外文翻譯--機器人和機械手.doc

1附錄A譯文.機器人和機械手作者：MakotoJinno,Tokyo(JP)；TakamitsuSunaoshi,Yamato-Shi(JP)；ShiroTsukada,Yokohama-shi(JP)機器人是典型的機電一體化裝置，它綜合運用了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅(qū)動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和各行各業(yè)對自動化程度要求的提高，機器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機器人產(chǎn)品?，F(xiàn)代工業(yè)機器人是人類真正的奇跡工程。一個像人那么大的機器人可以輕松地抬起超過一百磅并可以在誤差+-0.006英寸誤差范圍內(nèi)重復(fù)的移動。更重要的是這些機器人可以每天24小時永不停止地工作。在許多應(yīng)用中（特別是在自動工業(yè)中）他們是通過編程控制的，但是他們一旦編程一次，他們可以重復(fù)地做同一工作許多年。機器人產(chǎn)品的實用化，既解決了許多單靠人力難以解決的實際問題，又促進了工業(yè)自動化的進程。目前，由于機器人的研制和開發(fā)涉及多方面的技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)和研制的成本普遍較高，在某種程度上限制了該項技術(shù)的廣泛應(yīng)用，因此，研制經(jīng)濟型、實用化、高可靠性機器人系統(tǒng)具有廣泛的社會現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。由于我國經(jīng)濟建設(shè)和城市化的快速發(fā)展，城市污水排放量增長很快，污水處理己經(jīng)擺在了人們的議事日程上來。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類知識水平的提高，人們越來越認識到污水處理的重要性和迫切性，科學(xué)家和研究人員發(fā)現(xiàn)塑料制品在水中是用于污水處理的很有效的污泥菌群的附著體。塑料制品的大量需求，使得塑料制品生產(chǎn)的自動化和高效率要求成為經(jīng)濟發(fā)展的必然。本文結(jié)合塑料一次擠出成型機和塑料抓取機械手的研制過程中出現(xiàn)的問題，綜述近兒年機器人技術(shù)研究和發(fā)展的狀況，在充分發(fā)揮機、電、軟、硬件各自特點和優(yōu)勢互補的基礎(chǔ)上，對物料抓取機械手整體機械結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計，提出了一套經(jīng)濟型設(shè)計方案。采用直角坐標和關(guān)節(jié)坐標相結(jié)合的框架式機械結(jié)構(gòu)形式，這種方式能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作靈活性。傳動裝置的作用是將驅(qū)動元件的動力傳遞給機器人機械手相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，以實現(xiàn)各種必要的運動，傳動方式上采用結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大的蝸輪蝸桿傳動和將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的螺旋傳動。機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計往往受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時2也要考慮價格因素的影響以及能夠達到的技術(shù)水平。由于步進電機能夠直接接收數(shù)字量，響應(yīng)速度快而且工作可靠并無累積誤差，常用作數(shù)字控制系統(tǒng)驅(qū)動機構(gòu)的動力元件，因此，在驅(qū)動裝置中采用由步進電機構(gòu)成的開環(huán)控制方式，這種方式既能滿足控制精度的要求，又能達到經(jīng)濟性、實用化目的，在此基礎(chǔ)上，對步進電機的功率計一算及選型問題經(jīng)行了分析。在完成機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對物料抓取機械手運動學(xué)和動力學(xué)進行了分析。運動學(xué)分析是路徑規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)，對操作臂進行了運動學(xué)正、逆問題的分析可以完成操作空間位置和速度向驅(qū)動空間的映射，采用齊次坐標變換法得到了操作臂末端位置和姿態(tài)隨關(guān)節(jié)夾角之間的變換關(guān)系，采用幾何法分析了操作臂的逆向運動學(xué)方程求解問題，對控制系統(tǒng)設(shè)計提供了理論依據(jù)。