探測(cè)機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第1章緒論1.1題目來源與分析題目《探測(cè)機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》來源于生產(chǎn)實(shí)踐中?？傮w設(shè)計(jì)如下面兩個(gè)圖，各位看那個(gè)對(duì)于我這個(gè)題目好一些設(shè)計(jì)那個(gè)，手部為鉗爪式手部，腕部不用旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)方式為電動(dòng)，最好用直流電機(jī)，電機(jī)不要功率太大，減速器最好用行星齒輪箱，體積比擬小，整體設(shè)計(jì)要求體積小，重量輕，易維修，操作方便，抓取重量為0.5---1Kg左右，如果電機(jī)不好選擇可以適當(dāng)改變，因?yàn)槭窃囼?yàn)用機(jī)械手，所以改動(dòng)不能太大。機(jī)器人是近30年開展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用探測(cè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。自古以來,人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機(jī)器。特別是在20世紀(jì)20年代前后,捷克和美國(guó)的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機(jī)器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品,更使機(jī)器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實(shí)生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪,也制造出一些仿人或仿生的機(jī)器人。然而在當(dāng)時(shí)的科技條件下,要使機(jī)器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國(guó)的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機(jī)械手,他首先突破了對(duì)機(jī)器人的傳統(tǒng)觀點(diǎn),提出機(jī)器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)表了《適用于重復(fù)作業(yè)的通用性探測(cè)機(jī)器人》一文,并獲得了美國(guó)專利。戴沃爾將遙控操縱器的探測(cè)連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控機(jī)床的伺服軸聯(lián)結(jié)在一起,預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后,機(jī)械等就可以離開人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行。這種機(jī)器人也可以接受示教而完成各種簡(jiǎn)單任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動(dòng)機(jī)械手依次通過工作任務(wù)的各個(gè)位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器中，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動(dòng)下再現(xiàn)出那些位置序列。因此，這種機(jī)器人的主要技術(shù)就是“可編程”以及“示教再現(xiàn)。1.2研究目的探測(cè)機(jī)器人是最大的探測(cè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,它占探測(cè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。由于對(duì)許多構(gòu)件的探測(cè)精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作;此外,探測(cè)時(shí)的火花及煙霧等,對(duì)人體造成危害,因而,此課題的提出就有十分重要的意義。1.3國(guó)內(nèi)外開展及研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域開展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)∶a.探測(cè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。b.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化開展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。c.探測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向開展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護(hù)性。d.機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、探測(cè)機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人那么采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。e.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演開展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。f.當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的開展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。g.機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。國(guó)際機(jī)器人研究在經(jīng)過了80年代的低潮之后,呈現(xiàn)出復(fù)蘇和繼續(xù)開展的形勢(shì);我國(guó)的機(jī)器人研究在國(guó)家七五’八五及863方案的推動(dòng)下也取得了很大的開展。在70年代的機(jī)器人浪潮相比,現(xiàn)在的機(jī)器人研究有兩個(gè)特點(diǎn):一是對(duì)機(jī)器人智能的定位有了更加符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn),也就是不要求機(jī)器人具有像人類一樣的高智商,而只是要求機(jī)器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。我國(guó)的探測(cè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)，目前已根本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制技術(shù)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了局部機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線〔站〕上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國(guó)的探測(cè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)探測(cè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、本錢也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”方案的支持下，也取得了不少成果，其中最為突出的是水下遙控機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、聲覺、觸覺等根底技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的開展根底。