四自由度的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計【畢業(yè)論文+CAD圖紙全套】

買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 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)過程的自動化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動化生產(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國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強(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)計一臺四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運送物料。首先，本文將設(shè)計機(jī)器人的底座、 大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計該機(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、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計以及控制軟件的設(shè)計，重點加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運行過程的安全性，最終實現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人，示教編程，伺服，制動 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 n on of in to As an of of of to of , of in In an is a of of of On I of AQ of be on of to of of in to 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 目 錄 第 1 章 緒論 3 器人概述 4 器人的歷史、現(xiàn)狀 4 器人的發(fā)展趨勢 4 第 2 章 機(jī)器人 實驗平臺介紹及機(jī)械手的設(shè)計 3 由度及關(guān)節(jié) 4 座及連桿 4 座 7 臂 7 臂 7 械手的設(shè)計 4 動方式 4 動方 式 4 動器 4 第 3 章 控制系統(tǒng)硬件 4 制系統(tǒng)模式的選擇 4 制系統(tǒng)的搭建 4 控機(jī) 4 據(jù)采集卡 4 服放大器 4 子板 4 位器及其標(biāo)定 4 源 4 第 4 章 控制系統(tǒng)軟件 4 期的功能 4 現(xiàn)方法 4 時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制 4 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 流電機(jī)的伺服控制 4 機(jī)的自鎖 4 教編程及在線修改程序 4 置參考點及回參考點 4 第 5 章 總結(jié) 4 完成的工作 4 計經(jīng)驗 4 差分析 4 以繼續(xù)探索的方向 4 致 謝 4 參考文獻(xiàn) 4 第 1 章 緒論 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機(jī) 床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實現(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)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 “工業(yè)機(jī)器人”（ 多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(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部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差 。目前我國常把具有上述特點的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。 簡而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個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。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、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。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（ 它起源于原子、軍 事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國外通常被稱之為“ 它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，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，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，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)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。 要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)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(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)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1示。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)機(jī)器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動 - 傳 動 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動 ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計 算 機(jī)圖 1器人的一般組成 對于現(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(jī)器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)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(jī)器人的。要實現(xiàn)機(jī)器人所期望實現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分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示。 位 形 檢 測控 制 系 統(tǒng) （ 二 ）驅(qū) 動傳 動裝 置執(zhí) 行機(jī) 構(gòu)工 作 對 象智 能 系 統(tǒng)控 制 系 統(tǒng) （ 一 ）圖 1器人各組成部分之間的關(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)動傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)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(wù)。驅(qū)動傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)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(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。 器人的歷史、現(xiàn)狀 機(jī)器人首 先是從美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(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)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究 安裝各種傳感器，把感覺到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺機(jī)能。 第三代機(jī)器人（機(jī)器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) 和柔性制造單元 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，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機(jī)器人會議 定每年召開一次 會議，討論和研究機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。 目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)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。 在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)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，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，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)的飛速發(fā)展和社會的進(jìn)步，針對于上述各個領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。