機(jī)器人操作手的設(shè)計(jì)與控制

機(jī)器人操作手的設(shè)計(jì)與控制

線主體的安裝和拆卸工作由原來完成，勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)線的工作效率,降低成本,使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機(jī)器人技術(shù),設(shè)計(jì)用一臺裝卸機(jī)械手代替人工工作。機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)方案,設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。該機(jī)械手有4個(gè)自由度,手動(dòng)作順序是:手臂伸出→手指閉合→機(jī)身上升→手臂縮回→手臂旋轉(zhuǎn)→手腕旋轉(zhuǎn)→機(jī)身下降→手臂伸出→手指張開→手臂縮回→手腕反轉(zhuǎn)→手臂反轉(zhuǎn)→停機(jī)待料。本文介紹了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出機(jī)械手的PC(可編程控制)控制系統(tǒng),滿足了生產(chǎn)線的需要。1整體規(guī)劃1.1連通性參數(shù)的選取根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)簡圖,將其視為具有4個(gè)連桿的機(jī)器人操作手系統(tǒng),除手指加緊動(dòng)作外,運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成,即機(jī)身的垂直上升、回轉(zhuǎn),手臂水平伸出和手腕的回轉(zhuǎn)。采用Denavit-Hartenberg機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)表示法建立坐標(biāo),建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。裝卸機(jī)械手屬于平面關(guān)節(jié)機(jī)器人,4個(gè)連桿坐標(biāo)系如圖2所示。相應(yīng)的連桿參數(shù)列于表1,表中d1、θ2、d3、θ4為關(guān)節(jié)變量。設(shè)與裝卸機(jī)械手機(jī)座相固連的坐標(biāo)系統(tǒng)O0X0Y0Z0為參考坐標(biāo)系,每個(gè)連桿上固接一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng),即為動(dòng)坐標(biāo)系,從而根據(jù)D-H方程和表1連桿參數(shù),寫出相應(yīng)的連桿變換矩陣,記為i-1T,如下所示:01T=??????10000100001000d11??????(1)10Τ=[10000100001d10001](1)12T=??????cθ2sθ200?sθ2cθ20000100001??????(2)21Τ=[cθ2-sθ200sθ2cθ20000100001](2)23T=??????100000100?1000?d301??????(3)32Τ=[100000-1-d301000001](3)34T=??????cθ4sθ400?sθ4cθ40000100001??????(4)43Τ=[cθ4-sθ400sθ4cθ40000100001](4)1.2裝卸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程校核將各連桿變換矩陣式(1)式(2)式(3)式(4)相乘,得到裝卸機(jī)械手末端執(zhí)行器的位姿方程:04T=01T12T23T34T=??????cθ2cθ4sθ2cθ4sθ40?cθ2sθ4?sθ2sθ4cθ40sθ2?cθ200d3sθ2?d3cθ2d11??????(5)40Τ=10Τ21Τ32Τ43Τ=[cθ2cθ4-cθ2sθ4sθ2d3sθ2sθ2cθ4-sθ2sθ4-cθ2-d3cθ2sθ4cθ40d10001](5)式(5)為裝卸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,它表示手末端位姿與關(guān)節(jié)變量d1、θ2、d3、θ4之間的關(guān)系。根據(jù)各關(guān)節(jié)位置傳感器的輸出,得到各關(guān)節(jié)變量的值,即可得到手末端的位姿。為校核0440T方程的正確性,將d1=d1、θ2=90°、d3=d3、θ4=90°代入式(5),計(jì)算結(jié)果為:04T=??????00100?1000000d30d11??????40Τ=[000d30-100100d10001]與圖2的位姿完全一致。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,我們只要控制4個(gè)關(guān)節(jié)變量,就可以準(zhǔn)確地確定手的位置和姿態(tài)。2安裝機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1旋轉(zhuǎn)葉片缸裝卸機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于夾持工件有近15kg,所以機(jī)械手采用液壓為動(dòng)力,PC程序控制。機(jī)身為液壓油缸,結(jié)構(gòu)簡單且剛性好,升降行程為305mm;機(jī)身回轉(zhuǎn)采用葉片回轉(zhuǎn)油缸,回轉(zhuǎn)范圍0～210°;手臂的伸縮和手腕回轉(zhuǎn)仍然采用直線油缸和回轉(zhuǎn)葉片缸,伸縮行程小于750mm,回轉(zhuǎn)范圍0～180°。手部夾持工件范圍Φ65～Φ80mm。油缸是手臂、手腕及機(jī)座的主體。各油缸即有自身的運(yùn)動(dòng),又有空間中的相對運(yùn)動(dòng),既作為傳遞運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),又作為支承機(jī)構(gòu)。