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面那么剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的根底上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。第2章機(jī)器人總體設(shè)計(jì)2.1確定根本技術(shù)參數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的選擇為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的6個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案：a.圓柱坐標(biāo)型這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比擬，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。b.直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型探測(cè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)局部由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。c.球坐標(biāo)型又稱極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。d.探測(cè)探測(cè)又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。e.平面探測(cè)采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)那么實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長(zhǎng)，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。對(duì)以上五種方案進(jìn)行比擬：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：探測(cè)機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。額定負(fù)載目前,國(guó)內(nèi)外使用的探測(cè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小確實(shí)定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是6kg。工作范圍探測(cè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)探測(cè)機(jī)器人作業(yè)過程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸那么影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。圖2-1運(yùn)動(dòng)范圍圖操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探測(cè)機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種:a.步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且本錢低廉；通常不需要反響就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。b.直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，本錢低。c.交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的開展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反響可到達(dá)很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。d.液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比擬平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比擬大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)適宜的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為防止本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量防止使用該種驅(qū)動(dòng)方式。常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反響快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反響快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。控制系統(tǒng)選擇對(duì)于探測(cè)機(jī)器人這種精度要求不高的探測(cè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄〔存儲(chǔ)〕下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時(shí)速度不同。 利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測(cè)出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)〔或轉(zhuǎn)角〕值，控制系統(tǒng)的裝置記錄〔儲(chǔ)存〕下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度那么按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。確定探測(cè)機(jī)器人手臂的配置形式手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求,要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人探測(cè)功能,那么機(jī)器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點(diǎn)是占地面積小,工作范圍大,機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。根據(jù)分析,可將機(jī)器人的參數(shù)列在表2-1中：表2-1探測(cè)機(jī)器人的主要參數(shù)工程技術(shù)要求結(jié)構(gòu)型式探測(cè)自由度數(shù)6運(yùn)動(dòng)范圍308o314o292o578o244o534o最大速度2m∕s腕部最大負(fù)荷6㎏續(xù)表2-1工程技術(shù)要求驅(qū)動(dòng)方式直流電機(jī)重復(fù)定位精度0.05mm控制方式PTP∕CP操作方式示教再現(xiàn)存儲(chǔ)容量19kw質(zhì)量機(jī)械本體13.2kg;控制柜36.33kw輸入∕輸出32∕32位電源110～130V交流;50～60Hz;1.2kW安裝環(huán)境5～46℃2.2機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-2探測(cè)機(jī)器人傳動(dòng)原理圖圖2-2是整個(gè)機(jī)器人本體機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有30個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有10個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),那么必然以空間交叉方式變向,就不利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。