四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)摘要:在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承當(dāng)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運(yùn)送物料。首先，本文將設(shè)計(jì)機(jī)器人的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇適宜的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在此根底上，本文將設(shè)計(jì)該機(jī)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、反響方式和反響元件的選擇、端子板電路的設(shè)計(jì)以及控制軟件的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程的平安性，最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問(wèn)題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。關(guān)鍵詞：機(jī)器人示教編程伺服制動(dòng)TheDesignofanIndustrialRobotwithFourDOFsforCarryingMaterialforaPunchAbstract:Inthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisespaymoreattentionontheautomationdegreeoftheproductionprocessinordertoenhancethe

productionefficiency,andguaranteetheproductquality.Asanimportantpartofthe

automationproductionline,industrialrobotsaregraduallyapprovedandadoptedby

enterprises.Thetechniquelevelandtheapplicationdegreeofindustrialrobotsreflectthenationalleveloftheindustrialautomationtosomeextent,currently,industrialrobotsmainlyundertakethejobsofwelding,spraying,transportingandstowingetc.,whichareusuallydonerepeatedlyandtakehighworkstrength,andmostoftheserobotsworkinplaybackway.InthispaperIwilldesignanindustrialrobotwithfourDOFs,whichisusedto

carrymaterialforapunch.FirstIwilldesignthestructureofthebase,thebigarm,thesmallarmandtheendmanipulatoroftherobot,thenchooseproperdrivemethodandtransmissionmethod,buildingthemechanicalstructureoftherobot.Onthisfoundation,Iwilldesignthecontrolsystemoftherobot,includingchoosingDAQcard,servocontrol,feedbackmethodanddesigningelectriccircuitoftheterminalcardandcontrolsoftware.Greatattentionwillbepaidonthereliabilityofthecontrolsoftwareandtherobotsafetyduringrunning.Theaimstorealizefinallyinclude:servocontrolandbrakeofthejoint,monitoringthemovementofeachjointinrealtime,playbackprogrammingandmodifyingtheprogramonline,settingreferencepointandreturningtoreferencepoint.Keywords:Robot；Playback；Servocontrol；Brake引言機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大局部組成。手部是用來(lái)抓持工件〔或工具〕的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)〔擺動(dòng)〕、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱(chēng)為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專(zhuān)用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反響的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。第1章緒論1.1機(jī)器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已根本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專(zhuān)用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效方法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要方法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的根底?！肮I(yè)機(jī)器人〞〔IndustrialRobot〕：多數(shù)是指程序可變〔編〕的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置〔國(guó)內(nèi)稱(chēng)作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人〕。機(jī)器人是一種具有人體上肢的局部功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。有些機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢(qián)低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱(chēng)為專(zhuān)用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)器人稱(chēng)為通用機(jī)器人。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類(lèi)。第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)〔Manipulator〕。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)開(kāi)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類(lèi)是專(zhuān)業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱(chēng)之為“MechanicalHand〞，它是為主機(jī)效勞的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類(lèi)型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周?chē)囊恍┱系K物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體局部都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的根本條件是要有一套類(lèi)似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等局部組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三局部組成，如圖1.1所示。