm2.5傳動方式由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構(gòu)來增加力矩，提高帶負載能力。對機器人的傳動機構(gòu)的一般要求有：1.結(jié)構(gòu)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(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)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(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的運動。為減小機構(gòu)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?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，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。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:(2-1)齒輪帶的平均速度為:(2-2)圖2.8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局部的能量變?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器兩類。在機器人機構(gòu)中，需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平安措施2.停電時，防止運動局部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(qū)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翻開，這時制動器不起制動作用，而當(dāng)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平安制動場合，所以也稱為平安制動器。電氣制動器:電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機械能，同時也能通過其反過程來到達制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應(yīng)電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿与娐贰１疚闹?，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)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(gòu)上添加機械制動器，所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)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(qū)動系統(tǒng)質(zhì)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(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量防止。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩５?章控制系統(tǒng)硬件3.1控制系統(tǒng)模式的選擇構(gòu)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(yīng)滿足：硬件系統(tǒng)基于標(biāo)準總線機構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)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；低本錢。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〔VersamodelEurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開放標(biāo)準總線〕的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來，隨著PC機性能的快速開展，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(lǐng)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，本錢低廉，有利于本文設(shè)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)框圖工控機在此選用研華工業(yè)控制機,主頻233MHz,內(nèi)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(qū)動能力較強；整機內(nèi)部結(jié)構(gòu)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。數(shù)據(jù)采集卡在本設(shè)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(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)。伺服放大器在驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要是對伺服電機的驅(qū)動，本文中利用報廢機器人上的maxon電機驅(qū)動關(guān)節(jié)，因此同樣選用maxon伺服電機驅(qū)動器〔maxonmotorcontrol4-Q-DCServoControlLSC30/2〕進行驅(qū)動，如圖3.2所示，這是專門針對maxon電機設(shè)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(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)，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(diào)節(jié)器用來調(diào)節(jié)電機的五個參數(shù)，下邊有10個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(nèi)，不便直接連接到工業(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(diào)理電路或驅(qū)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(diào)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(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(zhuǎn)和運行速度，另外PCL-812PG還負責(zé)采集五個電位器的電壓，以此將電機的運行角度反響給計算機。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。它對外有三個引出端，其中兩個為固定端，另一個是中心抽頭。轉(zhuǎn)動或調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)節(jié)輸出軸上，所以在關(guān)節(jié)角的運動范圍內(nèi)，電位計的輸出電壓和關(guān)節(jié)角是一一對應(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(guān)系。下面即是對各個關(guān)節(jié)的進行電位計標(biāo)定。電位器1的標(biāo)定，如圖3.4所示：圖3.4電位器1的標(biāo)定電位器2的標(biāo)定圖3.5電位器2的標(biāo)定如圖3.5所示：關(guān)節(jié)角2與電位計2的函數(shù)關(guān)系：a=33.2967v-124.2692電位器3的標(biāo)定圖3.6電位器3的標(biāo)定如圖3.6所示：關(guān)節(jié)角3與電位計3的函數(shù)關(guān)系：a=32.9333v-16.2222電位器4的標(biāo)定圖3.7電位器4的標(biāo)定如圖3.7所示：關(guān)節(jié)角4與電位計4的函數(shù)關(guān)系：a=32.6333v-75.1389電位器5的標(biāo)定圖3.8電位器5的標(biāo)定如圖3.8所示：電機5與電位計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響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(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——供應(yīng)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(shè)計和控制系統(tǒng)硬件的搭建，下面將通過設(shè)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(qū)動機器人各個關(guān)節(jié)的運動，使之按照人的意愿“工作〞。