工業(yè)機械手畢業(yè)設計-論文概況

摘要隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和機械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機器人的應用領域逐步從汽車拓展到其它領域。在各種類型的機器人中，模擬人體手臂而構(gòu)成的關節(jié)型機器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小、運動空間大等優(yōu)點，是應用最為廣泛的機器人之一。尤其由柔性關節(jié)組成的柔性仿生機器人在服務機器人及康復機器人領域中的應用和需求越來越突出。本文將設計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設備運送物料。首先，本文將設計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎上，本文將設計該機器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設計以及控制軟件的設計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終實現(xiàn)的目標包括：關節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設置參考點和回參考點。關鍵詞：機器人，示教編程，伺服，制動ABSTRACTWiththedevelopmentofmicroelectronictechnology,sensortechnology,therapiddevelopmentofcontroltechnologyandmachinerymanufacturingtechnologylevel,theapplicationofrobotsgraduallyexpandedfromcarstootherfields.Inalltypesofrobots,thearticulatedrobotarmsimulationhumanform,hastheadvantagesofcompactstructure,smalloccupiedspace,largemovingspace,isoneofthemostwidelyusedrobots.Especiallyflexiblebiomimeticrobotcomposedofflexiblejointinthefieldofservicerobotandrehabilitationrobotapplicationanddemandmoreandmoreprominent.InthispaperIwilldesignanindustrialrobotwithfourDOFs,whichisusedto

carrymaterialforapunch.FirstIwilldesignthestructureofthebase,thebigarm,thesmallarmandtheendmanipulatoroftherobot,thenchooseproperdrivemethodandtransmissionmethod,buildingthemechanicalstructureoftherobot.Onthisfoundation,Iwilldesignthecontrolsystemoftherobot,includingchoosingDAQcard,servocontrol,feedbackmethodanddesigningelectriccircuitoftheterminalcardandcontrolsoftware.Greatattentionwillbepaidonthereliabilityofthecontrolsoftwareandtherobotsafetyduringrunning.Theaimstorealizefinallyinclude:servocontrolandbrakeofthejoint,monitoringthemovementofeachjointinrealtime,playbackprogrammingandmodifyingtheprogramonline,settingreferencepointandreturningtoreferencepoint.KEYWORDS:robot,playback,servocontrol,brake目錄第1章緒論……………………31.1機械手概述……………41.2機械手的發(fā)展…………41.3機器人的發(fā)展趨勢……………………4第2章機器人實驗平臺介紹及機械手的設計……………32.1自由度及關節(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機械手的基本結(jié)構(gòu)……………………42.4驅(qū)動方式…………………42.5傳動方式…………………42.6制動器……………………4第3章控制系統(tǒng)軟件…………43.1預期的功能……………43.2實現(xiàn)方法………………43.2.1實時顯示各個關節(jié)角及運動圍控制………3.2.2電機的自鎖3.2.3示教編程及在線修改程序3.2.4設置參考點及回參考點致………………4參考文獻…………4第1章緒論1.1機械手概述機械手是模仿著人手的部分動作，按照給定程序、軌跡和要求能實現(xiàn)自動抓取、搬運的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手叫做“工業(yè)機械手”。在實際生產(chǎn)中，應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境下，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，在機械加工、沖壓、鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等領域得到了越來越廣泛的應用。國外對機器人及機械手所作的定義不盡相同。國際標準化組織(ISO)對機器人的定義:“機器人是一種能自動定位、可控的可編程的多功能操作機。這類操作機具有幾個軸，在可編程序操作下，能處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務?！泵绹鴺藴?NBS)對機器人的定義:“一種可編程，并在自動化控制下執(zhí)行某種特定操作和移動作業(yè)任務的機械裝置。”日本工業(yè)機器人協(xié)會對工業(yè)機器人的定義:“一種裝備有記憶裝置和最終執(zhí)行裝置，能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機器?！彼址譃橐韵聝煞N情況來定義:(1)工業(yè)機器人:“一種能執(zhí)行與人的上肢類似動作的多功能機器?！?2)智能機器人:“一種具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機器?！睓C械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手:它作為整機的附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定(有時可調(diào))程序，使用大批量的自動生產(chǎn)。