機(jī)器人主要由立柱與基座組成的回轉(zhuǎn)基座以及大臂、小臂、手腕組成。基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié)1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。大臂和小臂的結(jié)構(gòu)形式相似，都由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外外表很薄的鋁板殼相互膠接而成。內(nèi)部鑄件既作臂的承力骨架，又作內(nèi)部齒輪組的輪殼與軸的支承座。大臂上裝有關(guān)節(jié)2，3的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，內(nèi)部裝有對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組。關(guān)節(jié)2，3都采用了三級(jí)齒輪減速，其中第一級(jí)采用錐齒輪，以改變傳動(dòng)方向90°。第二、三級(jí)均采用圓柱直齒輪進(jìn)行減速。關(guān)節(jié)2傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在立柱上；關(guān)節(jié)3傳動(dòng)的最末一個(gè)大齒輪固定在小臂上。小臂端部連接具有3R手腕，在臂的根部裝有關(guān)節(jié)4，5的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在小臂的中部，靠近手腕處，裝有關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。關(guān)節(jié)4，5均采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，不同的是關(guān)節(jié)4采用兩級(jí)圓柱直齒輪，而關(guān)節(jié)5采用第一級(jí)圓柱直齒輪，第二級(jí)錐齒輪，使傳動(dòng)軸線改變方向90°。關(guān)節(jié)6采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)與第二級(jí)為錐齒輪，第三級(jí)為圓柱直齒輪，關(guān)節(jié)4，5，6的齒輪組除關(guān)節(jié)4第一級(jí)齒輪裝在小臂內(nèi)以外，其余的均裝在手腕內(nèi)部。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：a.內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)量。b.軸承外形環(huán)定位簡(jiǎn)單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。c.采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。d.有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。e.大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。f.工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長(zhǎng)臂所能到達(dá)的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié)4，6配合，一次就能轉(zhuǎn)1112°。g.由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。h.機(jī)器人手臂材料的選擇：機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比擬輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計(jì)中為減輕機(jī)器人本體的重量選用鑄鋁材料。探測(cè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3探測(cè)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)第3章機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過總體分析后,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的腰關(guān)節(jié)局部采用二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。圖3-1探測(cè)機(jī)器人腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.1電動(dòng)機(jī)的選擇設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:〔3-1〕、、分別為10kg、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式〔3-1〕中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：〔3-2〕==同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:==式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離。——腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離。設(shè)主軸速度為219°/s，那么旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下〔3-3〕式中：——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩——角加速度使機(jī)器人主軸從到/s所需時(shí)間為:那么：假設(shè)考慮繞機(jī)器人手臂的各局部重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，那么旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算〔3-4〕式中：——電動(dòng)機(jī)功率；——負(fù)載力矩；——負(fù)載轉(zhuǎn)速；——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9；系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿足下式〔3-5〕選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)表3-1QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)功率〔W〕額定電壓〔V〕額定電流〔A〕額定轉(zhuǎn)速〔r/min〕濾磁方式絕緣等級(jí)工作制〔min〕8002446.21750串勵(lì)B603.2計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取主軸的轉(zhuǎn)速≤4rad/s。傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比取48，分二級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動(dòng)比=4；第二級(jí)傳動(dòng)比為==12(3-6)3.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率a.各軸轉(zhuǎn)速Ⅰ軸(3-7)Ⅱ軸(3-8)Ⅲ軸nⅢ=(3-9)b.各軸輸入功率Ⅰ軸(3-10)—制動(dòng)器效率Ⅱ軸(3-11)—齒輪嚙合的效率—角接觸球軸承的效率Ⅲ軸PⅢ==748.9×0.98=733.9W(3-12)c.各軸輸入扭矩Ⅰ軸(3-13)Ⅱ軸(3-14)Ⅲ軸T3=9550(3-15)確定三根軸的具體尺寸兩實(shí)心軸的材料均選用45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力=30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120.A.第一根軸設(shè)計(jì)及校核a.此軸傳遞扭矩〔3-16〕因?yàn)檩S是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn),以滿足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來定位軸承.齒輪軸上裝型號(hào)為滾動(dòng)軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。圖3-2第一級(jí)齒輪軸結(jié)構(gòu)圖b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)那么是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸〔心軸〕應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。圖3－3軸的受力分析和彎扭矩圖求作用在齒輪上的力：(3-17)畫軸的受力簡(jiǎn)圖見圖3－3計(jì)算軸的支承反力在水平面上(3-18)(3-19)在垂直面上(3-20)畫彎矩圖見圖3－3在水平面上，剖面左側(cè)(3-21) 剖面右側(cè)(3-21)在垂直面上(3-22)合成彎矩，剖面左側(cè)(3-23)剖面右側(cè)(3-24)畫轉(zhuǎn)矩圖見圖3－3(3-25)判斷危險(xiǎn)截面截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T，那么判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。軸的彎扭合成強(qiáng)度校核許用彎曲應(yīng)力，，截面左側(cè)(3-26)(3-27)c.軸的疲勞強(qiáng)度平安系數(shù)校核查得抗拉強(qiáng)度，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)，截面左側(cè)(3-28)查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，外表質(zhì)量系數(shù)。那么彎曲應(yīng)力，(3-29)應(yīng)力幅平均應(yīng)力 切應(yīng)力(3-30)平安系數(shù)(3-31)(3-32)(3-33)查許用平安系數(shù)，顯然，那么剖面平安。其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。B.中間軸設(shè)計(jì) 此軸傳遞扭矩,轉(zhuǎn)速,傳遞功率為,那么〔3-34〕安裝軸承局部軸徑最小,由于整個(gè)軸上零件較復(fù)雜,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點(diǎn),這里取,軸承局部,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號(hào)為滾動(dòng)軸承7206AC,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強(qiáng)度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。圖3-4中間軸結(jié)構(gòu)圖C.主軸的設(shè)計(jì)主軸是連接腰關(guān)節(jié)與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比擬大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設(shè)計(jì)成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號(hào)為滾動(dòng)軸承30205。主軸材料選用型號(hào)為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。3.4確定齒輪的參數(shù)選擇材料根據(jù)表7-1,選擇齒輪的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達(dá)229～286。壓力角的選擇由機(jī)械原理知識(shí)可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。此處，壓力角可取20°。齒數(shù)和模數(shù)的選擇對(duì)軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng),其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān),即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從而減小金屬的切削量,減少滑動(dòng)速度,減少磨損,提高抗膠合能力。軸上齒輪齒數(shù)取25,小齒輪齒數(shù)取100,軸上軸齒輪齒數(shù)取25,大齒輪齒數(shù)取300,模數(shù)m取2。齒寬系數(shù)由強(qiáng)度公式可知,當(dāng)載荷一定時(shí),增大齒寬可以減小齒輪直徑,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時(shí)取齒寬系數(shù)為1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時(shí)取為0.5。根據(jù)公式,計(jì)算結(jié)果圓整為5的整數(shù)倍,作為大齒輪的齒寬,小齒輪齒寬取,以補(bǔ)償加工裝配誤差。所以 軸上齒輪與之嚙合的小齒輪齒寬軸上的齒輪齒寬,與之嚙合的大齒輪齒寬確定齒輪傳動(dòng)的精度根據(jù)GB10095-1988規(guī)定,齒輪精度等級(jí)分為12級(jí),1級(jí)最高,12級(jí)最低,常用6～9級(jí)。根據(jù)表7-8選用7級(jí)精度的齒輪。表3-2第一級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸名稱符號(hào)公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高齒頂圓直徑齒根圓直徑基圓直徑齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙表3-3第二級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸名稱符號(hào)公式分度圓直徑齒頂高齒根高齒全高齒頂圓直徑齒根圓直徑基圓直徑齒距齒厚齒槽寬中心距頂隙齒輪的校核已選定齒輪采用45鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火HRC56～62，齒輪精度用7級(jí)，軟齒外表粗糙度為，對(duì)于需校核的一對(duì)的齒輪，齒數(shù)分別為，，模數(shù)為2，傳動(dòng)比，扭矩T=16.76N·m。a.設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算。