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)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機(jī)集成制造（ 求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(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)的專用控制器，一般采用專用計算機(jī)作為上層 主控計算機(jī)，使用專用機(jī)器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)。 美國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段： （ 1） 1963為試驗定型階段。 1963， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗。 1967 年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為 1900型。 （ 2） 1968為實際應(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)機(jī)器人在美國進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司 1968 年訂購了 68 臺工業(yè)機(jī)器人； 1969 年該公司又自行研制出 工業(yè)機(jī)器人，并用 21 組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司 32 條沖壓自動線上的 448 臺沖床都用工業(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)發(fā)展階段。 1970，工業(yè)機(jī)買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 器人處于技術(shù)發(fā)展階段。 1970 年 4 月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機(jī)器人會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計，美國大約 200 臺工業(yè) 機(jī)器人，工作時間共達(dá)60 萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（ 明了用小型計算機(jī)控制 50 臺機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由 25 臺機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機(jī)器人。 其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從 1967， 1968 年開始以美國的“ “ 機(jī)器人為藍(lán)本開始進(jìn)行研制的。就日本來說， 1967年，日本豐田織機(jī)公司 引進(jìn)美國的“ ,川崎重工公司 引進(jìn)“ 并獲得迅速發(fā)展。通過引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約 10 年的實用化時期以后，從1980 年開始進(jìn)入廣泛的普及時代。 我國雖然開始研制工業(yè)機(jī)器人僅比日本晚 5，但是由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會獲得快速的發(fā)展。 器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計生產(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。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)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(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)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(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)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(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 第 2 章 實驗平臺介紹及機(jī)械手的設(shè)計 該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺 物料搬運 機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計主要偏向于對原有機(jī)構(gòu)的改造和機(jī)械手的設(shè)計。 由度及關(guān)節(jié) 圖 1 該機(jī)器人具有四個自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)； 還有一個用于夾持物料的機(jī)械手。 座及連桿 座 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 基座是整個機(jī)器人本體的支撐。為保證機(jī)器人運行的穩(wěn)定性，采用兩塊“ Z”字形實心鑄鐵作支撐。 基座上面是接線盒子，所有電機(jī)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。 臂 大臂長度 230體尺寸如圖 示： 圖 臂外形 臂 小臂長度 240體尺寸如圖 示： 圖 臂外形 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 械手的設(shè)計 工業(yè)機(jī)器人的手又稱為末端執(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)及表面狀態(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： （ 1） 夾鉗式取料手 （ 2） 吸附式取料手 （ 3） 專用操作器及轉(zhuǎn)換器 （ 4） 仿生多指靈巧手 本文設(shè)計對象為 物料搬運 機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計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。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。該設(shè)計采用兩個手指，其外形如圖 示 圖 械手手指形狀 傳動機(jī)構(gòu)是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機(jī)構(gòu)。圖 初步設(shè)計的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖（只畫出了一半，另外一半關(guān)于中心線對稱）。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 圖 械手機(jī)構(gòu)簡圖 在圖 ， O 為電機(jī)輸出軸 ，曲柄 桿 塊 B 和支架構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；滑塊 B、連桿 桿 支架構(gòu)成滑塊搖桿機(jī)構(gòu)。通過兩個機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動 來回擺動，從而實現(xiàn)手指的開合運動。 圖 的黑線和藍(lán)線表示機(jī)構(gòu)運行的兩個極限位置。 為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設(shè)置一個彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。 另外，在選用電機(jī)的時候，要使電機(jī)的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。 圖 采用虛擬樣機(jī)軟件 分析所設(shè)計的機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作狀況。 圖 擬樣機(jī)場景 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 下面更進(jìn)一步計算出所需要的電機(jī)力矩。 圖 矩變化情況 從圖 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 為電機(jī)的挑選提供了一定的依據(jù)。 動方式 該機(jī)器人一共具有四個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運動，一共需要五個動力源。 