圖1.1機(jī)器人的一般組成對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛〞，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成局部并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各局部之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1.2所示。圖1.2機(jī)器人各組成局部之間的關(guān)系機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴(lài)以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)那么將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)那么把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大局部。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)局部。1.2機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機(jī)器人開(kāi)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。目前工業(yè)機(jī)器人大局部還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式那么為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改良的方向主要是降低本錢(qián)和提高精度。第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反響，使機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)器人〔機(jī)器人〕那么能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步開(kāi)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中的重要一環(huán)。隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活潑，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議ISIR決定每年召開(kāi)一次會(huì)議，討論和研究機(jī)器人的開(kāi)展及應(yīng)用問(wèn)題。目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運(yùn)、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)展的需要。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)〔廣義的〕、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，開(kāi)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反響能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)器人本身的損壞。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速開(kāi)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造〔CIM〕要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車(chē)間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用控制器，一般采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線編程工具，采用專(zhuān)用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專(zhuān)用系統(tǒng)很難〔或不可能〕集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本方法是研究和使用具有開(kāi)放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：1.1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年，萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型。2.1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車(chē)公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21臺(tái)機(jī)器人組成電焊小汽車(chē)車(chē)身的焊接自動(dòng)線；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車(chē)公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件。3.1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)開(kāi)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)開(kāi)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開(kāi)了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約200臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司〔Sundstrand〕創(chuàng)造了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車(chē)車(chē)輪生產(chǎn)自動(dòng)線。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼〞系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人。其他國(guó)家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開(kāi)始以美國(guó)的“Versatran〞和“Unimate〞型機(jī)器人為藍(lán)本開(kāi)始進(jìn)行研制的。就日本來(lái)說(shuō)，1967年，日本豐田織機(jī)公司引進(jìn)美國(guó)的“Versatran〞,川崎重工公司引進(jìn)“Unimate〞，并獲得迅速開(kāi)展。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國(guó)并超過(guò)其他國(guó)家。經(jīng)過(guò)大約10年的實(shí)用化時(shí)期以后，從1980年開(kāi)始進(jìn)入廣泛的普及時(shí)代。