〔3-35〕式中：—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，用來考慮節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響，取=2.5；—材料系數(shù)，單位為，查表7-5，取189.8；—重合度系數(shù)，取=0.90；—齒寬系數(shù)，取=1；u—齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，u=12。選擇材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為：選擇齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力為：應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N計(jì)算可得×437.5×16×300×8=10.08×〔3-36〕那么〔3-37〕查得接觸疲勞壽命系數(shù)為查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為查得接觸疲勞平安系數(shù)，彎曲疲勞平安系數(shù)，又為試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取2.0，試選1.3，求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：〔3-38〕 〔3-39〕〔3-40〕〔3-41〕將有關(guān)值帶入公式〔3-35〕得：==29.78mm那么〔3-42〕〔3-43〕查圖得；查得，查得，取，那么〔3-44〕修正，mm取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以m=2mm符合要求。c.計(jì)算幾何尺寸，〔3-45〕，〔3-46〕d.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度查得，取校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度〔3-47〕〔3-48〕所以齒輪完全到達(dá)要求。圖3-5大齒輪結(jié)構(gòu)圖圖3-6小齒輪結(jié)構(gòu)圖3.5殼體設(shè)計(jì)基座局部采用球墨鑄鐵材料,方形結(jié)構(gòu),壁厚在15mm左右。立柱采用鑄鋁,空心圓柱形狀,起固定軸承外圈的作用。其他局部具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定,這里不一一表達(dá),詳見圖紙。第4章機(jī)器人的位姿分析探測(cè)機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是依靠各關(guān)節(jié)坐標(biāo)值的改變來運(yùn)行的。例如以示教再現(xiàn)方式工作的機(jī)器人的關(guān)節(jié)在每個(gè)位置的轉(zhuǎn)角值是預(yù)先記錄好的。當(dāng)機(jī)器人末端手部執(zhí)行工作任務(wù)時(shí),控制器依次給出記錄好的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),使機(jī)器人末端手部按照預(yù)定的位置有序運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)給定位姿來完成工作。4.1機(jī)器人的位姿與運(yùn)動(dòng)的描述從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看,探測(cè)機(jī)器人的機(jī)械本體實(shí)際上是一個(gè)由轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)關(guān)節(jié)連接起來的開鏈?zhǔn)竭B桿系統(tǒng),每個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)決定著機(jī)器人的一個(gè)自由度。為了便于描述這些連桿的相互關(guān)系,在每一連桿關(guān)節(jié)上設(shè)立一個(gè)坐標(biāo)系,利用齊次變換就可以方便地描述這些坐標(biāo)系間的相對(duì)位置和姿態(tài)。由于在我的設(shè)計(jì)中只用了轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),所以只討論轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的情況。描述一個(gè)連桿與下一個(gè)連桿間相對(duì)關(guān)系的齊次矩陣通常記為A。A矩陣描述連桿坐標(biāo)系間相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。如果表示第一個(gè)連桿對(duì)于基系{0}的位置和姿態(tài)，表示第二個(gè)連桿相對(duì)于第一個(gè)連桿的位置和姿態(tài),那么第二個(gè)連桿在基系{0}的位置和姿態(tài)可由以下矩陣的乘積給出 =一般T加相應(yīng)前置或后置上下標(biāo)的公式來表示兩個(gè)或兩個(gè)以上A矩陣的乘積。同理,假設(shè)表示第三個(gè)連桿相對(duì)于第二個(gè)連桿的位置和姿態(tài),那么有=稱這些A矩陣的乘積為T矩陣,其前置上標(biāo)假設(shè)為0(既以基坐標(biāo)系｛0｝為參照),那么可略去不寫。于是,一個(gè)6關(guān)節(jié)(6自由度)機(jī)器人從手部到基系｛0｝的總齊次變換矩陣T為=(4-1)可以將上述6關(guān)節(jié)系統(tǒng)擴(kuò)展為具有n個(gè)關(guān)節(jié)自由度的系統(tǒng),其桿件0,1,…,i,…,n(共n+1個(gè))通過關(guān)節(jié)1,2,…,i,…,n(共n個(gè))相連接。n個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器人從手部到基系的總齊次變換矩陣T為(4-2)4.2機(jī)器人的廣義連桿變換齊次矩陣從最一般的情況來考慮,可以設(shè)想探測(cè)機(jī)器人是由一系列具有空間彎曲軸線的桿件(即廣義連桿)連接在一起構(gòu)成的,而直線軸線的桿件只是廣義桿件的特例,廣義連桿的齊次矩陣只要經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化就可以直接用于各種特例情況。對(duì)于一個(gè)n關(guān)節(jié)廣義連桿系統(tǒng),為了研究其任意兩個(gè)相鄰廣義連桿之間的齊次變換矩陣,可以取出任意桿件i-1與相鄰桿件i,以及與這兩個(gè)桿件相連的關(guān)節(jié)i-1,和i來研究其幾何關(guān)系。首先建立連桿i-1和i的參考坐標(biāo)系,然后再確定兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位置和姿態(tài)關(guān)系。圖4-1廣義連桿變換的4個(gè)特征參數(shù)如圖4-1所示,連桿i的參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于關(guān)節(jié)i-1和關(guān)節(jié)i兩軸的公共法線與關(guān)節(jié)i的交點(diǎn)上,參考坐標(biāo)系的軸就是關(guān)節(jié)i的軸線,軸沿關(guān)節(jié)i和關(guān)節(jié)i+1兩軸線的公共法線,方向由關(guān)節(jié)i指向關(guān)節(jié)i+1。類似地，也可以定義出參考坐標(biāo)系和。接下來，定義廣義連桿i-1的4個(gè)特征參數(shù)：①?gòu)V義連桿i-1兩端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸之間的公共法線距離為連桿的〔法線〕長(zhǎng)度；②在垂直于的平面內(nèi)兩端關(guān)節(jié)軸線投影的夾角為連桿i-1的扭角；③i和i-1兩桿公共法線之間在軸上的相對(duì)位置差為連桿距離;④兩連桿法線長(zhǎng)度與的夾角(由方向繞軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)向方向)為連桿夾角。