機(jī)器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)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 表 種驅(qū)動方式的特點對照 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電 機(jī) 驅(qū)動 輸出功率 很大，壓力范圍為50 140，壓力范圍為 4860大可達(dá) 大 利用液體的不可壓縮 氣體壓縮性大，精度 控制精度高，功率較大，買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 控制性能 性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 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 能精確定位，反應(yīng)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(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(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)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(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需配置減速裝置，除 動機(jī)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(zāi)危險 防爆性能好，高于10000 個大氣壓 )時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自 身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機(jī)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(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點焊機(jī)器人和托運機(jī)器人 適用于中小負(fù)載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動平衡及裝配機(jī)器人氣動夾具 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 服噴涂機(jī)器人、點焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)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(fù)雜 機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 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(yīng)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(jìn)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??； 4）安全可靠； 5）操作和維護(hù)方便； 6）對環(huán)境無污染，噪聲要??； 7）經(jīng)濟(jì)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(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè) 計要求，本文選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動的方式對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動。表 選定的各個關(guān)節(jié)電機(jī)型號及其相關(guān)參數(shù)。 表 器人驅(qū)動電機(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 定電壓 18v 18v 18v 6v 6v 額定轉(zhuǎn)矩 m m m m m 最大轉(zhuǎn)矩 m m m 額定轉(zhuǎn)速 7980980980460460高轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 9200200200動方式 由于一般的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機(jī)構(gòu)來增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對機(jī)器人的傳動機(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(guān)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(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動； 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 （ 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(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動各個連桿的運動。為減小機(jī)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(guān)節(jié)、 肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。 齒形帶傳動原理如圖 示。 齒輪帶的傳動比計算公式為 2112 齒輪帶的平均速度2211 a 圖 形帶傳動 動器 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 制動器及其作用： 制動器是將機(jī)械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運動的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī)械制動器和電氣制動起兩類。 在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)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(jī)械制動器： 機(jī)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(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機(jī)，伺服電機(jī)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(dāng)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(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，同時也能通過其反過程來達(dá)到制動的目的。但對于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿与娐贰?本文中，該機(jī)器人實驗平臺未安裝機(jī)械制動器，因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)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(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動器，所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)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(jī)器人上安裝機(jī)械制動器會使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點在于：這種方法不如機(jī)械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩?第 3 章 控制系統(tǒng)硬件 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 制系統(tǒng)模式的選擇 構(gòu)建機(jī)器人平臺的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇和硬件平臺，控制系統(tǒng)硬件平臺對于系統(tǒng)的開放性、實現(xiàn)方式和開發(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)具有必要的實時計算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于添 加或更改各種接口、傳感器和特殊計算機(jī)等；低成本。到目前為止，一般機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件平臺可以大致分為兩類：基于 線（ 司 1981 年推出的第一代 32 位工業(yè)開放標(biāo)準(zhǔn)總線 ）的系統(tǒng)和基于 線的系統(tǒng)。近年來，隨著 性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價格卻大幅度降低，以為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機(jī)器人控制領(lǐng)域所接受。 基于 控制系統(tǒng)一般包括單 制模式， C 的控制模式， 布式控制器的控制模式， 動控制卡的控制模式， 據(jù)采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式靈活，成本低廉，有利于本文設(shè)計中的廢物利用，在程序和算法上可以自主編制各類算法，適合本課題研究的需要。因此本文選定 據(jù)采集卡的控制方式。 制系統(tǒng)的搭建 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 圖 制系統(tǒng)框圖 控機(jī) 在此選用研華工業(yè)控制機(jī) ,主頻 233存 128 兆， 32 位數(shù)據(jù)總線。底板有 9 個 槽， 4 個 槽，帶 示器。其性能價格比優(yōu)越，兼容性好，有利于軟硬件維護(hù)和升級。與普通個人計算機(jī)相比工業(yè)控制 有以 下優(yōu)點： 芯片篩選要比一般個人計算機(jī)嚴(yán)格； 芯片驅(qū)動能力較強(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； 對環(huán)境（如溫度、濕度、灰塵等）的要求要比一般計算機(jī)低得多。 據(jù)采集卡 在本設(shè)計中我們主要用到 研華 公司的 參數(shù)如下。 要特點 ： 路單端 12 位模擬量輸入 路 12 位模擬量輸出 采樣速率可編程，最快達(dá) 30帶 中斷的 A/D 路數(shù)字量輸出 要 特點 ： 路獨立 D/A 輸出 位分辨率雙緩沖 D/A 轉(zhuǎn)換器 路數(shù)字量輸入及 16 路數(shù)字量輸出 多種電壓范圍： +/+/0 +5V， 0 +10V 和 4 20流環(huán) 。