關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)-圖文

第5期總第207期2010年3月內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟InnerMongoliaScienceTechnology&EconomyNo.5,the207thissue’Mar.2010關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計鼠彥云(包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院.內(nèi)蒙古包頭014035摘要:文章主要介紹了串聯(lián)關(guān)節(jié)型機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)分析和控制系統(tǒng)設(shè)計,并以五自由度關(guān)節(jié)型機器人為例,就機械結(jié)構(gòu)、運動學(xué)分析、硬件驅(qū)動結(jié)構(gòu)、軟件控制系統(tǒng)、伺服通信協(xié)議等內(nèi)容作了詳細分析設(shè)計.關(guān)鍵詞:關(guān)節(jié)型;機器人,結(jié)構(gòu);運動學(xué);控制中圖分類號:TP242文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1007--6921(201005一0082一03機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的,通過可編程序動作來執(zhí)行任務(wù)的,并具有編程能力的多功能機械手,是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化設(shè)備。機器人學(xué)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)。動力學(xué)、機械設(shè)計、傳感技術(shù)、模式識別、電氣液壓驅(qū)動、控制工程、智能控制、計算機科學(xué)技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)、微機電系統(tǒng)以及計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS等學(xué)科都與機器人技術(shù)有著密切的關(guān)系。正是由于技術(shù)的這種復(fù)雜性導(dǎo)致了機器人形式多種多樣,適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著重要的作用.1串聯(lián)機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計工業(yè)機器人的總體結(jié)構(gòu)類型可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型四種。其中,由于關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)動作靈活,操作機占地面積小,具有較大的操作空間,應(yīng)用比較廣泛,因此,本文也以多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人作為研究對象。從常規(guī)體系結(jié)構(gòu)的角度來看,多關(guān)節(jié)機器人應(yīng)該由機器人執(zhí)行機構(gòu)(操作機、電氣控制系統(tǒng)、作業(yè)環(huán)境以及人機接口等部分組成。由于關(guān)節(jié)型機器人在相同條件下比非關(guān)節(jié)型機器人具有大得多的相對空間和絕對空間,因此串聯(lián)機器人的機械結(jié)構(gòu)采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu).其結(jié)構(gòu)見圖1。本圖例的機器人有五個自由度,腰部轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)實現(xiàn)機器人本體除基座以外的機構(gòu)的轉(zhuǎn)動;肩關(guān)節(jié)是個直移關(guān)節(jié),可以帶動肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)及工件的上下移動。以滿足機器人工作空間上高度的要求。可以在小范圍內(nèi)調(diào)整小臂、手爪和工件的位姿。手腕包括兩個轉(zhuǎn)腕和旋腕關(guān)節(jié),分別可以實現(xiàn)手爪的俯仰和擺動。機器人的結(jié)構(gòu)布局,對其綜合性能有很大影響。首先看一下機器人本體主要部件的布局。按照設(shè)備安裝、拆卸和檢修方便的原則,把驅(qū)動腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的電機1就安裝到機座上l但是對于驅(qū)動肩關(guān)節(jié)上下移動的電機2則應(yīng)該放置到上邊。如果把電機2同樣安裝到機座上,那么它的傳動則是一個問題,因為電機1、2均在機座上,并且都要傳動到腰部和肩關(guān)節(jié),無疑會增加機座和腰部的體積,AdeptOne工業(yè)機器人的直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)就是一個很明顯的例子。