類似地，也可以定義連桿出廣義連桿i的四個(gè)特征參數(shù)。使用坐標(biāo)變換的方法可以從其中一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換出另一個(gè)坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。為此，按照以下順序由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移來將連桿i-1的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到連桿i的坐標(biāo)系上。a.繞軸旋轉(zhuǎn)角,使軸轉(zhuǎn)到與軸同一直線上;b.沿軸平移一距離把移到與同一高度上;c.沿軸平移距離，把連桿的坐標(biāo)系原點(diǎn)移到上；d.繞軸旋轉(zhuǎn)角,使轉(zhuǎn)到與同一平面內(nèi)。這種關(guān)系可由四個(gè)齊次變換矩陣來描述，此關(guān)系為 ==〔4-3〕式(4-3)即探測(cè)機(jī)器人的廣義連桿變換齊次矩陣,利用適當(dāng)數(shù)量的該矩陣乘積,就可以描述具有任意復(fù)雜程度的連桿坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換。例如，6連桿〔基座為連桿0〕探測(cè)機(jī)器人的末端即為連桿6的坐標(biāo)系〔手坐標(biāo)系〕{6}，它與連桿i-1坐標(biāo)系{i-1}的變換關(guān)系可由表示為=而手部坐標(biāo)系{6}對(duì)基座坐標(biāo)系{0}的總變換關(guān)系〔即〕可以表示為=對(duì)于一個(gè)較復(fù)雜的連桿系統(tǒng)，采用所謂“有向變換圖”方法有助于列出正確的齊次變換方程表達(dá)式。例如，設(shè)6關(guān)節(jié)機(jī)器人基坐標(biāo)系{0}與絕對(duì)固定參考坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系由變換Z表示，機(jī)器人基坐標(biāo)系{0}與其端部的工具端坐標(biāo)系的關(guān)系由變換E表示，工具端坐標(biāo)系對(duì)絕對(duì)固定參考坐標(biāo)系的位姿可由總變換X表示，那么相應(yīng)于該例的有向變換圖如圖4-2所示，總變換與其他局部變換采取相反箭頭形式。利用有向變換圖4-2可以直接寫出一個(gè)變換與其他變換之間的表達(dá)式關(guān)系。如欲求總變換X，就將X置于等號(hào)左邊，在等號(hào)右邊的其他變換為倒序連乘形式，即沿X箭頭反向環(huán)行，最先遇到的變換那么最后相乘，反之亦然，而且凡與X箭頭方向相同者，均采取逆變換形式。因此總變換X的齊次變換方程表達(dá)式為用同樣的規(guī)那么，不難給出變換齊次變換方程表達(dá)式為圖4-2廣義有向變換圖4.3探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程探測(cè)機(jī)器人由6個(gè)連桿和6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成,手爪與連桿6固接,基座固定不動(dòng),每個(gè)關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度,因此,探測(cè)機(jī)器人是6自由度的操作臂?；Q為連桿0，不包含在這6個(gè)連桿之內(nèi)。連桿1與基座0由關(guān)節(jié)1相連接；連桿2與連桿1通過關(guān)節(jié)2相連接…為了導(dǎo)出形式較簡(jiǎn)單的6探測(cè)機(jī)器人末端手部位姿矩陣(即運(yùn)動(dòng)方程),各坐標(biāo)系方位的設(shè)置顯然是很重要的。為此，在設(shè)置坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)注意以下各點(diǎn):a.使探測(cè)機(jī)器人處于初始位姿(即操作零位),由基座開始先設(shè)立固定的基坐標(biāo)系{0},其軸的正向最好與重力加速度反向,原點(diǎn)在第1關(guān)節(jié)軸線上,位于操作機(jī)工作空間的對(duì)稱平面內(nèi)；b.盡量使與同向，與在方向同“高”，否那么關(guān)節(jié)變量要加初始值；c.末端手部坐標(biāo)系的原點(diǎn)O最好選在“手”心點(diǎn)上，其z軸的正向要指向〔或背離〕操作對(duì)象。探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析A.連桿坐標(biāo)系和連桿參數(shù)為了確定機(jī)器人各連桿之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,在各連桿上分別固接一個(gè)坐標(biāo)系。與基座固接的坐標(biāo)系記為{0}，與連桿i固接的坐標(biāo)系記為{i}，其軸即第i關(guān)節(jié)軸線。探測(cè)機(jī)器人和大多數(shù)探測(cè)機(jī)器人一樣，后3個(gè)關(guān)節(jié)軸線交于一點(diǎn)。該點(diǎn)作為連桿坐標(biāo)系{4}{5}{6}的原點(diǎn)。各連桿4個(gè)特征參數(shù)定義如下：a.為從到沿測(cè)量的距離；b.為從到繞旋轉(zhuǎn)的角度；c.為從到沿測(cè)量的距離；d.為從到繞旋轉(zhuǎn)的角度。其中，代表連桿i-1的長(zhǎng)度，因此規(guī)定≥0，其他參數(shù)、和的值可正、可負(fù)。探測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)1的軸線為鉛直方向，關(guān)節(jié)2和3的軸線水平且平行，距離為，關(guān)節(jié)1和2的軸線垂直相交，關(guān)節(jié)3和4的軸線垂直交錯(cuò)，距離為。B.連桿變換矩陣的齊次矩陣式和表所示連桿參數(shù)，可求得各連桿變換矩陣如下。(4-4)在中，的位置應(yīng)該是{1}系位置矢量元素的位置；同理，中的位置也是。各連桿變換矩陣相乘，得機(jī)器人的總變換矩陣為〔4-5〕式〔4-5〕說明，總變換矩陣顯然是關(guān)節(jié)變量，，…的函數(shù)。要解出這些關(guān)節(jié)變量，還需運(yùn)用變換矩陣連乘方法，先計(jì)算下面一些中間變換矩陣及其元素的具體結(jié)果?！?-6〕〔4-7〕式中，，，，，，分別表示，，，，，。〔4-8〕式中—cos〔〕=—sin〔〕=再將式〔2-40〕與式〔2-41〕相乘，可得(4-9)其中，表示，其余類推。于是，可求得機(jī)器人的總變換矩陣為〔4-10〕式〔4-10〕所表示的探測(cè)機(jī)器人總變換矩陣，即位姿運(yùn)動(dòng)方程描述了末端連桿坐標(biāo)系{6}相對(duì)于基坐標(biāo)系{0}的位姿，是對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和綜合的根底。而且所采用的分析方法對(duì)于所有探測(cè)機(jī)器人都是適用的。探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)反解運(yùn)動(dòng)反解是討論上述位姿運(yùn)動(dòng)方程的反向問題，即求由手坐標(biāo)系的笛卡兒空間到關(guān)節(jié)空間〔即所有關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角〕的逆變換，以求解諸關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。采用代數(shù)法反解，先將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程寫為=(4-11)假設(shè)末端連桿的位姿矢量已經(jīng)給定，即n，o，a和p為，那么可反向求出各關(guān)節(jié)變量，，…，的值。