我國(guó)雖然開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)展比擬慢。目前我國(guó)已開(kāi)始有方案地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的開(kāi)展。1.3機(jī)器人開(kāi)展趨勢(shì)隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)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(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)開(kāi)展趨勢(shì)：1.提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；2.開(kāi)發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類(lèi)型的場(chǎng)合，如開(kāi)發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開(kāi)發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開(kāi)發(fā)各類(lèi)行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；3.研制各類(lèi)傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周?chē)耐饨绛h(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。第2章實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)物料搬運(yùn)機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報(bào)廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要偏向于對(duì)原有機(jī)構(gòu)的改造和機(jī)械手的設(shè)計(jì)。2.1自由度及關(guān)節(jié)圖2.1機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖該機(jī)器人有四個(gè)自由度，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。2.2基座及連桿基座基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支撐。為保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z〞字形實(shí)心鑄鐵作支撐?；厦媸墙泳€盒子，所有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反響信號(hào)都從中出入。接線盒子外面，有一個(gè)引入線出口和一個(gè)引出線出口。大臂大臂長(zhǎng)度230mm，具體尺寸如圖2.1所示：圖2.2大臂外形小臂小臂長(zhǎng)度240mm，具體尺寸如圖2.2所示：圖2.3小臂外形2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的手又稱(chēng)為末端執(zhí)行器，它使機(jī)器人直接用于抓取和握緊〔吸附〕專(zhuān)用工具〔如噴槍、扳手、焊具、噴頭等〕進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及外表狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類(lèi)：1.夾鉗式取料手2.吸附式取料手3.專(zhuān)用操作器及轉(zhuǎn)換器4.仿生多指靈巧手本文設(shè)計(jì)對(duì)象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開(kāi)和夾緊工件，是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該設(shè)計(jì)采用兩個(gè)手指，其外形如圖2.3所示圖2.4機(jī)械手手指形狀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移型。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖2.4為初步設(shè)計(jì)的機(jī)械構(gòu)簡(jiǎn)圖〔只畫(huà)出了一半，另外一半關(guān)于中心線對(duì)稱(chēng)〕。圖2.5機(jī)械構(gòu)簡(jiǎn)圖在圖2.4中，O為電機(jī)輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動(dòng)DE的來(lái)回?cái)[動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。圖2.4中的粗線和細(xì)線表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。為便于手指的順利合攏，可以在兩個(gè)手指之間設(shè)置一個(gè)彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。另外，在選用電機(jī)的時(shí)候，要使電機(jī)的功率足以克服彈簧的收縮和張開(kāi)，并且提供足夠加緊物體的力。圖2.5為采用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS來(lái)分析所設(shè)計(jì)的機(jī)械構(gòu)的工作狀況。圖2.6虛擬樣機(jī)場(chǎng)景下面更進(jìn)一步計(jì)算出所需要的電機(jī)力矩。圖2.7力矩變化情況從圖2.6中看到，起始階段須克服的彈簧力最大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須大于550N·mm，這為電機(jī)的挑選提供了一定的依據(jù)。2.4驅(qū)動(dòng)方式該機(jī)器人一共具有四個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要五個(gè)動(dòng)力源。機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類(lèi)型。這三種方法各有所長(zhǎng)，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表2.1:表2.1三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照內(nèi)容驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率

很大，壓力范圍為50～140Pa大，壓力范圍為48～60Pa

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(wú)級(jí)調(diào)速，反響靈敏，可實(shí)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(shí)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，反響靈敏，可實(shí)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(fù)雜響應(yīng)速度

很高較高