如自動生產(chǎn)線上的上料機械手，自動換刀機械手，裝配焊接機械手等裝置。通用機械手:它是一種具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要分單元式和模塊式兩種。將PLC的主要部分(包括CPU、I/O系統(tǒng)、電源等)體積小，安裝方便，全部安裝在一個機箱。要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(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)這三部分組成，如圖1-1所示。圖1-1機器人的一般組成對于現(xiàn)代智能機器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機器人的。要實現(xiàn)機器人所期望實現(xiàn)的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1-2所示。圖1-2機器人各組成部分之間的關系機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(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的實體，通常由連桿和關節(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。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)提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。1.2機械手的發(fā)展工業(yè)機械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)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；1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上，又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手，命名為Unimate(即萬能自動)。1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運，可作點位和軌跡控制；該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產(chǎn)中開始應用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種Unimation-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±lmm。聯(lián)邦德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)；聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快，應用最多的，自1969年從美國引進兩種典型機械手后，開始大力從事機械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機械手(機器人)應用最多的之一。前聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，主要用于機械化、自動化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于20世紀70年代。1972年我國第一臺機械手開發(fā)于，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃(1986-1990)開始，我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入的大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，機床研究所和機床研究所合作設計制造的點焊機器人，機床研究所設計制造的氬弧焊機器人，工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器等等。這些機人的控制器，都是由中國科學院自動化研究所(SIA)和科技大學機器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC--PWM等等。我國的工業(yè)機械手(或第一代機械手)發(fā)展主要是逐步擴大其應用圍；在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等?？梢詫C械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，設計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型機構(gòu)，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于更換工件，擴大了應用圍。1.3機器人發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(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)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢：a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人；b)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)多關節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應不同的場合；c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。第2章實驗平臺介紹及機械手的設計該設計的目的是為了設計一臺物料搬運機器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報廢的焊接機器人，本文的中結(jié)構(gòu)設計主要偏向于對原有機構(gòu)的改造和機械手的設計。2.1自由度及關節(jié)圖1該機器人具有四個自由度，即腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。2.2基座及連桿2.2.1基座基座是整個機器人本體的支撐。為保證機器人運行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z”字形實心鑄鐵作支撐?；厦媸墙泳€盒子，所有電機的驅(qū)動信號和反饋信號都從中出入。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。2.2.2大臂大臂長度230mm，具體尺寸如圖2.1所示：圖2.1大臂外形2.2.3小臂小臂長度240mm，具體尺寸如圖2.2所示：圖2.2小臂外形2.3機械手的基本結(jié)構(gòu)機械手是一個水平、垂直運動的機械設備，用來將工件由左工作臺搬到右工作臺。有上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制。