為此，可用相應(yīng)的逆變換矩陣左乘式兩邊，以將指定的關(guān)節(jié)變量別離出來，從而求解，具體步驟如下。a.求可用逆變換〔〕左乘式(4-11)兩邊，得(4-12)利用式，可以求出逆矩陣，從而可將上式改寫為(4-13)令矩陣方程式兩端的元素對(duì)應(yīng)相等，可得(4-14)利用三角代換和得代入式〔4-14〕中，得的解為〔4-15〕式〔4-15〕中第二項(xiàng)的正負(fù)號(hào)因子說明，有兩個(gè)解。b.求在選定的一個(gè)解之后，再令矩陣方程式〔4-13〕兩端的元素〔1，4〕和〔3，4〕分別對(duì)應(yīng)相等，得兩方程為〔4-16〕式〔4-14〕與式〔4-16〕的平方和為〔4-17〕〔4-18〕式〔4-17〕中已經(jīng)消去,且式(4-17)與式(4-14)具有相同形式,因而可由三角代換求解出為(4-19)式(4-19)中的正、負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)的兩種可能解。c.求為求解，在矩陣方程式〔4-11〕兩邊左乘逆變換，即有〔4-20〕或〔4-21〕上式等號(hào)右邊的變換由式〔4-7〕給出。令矩陣方程式〔4-21〕兩邊的元素〔1，4〕和〔2，4〕分別對(duì)應(yīng)相等，可得〔4-22〕聯(lián)立求解得和，即和表達(dá)式的分母相等，且為正，于是=〔4-23〕根據(jù)和解的四種可能組合，由式〔4-23〕可以得到相應(yīng)的四種可能值，于是可得到的四種可能解=〔4-24〕其中，d.求因?yàn)槭健?-21〕的左邊均為，令兩邊元素〔1，3〕和〔3，3〕分別對(duì)應(yīng)相等，那么〔4-25〕只要≠0，亦即≠0或180o，便可求出來。將上二式兩邊同除以〔4-26〕但當(dāng)時(shí)，有，這時(shí)即與軸重合，與的轉(zhuǎn)動(dòng)效果相同，所以這時(shí)可任取，再算出相應(yīng)的。e.求根據(jù)求出的，可進(jìn)一步解出，將式〔4-11〕兩端左乘逆變換，即得〔4-27〕因式，，和均已解出，那么逆變換為=此外，方程式〔4-27〕的右邊，也可由式〔4-4〕給出。令式〔4-27〕兩邊矩陣中的元素〔1，3〕和〔3，3〕分別對(duì)應(yīng)相等，可得〔4-28〕由此可得的封閉解〔4-29〕f.求將〔4-11〕改寫為〔4-30〕令矩陣方程〔4-30〕兩邊元素〔3，1〕和〔1，1〕分別對(duì)應(yīng)相等，可得從而可以求出的封閉解=〔4-31〕綜上所述，再考慮到等于0，或不等于0的兩種情況，6自由度探測(cè)機(jī)器人對(duì)于同一手部位姿可能存在8種關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角組合。至此，已求出了全部的關(guān)節(jié)變量，即求得位姿矩陣的逆解?？梢钥闯觯挥?,三式中有，和,故它們確定了手部坐標(biāo)系原點(diǎn)的空間位置。,,三式中有，和,所以它們確定了手部坐標(biāo)系的姿態(tài)〔方位〕。由此可以得出：當(dāng)6關(guān)節(jié)機(jī)器人后3關(guān)節(jié)軸線交于一點(diǎn)時(shí)，前、后3個(gè)關(guān)節(jié)具有不同的功用。前3關(guān)節(jié)連同它的桿件，稱作位置機(jī)構(gòu)；后3關(guān)節(jié)連同它的桿件，稱作姿態(tài)機(jī)構(gòu)。第5章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 探測(cè)機(jī)器人具有多個(gè)自由度，每個(gè)自由度一般包括一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，它們必須協(xié)調(diào)起來，組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。這種多變量的控制系統(tǒng)，一般要用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)也是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。5.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 控制系統(tǒng)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制方式，選用IBM-PC，80C51系列CPU。第一級(jí)機(jī)擔(dān)負(fù)管理，示教編程，控制再現(xiàn)，軌跡正逆運(yùn)算，機(jī)器人語言的編輯和編譯，通過串行通訊方式傳送給二級(jí)機(jī)做位置給定。第二級(jí)機(jī)負(fù)責(zé)位置伺服控制軟件的計(jì)算，位置檢測(cè)等工作，根據(jù)插補(bǔ)算出的各關(guān)節(jié)位置增量做位置給定。 一級(jí)機(jī)與示教盒通訊采用串行RS-232接口，既接收示教盒信息，完成示教動(dòng)作，又向示教盒發(fā)送信息，顯示示教情況。還可以連接軟驅(qū)，CRT終端。 二級(jí)機(jī)接口電路將計(jì)算機(jī)輸出數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，驅(qū)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，選用速度單元，伺服電機(jī)及光電編碼盤等伺服調(diào)速系統(tǒng)。5-1機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖5.3硬件電路的組成 圖3-1是采用MCS-51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：主從CPU都采用8031芯片；主從CPU各擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器27256一片，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256一片；主CPU擴(kuò)展可編程串行通信接口芯片8251A一片；可編程多功能接口芯片8155一片；電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232一片；從CPU擴(kuò)展可編程多功能接口芯片8155六片；D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832六片；運(yùn)算放大器μA741六片；PWM功率放大器六片；光電編碼器六片；地址鎖存器、譯碼器各兩片；鍵盤電路，顯示電路；光電編碼電路，功率放大電路；報(bào)警電路，暫停、急停電路，復(fù)位電路；5.4控制設(shè)計(jì) 1.主計(jì)算機(jī) (1)CPU采用8031芯片，由于片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也只有128字節(jié)，因此，擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器27256一片(16K)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256一片(16K)。8031的I/O口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴(kuò)展了一片8155可編程接口芯片。 (2)采用74LS138三八譯碼器的輸出作為片選信號(hào)。27256，62256，8251A，8155的片選信號(hào)分別接到譯碼器的～。MCS-51系列單片機(jī)，64K字節(jié)外部RAM是由16根地址線(A0～A15)決定的，它由P0口提供低8位，P2口提供高8位。要想擴(kuò)大RAM空間，可用增加地址線的方法來解決。這里，利用P1口增加地址線。74LS138的輸入A、B、C口分別接8031的P1.0、P1.1、P2.7。 (3)由于27256和62256芯片都是32KB，需要15根地址線。其A0～A7低8位接74LS373芯片的輸出端線，A8～A14接8031芯片的P2.0～P2.6，74LS373地址鎖存器在選通號(hào)ALE為高電平時(shí)直接傳送8031P0口低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時(shí)，低8位地址被鎖存，此時(shí)，P0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。 (4)主機(jī)8031要和示教盒通信，因此擴(kuò)展一片8251A增加一個(gè)串行RS-232C接口。8251A的數(shù)據(jù)線與8031的P0口相接。、對(duì)應(yīng)相連。8251的接74LS138的，接74LS373的1Q，。RXRDY和TXRDY經(jīng)或非門接到8031的，當(dāng)8251A準(zhǔn)備好接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都能向8031申請(qǐng)中斷。時(shí)鐘局部，8251A的CLK接到8031的ALE；TXC和RXC接在一起，由ALE經(jīng)過一個(gè)分頻電路后提供時(shí)鐘。TTL電平與RS-232C電平的轉(zhuǎn)換通過專門的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。由于不用調(diào)制解調(diào)器，和接地。 (5)8155的PA0～PA7、PB4～PB7作為顯示器位選信號(hào)，顯示器的段選信號(hào)由8031的P1.2～P1.7和P3.4、P3.5發(fā)出，兩邊都接上反相驅(qū)動(dòng)器74LS06。通過軟件譯碼靜態(tài)顯示，12個(gè)顯示器，每4個(gè)分別顯示X、Y、Z軸的坐標(biāo)。8155的PB.0～PB.3是鍵盤掃描輸入，采用行列式結(jié)構(gòu)，123鍵。行線經(jīng)限流電阻接+5V電源，按鍵跨接在行線和列線上。 (6)8155的PC0～PC4接控制面板上的按鈕開關(guān)，設(shè)有啟動(dòng)、暫停、急停、示教等操作方式。 2.從計(jì)算機(jī) (1)CPU采用8031芯片，擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器27256一片(16K)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256一片(16K)。從CPU8031要控制6個(gè)關(guān)節(jié)位置的伺服量，8031的I/O口不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)擴(kuò)展了6片8155可編程接口芯片。每一個(gè)芯片負(fù)責(zé)其相應(yīng)伺服系統(tǒng)的輸入輸出量。 (2)采用74LS138三八譯碼器的輸出作為片選信號(hào)。27256，62256，六片8155的片選信號(hào)分別接到譯碼器的～。74LS138的輸入A、B、C口分別接8031的P1.0、P1.1、P2.7。 (3)由于27256和62256芯片都是32KB，用74LS373芯片的輸出端線1Q～8Q及P2口的P2.0～P2.6輸出地址作為27256、62256的15根地址線，尋址空間各為32K字節(jié)。 (4)用8155的I/O輸入輸出口來控制伺服電機(jī)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)求出控制量之后，把這個(gè)控制數(shù)據(jù)送出到D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832去，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，再去控制PWM功率放大器工作。 (5)DAC0832的輸入數(shù)據(jù)線～接到8155的PA口，DAC0832內(nèi)部有輸入存放器，所以可以這樣直接相連而不必另加鎖存器。輸入存放器允許信號(hào)ILE固定置于高電平。片選信號(hào)和傳送控制信號(hào)一起接到8155的高位地址，寫信號(hào)和一起接到8031的端。 (6)D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832和運(yùn)算放大器μA741組成一個(gè)完整的D/A轉(zhuǎn)換電路，它可以把數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。按照常規(guī)的用法，DAC0832以電流開關(guān)方式進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的。其轉(zhuǎn)換結(jié)果以電流形式在、端輸出，而、再接一個(gè)運(yùn)算放大器μA741的兩個(gè)輸入端，同時(shí)運(yùn)算放大器的輸出再接反響電阻端；這樣由一個(gè)運(yùn)算放大器把DAC0832的輸出、的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。其輸出的電壓去控制PWM功率放大器，就可以使伺服電機(jī)以不同的速度實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 (7)光電編碼盤是一種可以直接把角度轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼的元件，可以產(chǎn)生9位數(shù)據(jù)。它的分辨率是0.7o。當(dāng)光電編碼盤隨伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)處于不同位置時(shí)，它送出的數(shù)據(jù)不同；每一個(gè)數(shù)據(jù)和一個(gè)角度對(duì)應(yīng)。光電編碼盤輸出的數(shù)據(jù)的最高位從8155的輸入，而低八位那么從PB端口輸入。讀取光電編碼盤的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)只需讀取I/O口和PB的內(nèi)容。另那么主機(jī)80C51上采用了掉電保護(hù)，用555與P1.0,RST與Vcc連接起來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于80C51可編程中斷控制器編程實(shí)例：設(shè)80C51為完全嵌套工作方式。中斷入口地址間隔為4個(gè)字節(jié)，IR0的入口地址為0260H時(shí)，那么80C51的初始化程序如下：CLREA8031CPU禁止中斷MOVR0，#00H送ICW1〔A0=0，CS=0A0=0〕MOVA，#76H〔0111011013〕，設(shè)ICW1命令字MOVX@R0，AICW1命令字送入8259AMOVR0，#01H，送ICW2〔A0=1，CS=A0=0〕MOVA，#02H，中斷入口的高8字節(jié)地址為02HMOVX@R0，A，送ICW2命令字入8259ASETBEA，8031CPU中斷允許SETBIT0，8031選擇INT0為負(fù)跳變觸發(fā)SETBEX0，8031允許INT0中斷8259A中斷效勞程序流程圖如下：程序清單如下：ORG0003HINTO:PUSHPSW，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)PUSHAMOVR0，#00HMOVXA,@R0取CALL碼，丟棄MOVDPL，A取中斷效勞程序入口地址低8位INCR0MOVR0,#01HMOVXA,@R0MOVDPH,A取中斷效勞程序入口地址高8位CLRAJMP@A+DPTR轉(zhuǎn)向8259A、IRx中斷效勞子程序ORGI0260H，IR0中斷效勞子程序LJMPIR0NOP···LJMPIR7NOPORGIR0IR0：LCALLLAB，模擬中斷返回8259A效勞子程序，延時(shí)10ms先計(jì)算10ms定時(shí)所需的定時(shí)器初值，采用定時(shí)器方式1，即16位計(jì)數(shù)器方式，計(jì)數(shù)器