很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題平安性防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)防爆性能好，高于1000kPa(10個(gè)大氣壓)時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差對(duì)環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染排氣時(shí)有噪聲無(wú)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具適用于中小負(fù)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(jī)器人，如AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等本錢(qián)液壓元件本錢(qián)較高本錢(qián)低本錢(qián)高維修及使用方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求方便較復(fù)雜機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：1.驅(qū)動(dòng)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.反響速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換；3.驅(qū)動(dòng)盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?.平安可靠；5.操作和維護(hù)方便；6.對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲要小；7.經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積?；谏鲜鲵?qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。表2.2為選定的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)及其相關(guān)參數(shù)。表2.2機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)電機(jī)參數(shù)腰關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)手爪型號(hào)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(dòng)方式由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有：1.結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕；2.傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)；3.回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度；4.壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)。齒形帶傳動(dòng)原理如圖2.7所示。齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為:(2-1)齒輪帶的平均速度為:(2-2)圖2.8齒形帶傳動(dòng)2.6制動(dòng)器制動(dòng)器及其作用：制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)局部的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)器兩類(lèi)。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，需要使用制動(dòng)器的情況如下：1.特殊情況下的瞬間停止和需要采取平安措施2.停電時(shí)，防止運(yùn)動(dòng)局部下滑而破壞其他裝置。機(jī)械制動(dòng)器：機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤(pán)式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤(pán)式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過(guò)線圈時(shí)制動(dòng)器翻開(kāi)，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開(kāi)線圈中無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。因此這種制動(dòng)器被稱(chēng)為無(wú)勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于平安制動(dòng)場(chǎng)合，所以也稱(chēng)為平安制動(dòng)器。電氣制動(dòng)器:電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過(guò)其反過(guò)程來(lái)到達(dá)制動(dòng)的目的。但對(duì)于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類(lèi)型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未安裝機(jī)械制動(dòng)器，因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。另外，由于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動(dòng)器，所以只能通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng)。采用電氣制動(dòng)器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)又具有制動(dòng)功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動(dòng)器會(huì)使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量防止。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制動(dòng)器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿?dòng)作用。第3章控制系統(tǒng)硬件3.1控制系統(tǒng)模式的選擇構(gòu)建機(jī)器人平臺(tái)的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇硬件平臺(tái)，控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)對(duì)于系統(tǒng)的開(kāi)放性、實(shí)現(xiàn)方式和開(kāi)發(fā)工作量有很大的影響。一般常用的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)應(yīng)滿足：硬件系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線機(jī)構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實(shí)時(shí)計(jì)算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特殊計(jì)算機(jī)等；低本錢(qián)。到目前為止，一般機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可以大致分為兩類(lèi)：基于VME總線〔VersamodelEurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)總線〕的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著PC機(jī)性能的快速開(kāi)展，可靠性大為提高，價(jià)格卻大幅度降低，以PC機(jī)為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機(jī)器人控制領(lǐng)域所接受?