簡易機械手在各類全自動和半自動生產(chǎn)線上應用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動，替代人工作業(yè)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。本設計中的機械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動式結(jié)構(gòu)，機械手的動作由氣動缸驅(qū)動，氣動缸由相應的電磁閥來控制，電磁閥由PLC控制。驅(qū)動執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。圖3.1為機械手簡圖,其中1-豎直氣缸，2-執(zhí)行氣爪，3-工件，4-水平氣缸，5-旋轉(zhuǎn)軸，6-支架，7-底座。這個機械手具有二個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動自由度用于將源工作臺上的物品搬到其左側(cè)或右側(cè)目的工作臺上。機械手的直線動作由氣缸驅(qū)動，氣缸由電磁閥控制，整個機械手在工作中能實現(xiàn)上升/下降、左傳/右轉(zhuǎn)、夾緊/放松功能，是目前較為簡單的、應用比較廣泛的一種機械手。其升降運動通過升降氣缸、垂直導柱、滑動導柱、垂直導軌及升降位置微動開關相互配合完成，升降工作行程為0~1500mm;轉(zhuǎn)動是通過電機驅(qū)動軸承、轉(zhuǎn)動工作行程為0~°；機械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。采集感知信號及控制信號均由氣動缸驅(qū)動。主機部分采用了標準型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動機械手能拓展成系列化、標準化的產(chǎn)品。人們根據(jù)應用工況的要求，選擇相應功能和參數(shù)的模塊，像積木一樣隨意的組合，這是一種先進的設計思想，代表氣動技術(shù)今后的發(fā)展方向，也將始終貫穿著機械手的發(fā)展及實用性模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向裝置更具有靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。由于采用了模塊化拼裝結(jié)構(gòu)，可組成立柱型氣動機械手、門架型氣動機械手及滑塊型氣動機械手，及其它各種類型的機械手。這些模塊化機械手組裝方便，動作靈活，具有較高的定位精度，但工作空間比較小，主要應用于一般的送料自動線上。氣動機械手具有三個自由度，即水平(Z)方向自由度、垂直(Y)方向自由度和旋轉(zhuǎn)自由度，并可以采用多種靈活的控制方案。414125673左右圖2-3機械手簡圖圖2-3中工件所處位置為原點位置，根據(jù)課題設計任務書的要求：機械手初始位置在原點位置，每次循環(huán)動作都從原點位置開始，完成上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制，并能實現(xiàn)手動操作和自動操作方式。當機械手在原點位置下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，左傳送帶運轉(zhuǎn)。當光電開關檢測到物品后，左傳送帶停止運行。根據(jù)分析可得出機械手的工作流程圖，如圖2-3-1所示。工件延時下限上限工件延時下限上限原位原位下降夾緊上升右移停止左移上升松開下降下限延時上限左限啟動右限圖2-3-1機械手工作流程圖可見，實現(xiàn)要求功能需要如下條件：(1)底座與橫梁之間需要旋轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動由電機來完成，普通電機轉(zhuǎn)速較高，需要考慮安裝減速機，在這種頻繁啟動制動的場合下，選用低速電機會更方便。(2)橫梁在普通情況下，長度是固定的，如果工作臺不進行調(diào)整，橫梁長度可永遠不變。課題任務也未作橫梁要求，但在實際應用中，可能出現(xiàn)工作臺距離調(diào)整的情況，為增加機械手的通用性，本設計中在橫梁上安裝了執(zhí)行氣缸，可使用手動按鈕調(diào)整橫梁長度。(3)豎直方向上是頻繁上下工作的機構(gòu)，可選用電機傳動的齒輪齒條嚙合機構(gòu)，也可選用執(zhí)行氣缸，后者是新技術(shù)更經(jīng)濟、環(huán)保、噪音低，也更符合課題要求。(4)抓緊機構(gòu)也可選用氣動執(zhí)行爪和執(zhí)行氣缸并用組成氣動執(zhí)行模塊。(5)光電開關在控制方面是作為輸入量的信號源之一，它可以選擇模擬輸入和數(shù)字輸入，根據(jù)課題要求和后面PLC的各輸入量的情況，選用數(shù)字輸送式的光電開關更方便簡捷。根據(jù)以上分析，機械構(gòu)造方案基本固定。整個機械手一共用到三個氣缸，PLC需要控制每個氣缸的動作：橫梁長氣缸的外調(diào)，執(zhí)行氣爪的夾持與放松、豎導桿氣缸的升降和各氣缸的定位控制上面所述的橫梁調(diào)整功能是本設計的創(chuàng)新之一，另外兩個是工件計數(shù)和故障報警。2.3.1機械手的控制要求機械手的操作方式分為手動操作和自動操作，自動操作又分為單周期操作和連續(xù)操作方式。手動操作是指用按鈕對機械手的每一步運動單獨進行控制；單周期操作指機械手從原點開始，按啟動按鈕，機械手自動完成1個周期的動作后停止；連續(xù)操作指機械手從原點開始，按啟動按鈕，機械手的動作將自動地、連續(xù)不斷地周期性循環(huán)。在工作中若按停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成1個周期的動作后，回到原點自動停止。（1）機械手的自動運行：①下降：當機械手檢測到傳送帶A上有工件時，有原點位置開始下降，下降到位時，碰到下極限開關，機械手停止下降，同時接通加緊電磁閥線圈。②加緊工件：當機械手加緊到位時，壓力繼電器動合觸電閉合，接通上升電磁閥線圈。③上升：當機械手夾緊到位時，機械手開始上升，上升到位時，碰到上極限開關，機械手停止上升，同時接通右移電磁閥線圈。④右移：當機械手上升到位時，機械手開始右移，右移到位時，碰到有極限開關，機械手停止右移，同時接通下降電磁閥線圈。⑤下降：當機械手右移到位時，機械手重新開始下降，下降到位時，碰到下極限開關，機械手停止下降，同時釋放加緊電磁閥線圈。⑥放松工件：放松動作為時間控制，設為2秒。⑦上升：工件放松后，機械手開始上升，上升到位時，碰到上極限開關，機械手停止上升，同時接通左移電磁閥線圈。⑧左移：機械手上升到位后，開始左移，左移到位時，碰到左極限開關，機械手停止左移。⑨回到原位：機械手左移到位后，回到原點位置，再次自動啟動傳送帶A，當光電開關檢測到工件后，又開始新的工作循環(huán)周期。機械手的手動運行（2）手動運行是指機械手的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過對應的手動操作按鈕控制，與操作順序無關。2.4驅(qū)動方式該機器人一共具有四個獨立的轉(zhuǎn)動關節(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2.4：表2.4三種驅(qū)動方式的特點對照容驅(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，壓力圍為50～140Pa大，壓力圍為48～60Pa，最大可達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，可無級調(diào)速，反應靈敏，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，反應靈敏，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)復雜響應速度