機(jī)械手和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及油箱安裝在一個(gè)底板上,便于在生產(chǎn)線上定位安裝。2.2液壓控制回路按照生產(chǎn)線工藝,可知裝卸機(jī)械手主要有:機(jī)身伸降和回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手腕回轉(zhuǎn)、手指夾緊等動(dòng)作。設(shè)計(jì)相應(yīng)的幾個(gè)液壓控制回路來實(shí)現(xiàn),液壓系統(tǒng)采用O型電磁換向閥換向、單向調(diào)速閥調(diào)速及采用限位器來協(xié)調(diào)機(jī)械部分和控制部分的工作。采用雙聯(lián)油泵供油,既能實(shí)現(xiàn)分步運(yùn)動(dòng)又能滿足需要大流量時(shí)的合流。3fpsd軟件的設(shè)計(jì)機(jī)械手各部分動(dòng)作均由液壓驅(qū)動(dòng),機(jī)身上升和下降、手臂伸出和縮回、回轉(zhuǎn)均由雙線圈雙位電磁閥控制。即:當(dāng)伸出時(shí),伸出方向的電磁閥通電,機(jī)械手伸出;若斷電時(shí),機(jī)械手停止伸出,只有當(dāng)回縮電磁閥通電時(shí),機(jī)械手才回縮。而手指夾緊和定位都是使用的單線圈雙位電磁閥來控制,當(dāng)線圈通電時(shí),手指夾緊;斷電時(shí)則松開。機(jī)械手的下降、上升、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作的轉(zhuǎn)換,由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制;而夾緊、放松兩個(gè)動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是由時(shí)間延遲來控制。由上分析可知,機(jī)械手動(dòng)作是屬于步進(jìn)型的,控制輸入量是開關(guān)量,因此采用PC控制器控制。設(shè)計(jì)兩種控制方式:一是手動(dòng)控制、二是自動(dòng)控制。自動(dòng)工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。為了保證安全,機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)后,只有在工裝內(nèi)沒有零件的情況下才能伸出將工件放下,若還有工件,則機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)暫停等待。為此,設(shè)置了一只光電開關(guān),以檢測“無工件”的信號。PC的輸入位置檢測信號有下限(下降限)、上限(上升限)、縮回限、伸出限、手臂正轉(zhuǎn)限、手臂反轉(zhuǎn)限、手腕正轉(zhuǎn)限、手腕反轉(zhuǎn)限,總共需要8個(gè)輸入端子;“無工件”的檢測信號,用光電開關(guān)作檢測元件則需要一個(gè)輸入端子;工作方式選擇開關(guān)為手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)4種,則需要4個(gè)輸入端子;手動(dòng)操作時(shí),需要有下降、上升、回縮、手臂下降、手臂正轉(zhuǎn)、手臂反轉(zhuǎn)、手腕正轉(zhuǎn)、手腕反轉(zhuǎn)、夾緊、放松,總共需要10個(gè)輸入端子;自動(dòng)工作時(shí),尚需啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和復(fù)位按鈕,總共需要3個(gè)輸入端子。從上面的分析可知:輸入端需要26個(gè)輸入端子。PC的輸出信號用來控制機(jī)械手的下降、上升、伸出、縮回、手臂正轉(zhuǎn)、手臂反轉(zhuǎn)、手腕正轉(zhuǎn)、手腕反轉(zhuǎn)、夾緊等9個(gè)電磁閥線圈,則需要9個(gè)輸出點(diǎn);機(jī)械手從原點(diǎn)開始工作,需要一個(gè)原點(diǎn)指示,即也需要一個(gè)輸出點(diǎn),總共則需要10個(gè)輸出點(diǎn)。綜上所述,I/O總數(shù)可為36,則選用三菱公司的F1—60MR型PC,其中I:36;O:24。將手動(dòng)程序和自動(dòng)程序分別編出相應(yīng)的獨(dú)立的程序段,用條件跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)行選擇。其中設(shè)置一段公用程序,當(dāng)系統(tǒng)從自動(dòng)工作方式切換到手動(dòng)工作方式時(shí),將移位寄存器M100和表示連續(xù)工作方式的M200復(fù)位,否則在返回自動(dòng)逐個(gè)方式時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的動(dòng)作。4基于pc的裝卸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)建模機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展成為工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)象征,在現(xiàn)代化大生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。本文實(shí)例說明用機(jī)器人技術(shù)改造傳統(tǒng)生產(chǎn)線切實(shí)可行;用機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論推導(dǎo)出裝卸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以準(zhǔn)確地控制手部的位置和姿態(tài);抓重較大的機(jī)械手可以考慮用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力