；赑C機(jī)控制系統(tǒng)一般包括單PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式，PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式靈活，本錢(qián)低廉，有利于本文設(shè)計(jì)中的廢物利用，在程序和算法上可以自主編制各類(lèi)算法，適合本課題研究的需要。因此本文選定PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制方式。3.2控制系統(tǒng)的搭建圖3.1控制系統(tǒng)框圖工控機(jī)在此選用研華工業(yè)控制機(jī),主頻233MHz,內(nèi)存128兆，32位數(shù)據(jù)總線。底板有9個(gè)ISA插槽，4個(gè)PCI插槽，帶VGA顯示器。其性能價(jià)格比優(yōu)越，兼容性好，有利于軟硬件維護(hù)和升級(jí)。與普通個(gè)人計(jì)算機(jī)相比工業(yè)控制PC機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：芯片篩選要比一般個(gè)人計(jì)算機(jī)嚴(yán)格；芯片驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)；整機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于工業(yè)加強(qiáng)型，具有較強(qiáng)的防震和抗干擾性能；對(duì)環(huán)境〔如溫度、濕度、灰塵等〕的要求要比一般計(jì)算機(jī)低得多。數(shù)據(jù)采集卡在本設(shè)計(jì)中我們主要用到研華公司的PCL812PG和PCL726，其參數(shù)如下。PCL-812PG主要特點(diǎn)：16路單端12位模擬量輸入；2路12位模擬量輸出；采樣速率可編程，最快達(dá)30KHz；帶DMA或中斷的A/D；16路數(shù)字量輸出。PCL-726主要特點(diǎn)：6路獨(dú)立D/A輸出；12位分辨率雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器；16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出；多種電壓范圍：+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA電流環(huán)。伺服放大器在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，本文中利用報(bào)廢機(jī)器人上的maxon電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，因此同樣選用maxon伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器〔maxonmotorcontrol4-Q-DCServoControlLSC30/2〕進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖3.2所示，這是專(zhuān)門(mén)針對(duì)maxon電機(jī)設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)放大控制器，具有很強(qiáng)的控制功能和穩(wěn)定性，電源電壓12~30v之間，1、2接線端子接伺服電機(jī)，直接給電機(jī)供電，3，4接線端與電源相連，7、8接控制電壓，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)入這兩個(gè)接線端來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)，13、14接測(cè)速計(jì)〔本文中未用〕，3、4、10之間是一個(gè)光耦合器，輸入“準(zhǔn)備好〞信號(hào)。在伺服控制器前面，有5個(gè)旋鈕調(diào)節(jié)器用來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的五個(gè)參數(shù)，下邊有10個(gè)DIP開(kāi)關(guān)，用來(lái)選擇控制器工作狀態(tài)。圖3.2伺服放大器接線及其調(diào)節(jié)示意端子板不同的被測(cè)信號(hào)通過(guò)不同的傳送路線到采集卡，而采集卡在工控機(jī)機(jī)箱內(nèi)，不便直接連接到工業(yè)系統(tǒng)中的各種傳感器或執(zhí)行器。端子板的主要作用有兩個(gè)：1.端子板是采集卡與每一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路或驅(qū)動(dòng)裝置之間的電器連接部件，給每一路輸入、輸出信號(hào)提供單獨(dú)的信號(hào)線和地線，使每一路通道可單獨(dú)接通或斷開(kāi)，系統(tǒng)檢修和排除故障時(shí)不必全部停止運(yùn)行。2.將每一路信號(hào)經(jīng)過(guò)各自的傳送路線到達(dá)端子板后，可以根據(jù)各路信號(hào)和傳送路線的特點(diǎn)，在端子板上對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)理，如經(jīng)電阻衰減、分流或經(jīng)過(guò)RC低通濾波后進(jìn)入采集卡。圖3.3所示為端子板電路。圖3.3端子板電路圖3.3所示的電路圖中，為防止直流電機(jī)產(chǎn)生的噪聲影響電路的正常運(yùn)行，使用了光電耦合器4N25。在機(jī)電一體化技術(shù)中，光電耦合電路是重要的接口電路。其中PCL-812PG通過(guò)五路數(shù)字量輸出來(lái)控制電機(jī)電路的通斷，PCL-726通過(guò)五路模擬量輸出來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行速度，另外PCL-812PG還負(fù)責(zé)采集五個(gè)電位器的電壓，以此將電機(jī)的運(yùn)行角度反響給計(jì)算機(jī)。電位器及其標(biāo)定電位器是一種可調(diào)電阻，也是電子電路中用途最廣泛的元器件之一。它對(duì)外有三個(gè)引出端，其中兩個(gè)為固定端，另一個(gè)是中心抽頭。轉(zhuǎn)動(dòng)或調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其中心抽頭與固定端之間的電阻將發(fā)生變化。本文采用的電位器是單圈的，也就是說(shuō)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度小于360o，對(duì)于該機(jī)器人已經(jīng)足夠了。電位器安裝在機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)輸出軸上，所以在關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，電位計(jì)的輸出電壓和關(guān)節(jié)角是一一對(duì)應(yīng)的，存在著一定的函數(shù)關(guān)系。從理論上來(lái)講，電位器應(yīng)該是線性的測(cè)量元件，但由于電位器的滑動(dòng)噪聲以及滑線電阻的工作過(guò)程中的磨損，這種函數(shù)關(guān)系并非理想的線性關(guān)系，而是存在一定的偏移。電位器的標(biāo)定就是根據(jù)在各個(gè)角度處測(cè)量的電壓值，擬合出一條直線，近似替代真實(shí)的函數(shù)關(guān)系。下面即是對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的進(jìn)行電位計(jì)標(biāo)定。