4.1預(yù)期的功能1.實時顯示各個關(guān)節(jié)角，并且可以防止各個關(guān)節(jié)的運動角度超出預(yù)定的關(guān)節(jié)角范圍內(nèi)；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(shè)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(shè)計思想為指導(dǎo)，以預(yù)期要實現(xiàn)的功能作為各個模塊，設(shè)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(wù)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(qū)動程序中，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VisualC++作為編程工具。實時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制在BOOLCRobotDlg::OnInitDialog()函數(shù)中，設(shè)置定時器SetTimer(1,gwScanTime,NULL)，然后在voidCRobotDlg::OnTimer(UINTnIDEvent)函數(shù)中，通過調(diào)用boolCRobotDlg::position_now(USHORTka1_chan)，采樣電位器輸出電壓，通過前面的電位器標(biāo)定函數(shù)，換算出各個關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來。在voidCRobotDlg::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)的運動范圍作比擬，看其是否在此區(qū)間內(nèi)，否那么彈出警告對話框，并且自動停止該關(guān)節(jié)的運動。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(diào)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(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的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，其中電機的運行速度靠輸入的電壓值調(diào)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(yù)定的關(guān)節(jié)角范圍內(nèi)，電機可以運行到任何一輸入的位置停止。電機的自鎖前面在2.7節(jié)中講到該機器人關(guān)節(jié)上未裝制動器，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：大臂和小臂在電機運轉(zhuǎn)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(qū)動力矩，因此假設(shè)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)電機施加一個電壓，讓它擔(dān)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(yīng)提供應(yīng)電機的電壓也不同，如何選取電機的電壓呢？提供應(yīng)電機的電壓小了，缺乏以抵抗重力的力矩；提供應(yīng)電機的電壓大了，會使電機轉(zhuǎn)動，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過程序來自適應(yīng)選擇這個制動電壓，方法有多種，下面是本文的設(shè)計過程。程序設(shè)計方法一：在調(diào)用在OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)時，先給電機一個0電壓，使電機失去驅(qū)動力矩，同時調(diào)用position_now(USHORTka1_chan)函數(shù)獲得此刻的關(guān)節(jié)位置，然后延時一段時間比方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(guān)節(jié)制動；如果不能，那么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，那么表示大臂或小臂已停止下落，可跳出循環(huán)。下列圖為程序流程圖1：調(diào)用調(diào)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，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)開始下落了在當(dāng)大臂或小臂下降時，在當(dāng)大臂或小臂下降時，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)制動在自鎖位置了圖4.1程序流程圖1方法一驗證：用方法一編寫的程序，調(diào)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，而對于下降的臂那么不可靠，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(qū)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(qū)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(dǎo)致反彈現(xiàn)象的發(fā)生，其實質(zhì)是由于電壓的超調(diào)造成的。此后，針對這種反彈現(xiàn)象對程序作過屢次修改，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。下列圖為程序流程圖2：調(diào)用調(diào)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，取得誤差量延時tms，再次采樣，取得誤差量e1=fVoltage_former-fVoltage進入for循環(huán)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)制動圖4.2程序流程圖2方法二驗證：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)中的延時時間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;所以最終制動時間為n*t=100ms對于方法二，其控制框圖如圖4.1所示：圖4.3方法二控制框圖示教編程及在線修改程序設(shè)計方法：當(dāng)機器人停止在某個位置時，可以記錄下在該位置所對應(yīng)的一組關(guān)節(jié)角，這一組關(guān)節(jié)角用一個結(jié)構(gòu)體存儲 structposition { floatVoltage1; floatVoltage2; floatVoltage3; floatVoltage4; floatVoltage5; structposition*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(jié)構(gòu)體。當(dāng)記錄結(jié)束以后，就可以運行剛剛記錄的一系列位置了，由于采用鏈表結(jié)構(gòu)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(guān)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。設(shè)置參考點及回參考點程序啟動或退出的時候，機器人應(yīng)停留在預(yù)設(shè)的參考點上，這個參考點在初始對話框函數(shù)BOOLCRobotDlg::OnInitDialog()中預(yù)先設(shè)置。在程序運行期間，使用者也可以自行設(shè)置?；貐⒖键c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。結(jié)論本次設(shè)計所完成工作有：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(gòu)進行重新設(shè)計，還要重新布線；對關(guān)節(jié)軸電位器進行重新標(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；設(shè)計端子板電路及驅(qū)動電路，端子板是計算機、板卡