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 服放大器 在驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 過程 中，主要是對 伺服電機(jī) 的驅(qū)動，本文中利用報廢機(jī)器人上的 機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)，因此同樣選用 服電機(jī)驅(qū)動器（ 0/2）進(jìn)行驅(qū)動，如圖 示，這是專 門針對機(jī)設(shè)計的伺服電機(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 1230v 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，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出的模擬電壓信號進(jìn)入這兩個接線端來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)， 13、 14 接測速計（本文中未用）， 3、 4、10 之間是一個光耦合器，輸入“準(zhǔn)備好”信號。在伺服控制器前面，有 5 個旋鈕調(diào)節(jié)器涌來調(diào)節(jié)電機(jī)的五個參數(shù)，下邊有 10 個 關(guān)，用來選擇控制器工作狀態(tài)。 1234567891 01 11 21 31 41 51 6電 源控 制 電 壓測 速 計1234567891 0a i a O f f s e to n o f a x4 k 電 機(jī)圖 服放大器接線及其調(diào)節(jié)示意 子板 不同的被測信號通過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)，不變直接連接到工業(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： 端子板是采集卡與每一個信號調(diào)理電路或驅(qū)動裝置之間的電器連接部件，給買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 每一路輸入、輸出信號提供單獨的信號線和地線，使每一路通道可單獨接通或斷開，系統(tǒng)檢修和排除故障時不必全部停止運行。 將每一路信號經(jīng)過各自的傳送路線到達(dá)端子板后，可以根據(jù)各路信號和傳送路線的特點，在端子板 上對各路信號進(jìn)行簡單的調(diào)理，如經(jīng)電阻衰減、分流或經(jīng)過 通濾波后進(jìn)入采集卡。 圖 示為端子板電路 圖 子板電路 圖 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行，使用了光電耦合器 4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 過五路數(shù)字量輸出來控制電機(jī)電路的通斷， 過五路模擬量輸出來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和運行速度，另外 負(fù)責(zé)采集五個電位器的電壓，以此將 電機(jī)的運行角度反饋給計算機(jī)。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 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。它對外有三個引出端，其中兩個為固定端，另一個是中心抽頭。轉(zhuǎn)動或調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動軸，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，也就是說各關(guān)節(jié)的運動角度小于 360，對于該機(jī)器人已經(jīng)足夠了。電位器安裝在機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)輸出軸上，所以在關(guān)節(jié)角的運動范圍內(nèi)，電位計的輸出電壓和關(guān)節(jié)角是一一對應(yīng)的，存在著一定的函數(shù)關(guān)系。 從理論上來講，電位器應(yīng)該是線性的測量元件，但由于電位器的滑 動噪聲以及滑線電阻的工作過程中的磨損，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)在各個角度處測量的電壓值，擬合出一條直線， 近似替代真實的函數(shù)關(guān)系。 下面即是對各個關(guān)節(jié)的進(jìn)行電位計標(biāo)定。 電位器 1 的標(biāo)定 ， 如圖 示： 圖 位器 關(guān)節(jié)角 1 與電位計 1 的函數(shù)關(guān)系： a=位器 2 的標(biāo)定 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 圖 圖 示： 關(guān)節(jié)角 2 與電位計 2 的函數(shù)關(guān)系： a=位器 3 的標(biāo)定 圖 如圖 示： 關(guān)節(jié)角 3 與電位計 3 的函數(shù)關(guān)系： a= 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 電位器 4 的標(biāo)定 圖 如圖 示： 關(guān)節(jié)角 4 與電位計 4 的函數(shù)關(guān)系： a= 位器 5 的標(biāo)定 圖 如圖 示： 電機(jī) 5 與電位計 5 的函數(shù)關(guān)系： a= ：以上標(biāo)定工作都是在 電壓下測量的 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 源 電位器和伺服放大器都需要一定的電壓，特別是電位計是 在 條件下工作的，穩(wěn)定的電壓對于保證電位計反饋信號的真實性具有重大的影響；而伺服放大器是在 12v30v 范圍內(nèi)工作的，電壓只要在此范圍內(nèi)即可。 本文采用 雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，可以提供 032v 電壓輸出和02A 電流輸出。 這里設(shè)定兩路電壓輸出： 供給伺服放大器運行， 保證電位計的正常工作。 第 4 章 控制系統(tǒng)軟件 以上完成了機(jī)器人的本體設(shè)計和控制系統(tǒng)硬件的搭建，下面將通過設(shè)計控制軟件，使計算機(jī)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(jī)器人 各個關(guān)節(jié)的運動，使之按照人的意愿“工作”。 期的功能 （ 1） . 實時顯示各個關(guān)節(jié)角，并且可以防止各個關(guān)節(jié)的運動角度超出預(yù)定的關(guān) 節(jié)角范圍內(nèi)； （ 2） . 實現(xiàn)直流電機(jī)的伺服控制； （ 3） . 實現(xiàn)電機(jī)的自鎖； （ 4） . 實現(xiàn)示教編程及在線修改程序； （ 5） . 可以設(shè)置參考點，使機(jī)器人在空間有一個固定的參考位置，可以回參考 點。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 現(xiàn)方法 以模塊化程序設(shè)計思想為指導(dǎo)，以預(yù)期要實現(xiàn)的 功能 作為各個模塊，設(shè)計控制軟件。 從圖 以看出，工控機(jī) 通過 數(shù)據(jù)采集 控制 。編程的任務(wù)其實就是用計算機(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。 本文采用了 +作為編程工具。 時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制 在 函數(shù)中， 設(shè)置定時器 , 然后在 數(shù)中， 通過調(diào)用 采樣電位器輸出電壓，通過前面的電位器標(biāo)定函數(shù)，換算出各個關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來。 在 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)的運動范圍作比較，看其是否在此區(qū)間內(nèi)，否則彈出警告對話框，并且自動停止該關(guān)節(jié)的運動。 流電機(jī)的伺服控制 對于大功率的直流電機(jī)，一般采用 制來調(diào)節(jié)運行速度，這樣 可以提高電路及電機(jī)的運行效率，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調(diào)速。 以關(guān)節(jié) 1 為例 ， 與該 模塊 相關(guān)的函數(shù)有 , , ，它們分別表示用來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，其中電機(jī)的運行速度靠輸入的電壓值調(diào)節(jié)；另外一個函數(shù) 是用來實現(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)可以運行到任何一輸入的位置停止。 機(jī)的自鎖 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 前面在 中講到該機(jī)器人關(guān)節(jié)上未裝制動器，所以必須 通過軟 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)運轉(zhuǎn)時不會由于重力而掉落，在電機(jī)停止的時候卻會下落，因為電機(jī)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(yù)定位置，應(yīng)該在此位置給關(guān)節(jié)電機(jī)施加一個電壓，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，重力對大臂或小臂的力矩不同，應(yīng)提供給電機(jī)的電壓也不同，如何選取電機(jī)的電壓呢？ 提供給電機(jī)的電壓小了，不足以抵抗重力的力矩；提供給電機(jī)的電壓大了，會使電機(jī)轉(zhuǎn)動，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過程序來自適應(yīng)選擇 這個制動電壓，方法有多種，下面是 本文的 設(shè)計過程。 程序設(shè)計方法一： 在調(diào)用在 或 函數(shù)時，先給電機(jī)一個 0 電壓，使電機(jī)失去驅(qū)動力矩，同時調(diào)用 數(shù)獲得此刻的關(guān)節(jié)位置，然后延時一段時間比如 給電機(jī)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(guān)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 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： 方法一驗證： 調(diào)用 或 函數(shù) 使電機(jī)電壓為 0，并采樣此時位