電位器1的標(biāo)定，如圖3.4所示：圖3.4電位器1的標(biāo)定電位器2的標(biāo)定圖3.5電位器2的標(biāo)定如圖3.5所示：關(guān)節(jié)角2與電位計(jì)2的函數(shù)關(guān)系：a=33.2967v-124.2692電位器3的標(biāo)定圖3.6電位器3的標(biāo)定如圖3.6所示：關(guān)節(jié)角3與電位計(jì)3的函數(shù)關(guān)系：a=32.9333v-16.2222電位器4的標(biāo)定圖3.7電位器4的標(biāo)定如圖3.7所示：關(guān)節(jié)角4與電位計(jì)4的函數(shù)關(guān)系：a=32.6333v-75.1389電位器5的標(biāo)定圖3.8電位器5的標(biāo)定如圖3.8所示：電機(jī)5與電位計(jì)5的函數(shù)關(guān)系：a=32.9000v-36.3611注：以上標(biāo)定工作都是在10.00v的電壓下測(cè)量的電源電位器和伺服放大器都需要一定的電壓，特別是電位計(jì)是在10.0v的條件下工作的，穩(wěn)定的電壓對(duì)于保證電位計(jì)反響信號(hào)的真實(shí)性具有重大的影響；而伺服放大器是在12v~30v范圍內(nèi)工作的，電壓只要在此范圍內(nèi)即可。本文采用DH1715A-3型雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，可以提供0~32v電壓輸出和0~2A電流輸出。這里設(shè)定兩路電壓輸出：14.0v——供應(yīng)伺服放大器運(yùn)行，10.0v——保證電位計(jì)的正常工作。第4章控制系統(tǒng)軟件以上完成了機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)硬件的搭建，下面將通過(guò)設(shè)計(jì)控制軟件，使計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡有條不紊地向外部發(fā)送指揮信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，使之按照人的意愿“工作〞。4.1預(yù)期的功能1.實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角，并且可以防止各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度超出預(yù)定的關(guān)節(jié)角范圍內(nèi)；2.實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的伺服控制；3.實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自鎖；4.實(shí)現(xiàn)示教編程及在線修改程序；5.可以設(shè)置參考點(diǎn)，使機(jī)器人在空間有一個(gè)固定的參考位置，可以回參考點(diǎn)。4.2實(shí)現(xiàn)方法以模塊化程序設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，以預(yù)期要實(shí)現(xiàn)的功能作為各個(gè)模塊，設(shè)計(jì)控制軟件。從圖3.1可以看出，工控機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集控制。編程的任務(wù)其實(shí)就是用計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡使之發(fā)出或獲取一系列數(shù)字量、模擬量。研華公司的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序中，附帶許多與板卡相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以供使用，極大的方便了程序編寫(xiě)。本文采用了VisualC++作為編程工具。實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動(dòng)范圍控制在BOOLCRobotDlg::OnInitDialog()函數(shù)中，設(shè)置定時(shí)器SetTimer(1,gwScanTime,NULL)，然后在voidCRobotDlg::OnTimer(UINTnIDEvent)函數(shù)中，通過(guò)調(diào)用boolCRobotDlg::position_now(USHORTka1_chan)，采樣電位器輸出電壓，通過(guò)前面的電位器標(biāo)定函數(shù)，換算出各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來(lái)。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(guān)節(jié)預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)范圍作比擬，看其是否在此區(qū)間內(nèi)，否那么彈出警告對(duì)話框，并且自動(dòng)停止該關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)的伺服控制對(duì)于大功率的直流電機(jī)，一般采用PWM控制來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，這樣可以提高電路及電機(jī)的運(yùn)行效率，而本文中的電機(jī)功率并不是很大，為方便期間，采用了線性控制方法來(lái)調(diào)速。以關(guān)節(jié)1為例，與該模塊相關(guān)的函數(shù)有OnZ1Button(),OnF1Button(),OnT1Button()，它們分別表示用來(lái)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，其中電機(jī)的運(yùn)行速度靠輸入的電壓值調(diào)節(jié)；另外一個(gè)函數(shù)OnRun1Button()是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置伺服控制，在預(yù)定的關(guān)節(jié)角范圍內(nèi)，電機(jī)可以運(yùn)行到任何一輸入的位置停止。電機(jī)的自鎖前面在2.7節(jié)中講到該機(jī)器人關(guān)節(jié)上未裝制動(dòng)器，所以必須通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)的自鎖，尤其是肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的自鎖。解決思路：大臂和小臂在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)由于重力而掉落，在電機(jī)停止的時(shí)候卻會(huì)下落，因?yàn)殡姍C(jī)一旦停止，就失去了驅(qū)動(dòng)力矩，因此假設(shè)想讓大臂和小臂停止在預(yù)定位置，應(yīng)該在此位置給關(guān)節(jié)電機(jī)施加一個(gè)電壓，讓它擔(dān)負(fù)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(duì)大臂或小臂的力矩不同，應(yīng)提供應(yīng)電機(jī)的電壓也不同，如何選取電機(jī)的電壓呢？提供應(yīng)電機(jī)的電壓小了，缺乏以抵抗重力的力矩；提供應(yīng)電機(jī)的電壓大了，會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過(guò)程序來(lái)自適應(yīng)選擇這個(gè)制動(dòng)電壓，方法有多種，下面是本文的設(shè)計(jì)過(guò)程。