很高較高

很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、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，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、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，無密封問題安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險防爆性能好，高于1000kPa(10個大氣壓)時應注意設備的抗壓性設備自身無爆炸和火災危險，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)機器人中應用圍適用于重載、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、裝配機器人等成本液壓元件成本較高成本低成本高維修及使用方便，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）．反應速度要快，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）．安全可靠；5）．操作和維護方便；6）．對環(huán)境無污染，噪聲要?。?）．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為選定的各個關節(jié)電機型號及其相關參數(shù)。表2.2機器人驅(qū)動電機參數(shù)電機參數(shù)腰關節(jié)肩關節(jié)肘關節(jié)腕關節(jié)手爪型號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節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)的傳動。齒形帶傳動原理如圖2.5所示。齒輪帶的傳動比計算公式為齒輪帶的平均速度為 圖2.5齒形帶傳動2.6制動器制動器及其作用：制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運動的機械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩類。在機器人機構(gòu)中，學要使用制動器的情況如下：特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。機械制動器：機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打開，這時制動器不起制動作用，而當電源斷開線圈中無勵磁電流時，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。又因為這種制動器常用于安全制動場合，所以也稱為安全制動器。電氣制動器電動機是將電能轉(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達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當?shù)闹苿与娐?。本文中，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的肩關節(jié)和軸關節(jié)在停止轉(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)肩關節(jié)和軸關節(jié)的電氣制動。采用電氣制動器，其優(yōu)點在于：在不增加驅(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，故應盡量避免。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔?。?章控制系統(tǒng)軟件以上完成了機器人的本體設計，下面將通過設計控制軟件，使計算機通過數(shù)據(jù)采集卡有條不紊地向外部發(fā)送指揮信號，最終驅(qū)動機器人各個關節(jié)的運動，使之按照人的意愿“工作”。3.1預期的功能（1）.實時顯示各個關節(jié)角，并且可以防止各個關節(jié)的運動角度超出預定的關節(jié)角圍；（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。3.2實現(xiàn)方法以模塊化程序設計思想為指導，以預期要實現(xiàn)的功能作為各個模塊，設計控制軟件。本文采用了VisualC++作為編程工具。3.2.1在BOOLCRobotDlg::OnInitDialog()函數(shù)中，設置定時器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定函數(shù)，換算出各個關節(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節(jié)預設的運動圍作比較，看其是否在此區(qū)間，否則彈出警告對話框，并且自動停止該關節(jié)的運動。3.2.2該機器人關節(jié)上未裝制動器，所以必須通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)關節(jié)的自鎖，尤其是肩關節(jié)和肘關節(jié)的自鎖。解決思路：大臂和小臂在電機運轉(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，因此若想讓大臂和小臂停止在預定位置，應該在此位置給關節(jié)電機施加一個電壓，讓它擔負起大臂或小臂，而不讓其由于重力而下落。但是，在不同的位置，重力對大臂或小臂的力矩不同，應提供給電機的電壓也不同，如何選取電機的電壓呢？提供給電機的電壓小了，不足以抵抗重力的力矩；提供給電機的電壓大了，會使電機轉(zhuǎn)動，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過程序來自適應選擇這個制動電壓，方法有多種，下面是本文的設計過程。程序設計：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)獲得此刻的關節(jié)位置，然后延時一段時間比如0.1s，再給電機一個小電壓，形成一個小的制動力矩，通過采樣此刻位置看其是否能使關節(jié)制動；如果不能，則使該電壓值按照一定的步長線性增加，以增大制動力矩；這通過一個while()循環(huán)實現(xiàn)，如果采樣位置不再減小，則表示大臂或小臂已停止下落，可跳出循環(huán)。下圖為程序流程圖：調(diào)用調(diào)用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)使電機電壓為0，并