而且在絲杠的傳動中可以達到很高的速度,故把電機2安裝到機器人的頂部,直接驅(qū)動絲杠。機器人的肘關(guān)節(jié)和腕部的擺動關(guān)節(jié)均是通過同步帶傳動,由于大臂、小臂、手腕等均是懸空的,所以把二者驅(qū)動電機3、4均配置到大臂的末端,以便來平衡機器人的重量。對于手腕的轉(zhuǎn)動,則因為其需要的扭矩較小,故電機的體積小、重量小,按照就近的原則,把其放在手腕的末端。綜合考慮機器人機械設(shè)計各方面的問題,擬該機器人總體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。圖1機械人結(jié)構(gòu)布局和傳動系統(tǒng)2串聯(lián)機器人運動學(xué)正解與反解機器人運動軌跡可分為點位控制方式、輪廓控制方式和柔順控制方式。但無論哪一種類型都是要求控制機器人末端作用器的位姿、軌跡、速度。1.腰部關(guān)節(jié)2.肩關(guān)節(jié)3.肘關(guān)節(jié)4.腕關(guān)節(jié)圖2五自由度機器人方案為了對機器人進行運動模擬和控制,需對機器人進行運動學(xué)分析。從機構(gòu)學(xué)角度來看.關(guān)節(jié)型非移動機器人操作機是由一系列用關(guān)節(jié)連在一起的構(gòu)件所組成的具有多個自由度的開鏈型空間連桿機構(gòu)。所以對機器人進行運動學(xué)、動力學(xué)分析時,可將機器人簡化成由各連桿和末端執(zhí)行器首尾相接,并通過收稿日期:2009—10--11作者簡介:周彥云(197l一,女,碩士研究生.工程師,講師,主要研究方向:機械設(shè)計。?82?萬方數(shù)據(jù)周彥云?關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計2010年第5期關(guān)節(jié)相連而構(gòu)成的一個開式連桿系。據(jù)此將機器人簡化為連桿機構(gòu),并在底座上建立基坐標(biāo)系,每個關(guān)節(jié)上建立一相對運動坐標(biāo)系。連桿系統(tǒng)坐標(biāo)系如圖2所示。當(dāng)機器人操作機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)確定后,便可由機器人運動學(xué)方程來確定機器人末端執(zhí)行器在機座坐標(biāo)系中的位姿。根據(jù)連桿系統(tǒng)變換矩陣T的通式,將連桿參數(shù)代人通式中,可得到連桿變換矩陣,然后將連桿變換矩陣代入運動方程中,即可解得機器人末端參考點在基坐標(biāo)系中的位姿矩陣T,完成整解。若已知機器人操作機的末端位姿(n,0。a,p。通過齊次坐標(biāo)變換,即可求出末端執(zhí)行器在基坐標(biāo)系中的位置和方向。經(jīng)推導(dǎo)可求出其五個關(guān)節(jié)變量的運算公式。3串聯(lián)關(guān)節(jié)型機器人控制系統(tǒng)設(shè)計機器人驅(qū)動一般采用交流伺服電機,對于性能指標(biāo)要求不太高的場合也可以采用步進驅(qū)動系統(tǒng);步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移(或線位移的機電元件。步進電機的優(yōu)點歸納起來主要有:步距值不受各種干擾因素的影響;位移與輸入脈沖信號相對應(yīng),步距誤差不長期積累I可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制,整個結(jié)構(gòu)簡單廉價;元刷,電動機本體部件少,可靠性高;控制性能好。本例機器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三級,PC機為第一級,主單片機為第二級,從單片機為第三級。PC機控制系統(tǒng)包括機器人控制界面和串行通訊程序兩部分,通過PC機的COM2口將各種控制命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給主單片機。在NGR01型機器人設(shè)計過程中,基于上述思路構(gòu)造了一種三級結(jié)構(gòu)多CPU并行工作方式的電氣控制系統(tǒng),如圖3所示。圖中第一級計算機選用工業(yè)級嵌入式PC機,主要完成機器人路徑規(guī)劃、正向運動學(xué)和逆向運動學(xué)的計算。然后把計算結(jié)果通過RS--232C串行口送給下一級計算機。第二級計算機一方面接收到PC機下發(fā)的命令信息(如示教方式、自動方式、狀態(tài)查詢等或各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)后,立即轉(zhuǎn)發(fā)給下一級計算機執(zhí)行;另一方面它還具有獨立的下位機手動示教鍵盤接口功能。第三級計算機通過內(nèi)部并行數(shù)據(jù)總線和握手信號按約定的邏輯關(guān)系進行數(shù)據(jù)通信,它主要接收上一級計算機發(fā)來的命令和數(shù)據(jù),然后控制對應(yīng)關(guān)節(jié)電動機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度,驅(qū)動機器人手指到達所要求的位置。