程序設(shè)計(jì)方法一：在調(diào)用在OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)時(shí)，先給電機(jī)一個(gè)0電壓，使電機(jī)失去驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)調(diào)用position_now(USHORTka1_chan)函數(shù)獲得此刻的關(guān)節(jié)位置，然后延時(shí)一段時(shí)間比方0.1s，再給電機(jī)一個(gè)小電壓，形成一個(gè)小的制動(dòng)力矩，通過(guò)采樣此刻位置看其是否能使關(guān)節(jié)制動(dòng)；如果不能，那么使該電壓值按照一定的步長(zhǎng)線性增加，以增大制動(dòng)力矩；這通過(guò)一個(gè)while()循環(huán)實(shí)現(xiàn)，如果采樣位置不再減小，那么表示大臂或小臂已停止下落，可跳出循環(huán)。下列圖為程序流程圖1：調(diào)用調(diào)用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)使電機(jī)電壓為0，并采樣此時(shí)位置，將電位器輸出值存放在fVoltage_former中使電機(jī)電壓為0，并采樣此時(shí)位置，將電位器輸出值存放在fVoltage_former中考慮到大臂或小臂上升時(shí)的慣性，考慮到大臂或小臂上升時(shí)的慣性，循環(huán)采樣一直到采樣值fVoltage<=fVoltage_former跳出循環(huán)，表示大臂或小臂已經(jīng)開(kāi)始下落了在當(dāng)大臂或小臂下降時(shí)，在當(dāng)大臂或小臂下降時(shí)，循環(huán)采樣一直到采樣值fVoltage>=fVoltage_former跳出循環(huán)，表示大臂或小臂已經(jīng)制動(dòng)在自鎖位置了圖4.1程序流程圖1方法一驗(yàn)證：用方法一編寫(xiě)的程序，調(diào)用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)后，對(duì)于正在上升的臂可以實(shí)現(xiàn)很好的制動(dòng)，而對(duì)于下降的臂那么不可靠，有時(shí)候下降的臂停止下落后會(huì)反彈又向上運(yùn)動(dòng)。定性分析其原因是由于上升的臂在電機(jī)失去驅(qū)動(dòng)力矩后，在重力作用下會(huì)慢慢下落，下落初速度為0，靜止后的速度變化不大，制動(dòng)時(shí)間短，容易制動(dòng)；而下降的臂失去驅(qū)動(dòng)力矩后，在重力作用下仍以原來(lái)的速度下落，靜止后的速度變化較大，制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，很容易使制動(dòng)電壓的線性增長(zhǎng)時(shí)，超過(guò)平衡重力所需要的電壓，從而導(dǎo)致反彈現(xiàn)象的發(fā)生，其實(shí)質(zhì)是由于電壓的超調(diào)造成的。此后，針對(duì)這種反彈現(xiàn)象對(duì)程序作過(guò)屢次修改，結(jié)果都不太理想，所以就嘗試換一種方法。程序設(shè)計(jì)方法二：方法二采用傳統(tǒng)的PID控制，電壓超調(diào)后還可以減小，可以防止反彈現(xiàn)象的發(fā)生。下列圖為程序流程圖2：調(diào)用調(diào)用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)使電機(jī)電壓為0，并采樣此時(shí)位置，將電位器輸出值存放在fVoltage_former中使電機(jī)電壓為0，并采樣此時(shí)位置，將電位器輸出值存放在fVoltage_former中延時(shí)tms，再次采樣，取得誤差量延時(shí)tms，再次采樣，取得誤差量e1=fVoltage_former-fVoltage進(jìn)入for循環(huán)進(jìn)入for循環(huán)延時(shí)tms，再次采樣，取得誤差量，使e2=e1，e1=fVoltage_former-fVoltage;誤差積累sume+=fabs(e1)使電機(jī)輸出電壓v=kp*e1+ki*sume+kd*(e1-e2)用for函數(shù)控制循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過(guò)n此循環(huán)后，跳出循環(huán)，大臂或小臂已停止下落實(shí)現(xiàn)制動(dòng)用for函數(shù)控制循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過(guò)n此循環(huán)后，跳出循環(huán)，大臂或小臂已停止下落實(shí)現(xiàn)制動(dòng)圖4.2程序流程圖2方法二驗(yàn)證：由于方法二采用PID控制，需要選擇適宜的比例、積分、微分系數(shù)；另外還要選擇for()循環(huán)中的延時(shí)時(shí)間t和循環(huán)次數(shù)n。選擇結(jié)果：kp=2.0,ki=0.02,kd=0.04，t=10,n=10;所以最終制動(dòng)時(shí)間為n*t=100ms對(duì)于方法二，其控制框圖如圖4.1所示：圖4.3方法二控制框圖示教編程及在線修改程序設(shè)計(jì)方法：當(dāng)機(jī)器人停止在某個(gè)位置時(shí)，可以記錄下在該位置所對(duì)應(yīng)的一組關(guān)節(jié)角，這一組關(guān)節(jié)角用一個(gè)結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ) structposition { floatVoltage1; floatVoltage2; floatVoltage3; floatVoltage4; floatVoltage5; structposition*next; }記錄的位置同時(shí)顯示在列表框中，記錄位置不超過(guò)1000個(gè)。為了便于對(duì)這些位置作修改，本文采用鏈表來(lái)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)這些結(jié)構(gòu)體。當(dāng)記錄結(jié)束以后，就可以運(yùn)行剛剛記錄的一系列位置了，由于采用鏈表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)程序，所以取用這些程序很方便，只需用一個(gè)指針從鏈表首部開(kāi)始取程序，逐行運(yùn)行，至到鏈表末尾即可。程序運(yùn)行的時(shí)候，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，工作效率高；正在運(yùn)行的那行程序，以高亮狀態(tài)顯示。另外，對(duì)于記錄的位置可以做刪除、清空等操作。設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn)程序啟動(dòng)或退出的時(shí)候，機(jī)器人應(yīng)停留在預(yù)設(shè)的參考點(diǎn)上，這個(gè)參考點(diǎn)在初始對(duì)話框函數(shù)BOOLCRobotDlg::OnInitDialog()中預(yù)先設(shè)置。在程序運(yùn)行期間，使用者也可以自行設(shè)置?；貐⒖键c(diǎn)的程序和回放示教程序一樣，不過(guò)回參考點(diǎn)只是運(yùn)行到一個(gè)位置。結(jié)論本次設(shè)計(jì)所完成工作有：對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改造，本文利用的是報(bào)廢的焊接機(jī)器人，要改造成送料機(jī)器人，不但要對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，還要重新布線；對(duì)關(guān)節(jié)軸電位器進(jìn)行重新標(biāo)定，由于標(biāo)定電壓不同，標(biāo)定曲線和所得的函數(shù)關(guān)系就不同，本文選用的是10v電壓；設(shè)計(jì)端子板電路及驅(qū)動(dòng)電路，端子板是計(jì)算機(jī)、板卡