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、自動控制與驅動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果，隨著經濟的發(fā)展和各行各業(yè)對自動化程度要求的提高，機器人技術得到了迅速發(fā)展，出現了各種各樣的機器人產品?，F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英寸誤差范圍內重復的移動。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，他們可以重復地做同一工作許多年。機器人產品的實用化，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，系統(tǒng)結構復雜，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的廣泛應用，因此，研制經濟型、實用化、高可靠性機器人系統(tǒng)具有廣泛的社會現實意義和經濟價值。由于我國經濟建設和城市化的快速發(fā)展，城市污水排放量增長很快，污水處理己經擺在了人們的議事日程上來。隨著科學技術的發(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，科學家和研究人員發(fā)現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，使得塑料制品生產的自動化和高效率要求成為經濟發(fā)展的必然。本文結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的問題，綜述近兒年機器人技術研究和發(fā)展的狀況，在充分發(fā)揮機、電、軟、硬件各自特點和優(yōu)勢互補的基礎上，對物料抓取機械手整體機械結構、傳動系統(tǒng)、驅動裝置和控制系統(tǒng)進行了分析和設計，提出了一套經濟型設計方案。采用直角坐標和關節(jié)坐標相結合的框架式機械結構形式，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動元件的動力傳遞給機器人機械手相應的執(zhí)行機構，以實現各種必要的運動，傳動方式上采用結構緊湊、傳動比大的蝸輪蝸桿傳動和將旋轉運動轉換為直線運動的螺旋傳動。機械手驅動系統(tǒng)的設計往往受到作業(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水平。由于步進電機能夠直接接收數字量，響應速度快而且工作可靠并無累積誤差，常用作數字控制系統(tǒng)驅動機構的動力元件，因此，在驅動裝置中采用由步進電機構成的開環(huán)控制方式，這種方式既能滿足控制精度的要求，又能達到經濟性、實用化目的，在此基礎上，對步進電機的功率計一算及選型問題經行了分析。在完成機械結構和驅動系統(tǒng)設計的基礎上，對物料抓取機械手運動學和動力學進行了分析。運動學分析是路徑規(guī)劃和軌跡控制的基礎，對操作臂進行了運動學正、逆問題的分析可以完成操作空間位置和速度向驅動空間的映射，采用齊次坐標變換法得到了操作臂末端位置和姿態(tài)隨關節(jié)夾角之間的變換關系，采用幾何法分析了操作臂的逆向運動學方程求解問題，對控制系統(tǒng)設計提供了理論依據。機器人動力學是研究物體的運動和作用力之間的關系的科學，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進行了分析，計算出了關節(jié)力和關節(jié)力矩，為步進電機的選型和動力學分析與結構優(yōu)化提供理論依據?？刂撇糠质钦麄€物料抓取機械手系統(tǒng)設計關鍵和核心，它在結構和功能上的劃分和實現直接關系到機器人系統(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，采用結構緊湊、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卡主要承擔系統(tǒng)功能初始化、數據運算與處理、步進電機驅動以及故障診斷等功能；同時對PCL-839卡的結構特點、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基礎，軟件則是計算機控制系統(tǒng)的神經中樞，軟件設計的目的是以最優(yōu)的方式將各部分功能有機的結合起來，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計上，采用的是模塊化結構，分為系統(tǒng)初始化模塊、數據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卡聯系，并且由該卡實現抗干擾等問題，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為以某種合理的力一式控制發(fā)送到步進電機驅動器的脈沖頻率，這可由硬件實現，也可由軟件方法來實現。本文提出了一種算法簡單、易于實現、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容和取得的技術成果進行了總結，提出了存在的問題和不足，同時對機器人技術的發(fā)展和應用進行了展望。研究機械手控制的目的是保持以計算機為基礎的機械手的動態(tài)響應，以便與一些預先設定的系統(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?？刂茊栴}包括獲得自然的機械手系統(tǒng)的動態(tài)模型，然后指定相應的控制規(guī)則或步驟以達到想要的系統(tǒng)響應和性能。目前的工業(yè)機械臂控制將每一個機械臂的聯合看做一個簡單的聯合伺服。伺服方法不能充分地模仿不同的動力學機械手，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。其結果是減少了伺服響應的速度和阻尼，限制了精度和最終效應的速度，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。任何在這一領域和其它領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、專門的計算機架構和并行處理技術。在工業(yè)生產和其他領域內，由于工作的需要，人們經常受到高溫、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，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應現場惡劣的環(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、人工智能等多學科先進技術于一體的現代制造業(yè)重要的自動化裝備。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可以提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產成本，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、步進電機驅動器、直流電機、光電傳感器、開關電源、電磁閥、旋轉碼盤、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動器，分別驅動橫軸、豎軸的步進電機運轉；直流電機拖