葉旦羞蔓皇焦j一5#關(guān)節(jié)電機i圖3控制系統(tǒng)示意3.1硬件系統(tǒng)的組成機器人的控制系統(tǒng)是一種分級式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。上位機控制系統(tǒng)是PC機與下位單片機之間的橋梁,是整個機器人控制系統(tǒng)的核心部分。其主要功能包括與PC機、下位單片機之間的通訊控制,數(shù)據(jù)的處理與存儲,軌跡插補,以及對系統(tǒng)的實時監(jiān)控。上位機控制系統(tǒng)主要由AT89C51單片機、MAX232電平轉(zhuǎn)換器、62256數(shù)據(jù)存儲器、INs8250組成。其中AT89C51是整個上位機控制系統(tǒng)的核心.AT89C51是一種低功耗,高性能,內(nèi)部帶有4K字節(jié)的可下載FLASH存儲器、128字節(jié)RAM的8位CMoS單片機。該器件運用了ATMEL公司的高密度非易失存儲器技術(shù),與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51的指令和管腳排列兼容。芯片內(nèi)可下載的FLASH存儲器可通過SPI串行接口或通過通用的非易失存儲器編程器對程序存儲器進行系統(tǒng)內(nèi)的重新編程。通過將可下載的FLASH存儲器與通用的8位CPU相結(jié)合,AT89c51成為一種許多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中低成本,靈活性好的單片機“]。下位機AT89C2051控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對步進電機的調(diào)速控制、與上位單片機AT89C51的通訊及完成行程開關(guān)信號調(diào)理。下位機控制電路主要由AT89C2051單片機、SH一20402A驅(qū)動器組成。其中AT89C2051單片機是美國ATMEL公司AT89系列中經(jīng)濟低價產(chǎn)品,與MCSm51結(jié)構(gòu)基本一致,區(qū)別是減少了PO和P2端口,增加了一個模擬比較器。步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件,它不能直接接到交直流電源上工作,而必須使用專用設(shè)備——步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)。典型步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)如圖4所示。圖4步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)原理變頻信號源是一個脈沖頻率從幾赫到幾十千赫可以連續(xù)變化的信號發(fā)生器,它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后,經(jīng)過功率放大器的放大驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類:一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)分器要求的功能,通常稱軟環(huán)形鄉(xiāng)-j,-配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器,通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大,以達到驅(qū)動步進電機的目的[5】。3.2控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人控制涉及運動學(xué)計算和傳動路徑,以實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的實時控制,選用的軟件環(huán)境要有針對性。復(fù)雜的運動學(xué)處理和友好的人機交互界面比較適合采用高級語言完成,而實時在線控制較多采用匯編語言實現(xiàn)。這種控制方式具有一定的通用性和代表性,可以推廣應(yīng)用到類似的上下位機控制場合。為了便于高、低級語言的混合編程,建議選用VC和Intel8086語言。下位機也可以使用MCS51系列單片機匯編語言實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的控制,而與高級語言之間的接口可以通過串行通信等方式來完成。對于如圖3所示的電氣控制系統(tǒng)來講,控制系統(tǒng)軟件包括上位機應(yīng)用程序和下位機應(yīng)用程序兩部分。第一級計算機采用VC++高級語言編程,而第二級和第三級計算機采用了單片機匯編語言編程。上位機AT89C51是PC機與下位機AT89C205l之間的橋梁,因此上位機AT89C51控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計尤為重要。上位機AT89C51控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括:上位機AT89C51利用自身所帶的串行口與PC機的通訊程序,以及通過異步通訊接收發(fā)送器8250進行的上位機AT89C51與下位機AT89C2051之間的通訊程序。