機器人動力學(xué)是研究物體的運動和作用力之間的關(guān)系的科學(xué)，研究的目的是為了滿足是實時性控制的需要，本文采用牛頓-歐拉方法對物料抓取機械手動力學(xué)進行了分析，計算出了關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩，為步進電機的選型和動力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)?？刂撇糠质钦麄€物料抓取機械手系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵和核心，它在結(jié)構(gòu)和功能上的劃分和實現(xiàn)直接關(guān)系到機器人系統(tǒng)的可靠性、實用性，也影響和制約機械手系統(tǒng)的研制成本和開發(fā)周期。在控制主機的選用上，采用結(jié)構(gòu)緊湊、擴展功能強和可靠性高的PC工業(yè)控制計算機作為主機，配以PCL-839卡主要承擔(dān)系統(tǒng)功能初始化、數(shù)據(jù)運算與處理、步進電機驅(qū)動以及故障診斷等功能；同時對PCL-839卡的結(jié)構(gòu)特點、功能原理和其高定位功能等給與了分析。硬件是整個控制系統(tǒng)以及極限位置功能賴以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則是計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，軟件設(shè)計的目的是以最優(yōu)的方式將各部分功能有機的結(jié)合起來，使系統(tǒng)具有較高的運行效率和較強的可靠性。在物料抓取機械手軟件的設(shè)計上，采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，分為系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和故障狀態(tài)檢測與處理等幾部分。主控計算機和各控制單元之間全部由PCL-839卡聯(lián)系，并且由該卡實現(xiàn)抗干擾等問題，減少外部信號對系統(tǒng)的影響。步進電機的啟停頻率遠遠小于其最高運行頻率，為了提高工作效率，需要步進電機高速運行并快速啟停時，必須考慮它的升，降速控制問題。電機的升降速控制可以歸結(jié)為以某種合理的力一式控制發(fā)送到步進電機驅(qū)動器的脈沖頻率，這可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件方法來實現(xiàn)。本文提出了一種算法簡單、易于實現(xiàn)、理論意義明確的步進電機變速控制策略:定時器常量修改變速控制方案。3該方法能使步進電機加速度與其力矩頻率曲線較好地擬合，從而提高變速效率。而且它的計算量比線性加速度變速和基于指數(shù)規(guī)律加速度的變速控制小得多。通過實驗證明了該方法的有效性。最后，對機械手主要研究內(nèi)容和取得的技術(shù)成果進行了總結(jié)，提出了存在的問題和不足，同時對機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進行了展望。研究機械手控制的目的是保持以計算機為基礎(chǔ)的機械手的動態(tài)響應(yīng)，以便與一些預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)性能和理想目標保持一致。一般情況下，機械手的動態(tài)性能直接依賴于控制算法的效率和機械手的動態(tài)模型。控制問題包括獲得自然的機械手系統(tǒng)的動態(tài)模型，然后指定相應(yīng)的控制規(guī)則或步驟以達到想要的系統(tǒng)響應(yīng)和性能。目前的工業(yè)機械臂控制將每一個機械臂的聯(lián)合看做一個簡單的聯(lián)合伺服。伺服方法不能充分地模仿不同的動力學(xué)機械手，因為它忽略了機械手整體的運動和配置。這些控制系統(tǒng)的參數(shù)的變化有時是足夠重要，以至于使常規(guī)的反饋控制方法失效。其結(jié)果是減少了伺服響應(yīng)的速度和阻尼，限制了精度和最終效應(yīng)的速度，使系統(tǒng)僅適用于有限精度的工作。機械手以這種方式控制速度降低而沒有不必要的震動。任何在這一領(lǐng)域和其它領(lǐng)域的機械臂性能增益要求更有效率的動態(tài)模型、精密的控制方法、專門的計算機架構(gòu)和并行處理技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。機械手可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。一般機械手所用機械部件有滾珠絲杠、滑軌、氣控機械抓手等。電氣方面有4可編程控制器（PLC）、編程器、步進電機、步進電機驅(qū)動器、直流電機、光電傳感器、開關(guān)電源、電磁閥、旋轉(zhuǎn)碼盤、操作臺等部件?？删幊炭刂破靼l(fā)出兩路脈沖到步進電機驅(qū)動器，分別驅(qū)動橫軸、豎軸的步進電機運轉(zhuǎn)；直流電機拖