下位機AT89C2051控制系統(tǒng)的的主要功能是完成與上位機AT89C51的串行通訊和實現(xiàn)對步進電機的速度控制。下位機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括下位機AT89C2051與上位機AT89C51的串行通訊子程序和下位機對步進電機?83?萬方數(shù)據(jù)總第207期內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟的速度控制子程序。3.2.1上位機AT89C51與PC機和下位機AT89C2051之間的多機通訊。串行通信是CPU與外界進行信息交換的一種方式。AT89C51單片機內(nèi)部有一個全雙工的通用串行異步收發(fā)器(UART用于串行通信,發(fā)送時數(shù)據(jù)由TXD端送出,接收時數(shù)據(jù)由RXD端輸入。有兩個緩沖器SBUF,一個作發(fā)送緩沖器,另一個作接收緩沖器。上位機AT89C51通過自帶的通用串行異步收發(fā)器(UART和MAX232組成的電平轉(zhuǎn)換電路完成與PC機的通信。上位機AT89(251與下位機AT89C2051之間的串行通訊屬于總線型主從式多機通訊。所謂主從式,即在數(shù)個單片機中,有一個是主機。其余的是從機,從機服從主機的調(diào)度、支配。AT89C51單片機的串口工作于方式2、方式3很適合這種主從式的通信結(jié)構(gòu)。^口完成對步進電機采用高速、中速、低速三種速度類型的選擇.實現(xiàn)步進電機的正、反轉(zhuǎn),以及在各種既定的速度類型中精確地實現(xiàn)步進電機的點——位控制[‘]?？刂撇竭M電機速度的子程序流程圖見圖5所示。4結(jié)束語關(guān)節(jié)型機器人以工作范圍大、動作靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等特點備受設(shè)計者和使用者的青睞。具有廣泛的實際意義和應(yīng)機器人技術(shù)的出現(xiàn),不僅大大提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量。降低了成本,而且降低了人的勞動強度,改善了勞動條件,因此世界上許多國家將其列入高新技術(shù)發(fā)展計劃。作為一門綜合了機械、電氣、計算機等諸多專業(yè)的學(xué)科產(chǎn)物,該機器人可以很好地幫助人們直觀地分析機器人的總體機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),全面地理解機器人運動學(xué)規(guī)律,熟練地掌握機器人的操控,完成機器人系統(tǒng)分析、設(shè)計教學(xué)的要求.[參考文獻][1]蔡自興.機器人學(xué)[M].北京t清華大學(xué)出版社,2000.[2-1馮辛安,黃玉美,杜文君.機械制造裝備設(shè)計[M].北京;機械工業(yè)出版社,1999.1-3-]熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢z華中理工大學(xué)出版社,1996.[4]張伯鵬,張昆,徐家球.機器人工程基礎(chǔ)I-M].圈5控制步進電機速度的子程序流程北京:機械工業(yè)出版社,1989.3.2.2控制步進電機速度的子程序框圖設(shè)計.下位[5]蔡自興.機器人學(xué)[M].北京t清華大學(xué)出版機AT89C2051對步進電機速度的控制子程序主要杜,2001.-●H-●H_●H-●_-●H-●-●_’?●一●??■-?_--H●__●_-●_H●H’■H?！?-1●_H●_H●_H●HH●_-●H,●?-—-?●__●-??■—●■?H●_H●H_●_H●qH●H。●?‘_-?--_■一●-??■-_●’“●—_●_●●。“●'H■‘”●’”-一(t-接第81頁離。FGD廢水經(jīng)過以上中和、混凝、沉淀處理后,達到排放要求.4污染防治措施4.1固體廢物的防治措施本項目產(chǎn)生的脫流石膏優(yōu)先進行綜合利用,不能綜合利用時用汽車運輸送至灰場儲存.石膏的特性穩(wěn)定,儲存在灰場的石膏不會二次揚塵,對周圍的環(huán)境不會產(chǎn)生影響。同時,由于灰場具有粘土防滲層,石膏的儲存不會污染下水.4.2脫硫廢水的防治措施根據(jù)脫硫工藝的要求,石膏旋硫站分離出來的溢流液、真空皮帶脫水機濾出液、以及石膏和脫水裝置的沖洗水全部送入脫水廢水處理系統(tǒng),廢水中含有CaSO。、CaCl。、氟化物、亞硫酸鹽、重金屬離子、PH值等污染物。脫硫廢水處理系統(tǒng)工藝流程見3圖。4.3脫硫噪聲防治措施脫硫系統(tǒng)噪聲主要為設(shè)備噪聲。主要有流化風(fēng)機、漿液循環(huán)泵、氧化風(fēng)機、抽漿泵等噪聲較大的傳動機械產(chǎn)生的噪聲影響,為控制電廠運行噪聲對周邊環(huán)境的影響,電廠本期工程采取了必要的隔聲、降噪措施:①從設(shè)備選型人手,從聲源上控制噪聲。如對高噪聲設(shè)備采取必要的措施,以達到降低設(shè)備噪聲水平的目的.②優(yōu)化電廠總平面布置,選用隔聲吸音材料,以減少廠房內(nèi)噪聲回響反射。③脫流系統(tǒng)增壓風(fēng)機、氧化風(fēng)機與密封風(fēng)機等均按噪聲限值選用設(shè)備,石灰石漿液循環(huán)泵布置于泵房內(nèi)。4.4石灰石粉塵防治措施本項目直接采購石灰石粉,不存在廠內(nèi)制粉帶來粉塵污