課程設(shè)計(jì)--三自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì)說明書

1、<p>　　三自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué) 院： </b></p><p><b>　　專 業(yè)： </b></p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b&

2、gt;</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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

3、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(yùn)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。</p><p>　　本文將設(shè)計(jì)一臺四自由度的工業(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

4、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、反饋方式和反饋元件的選擇、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)行過程的安全性，最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)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(diǎn)和回參考點(diǎn)。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　

5、　第1章 緒論………………………………………………………………………… 5</p><p>　　1.1 機(jī)器人概述……………………………………………………………… 5</p><p>　　第2章 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì)…………………………………… 6</p><p>　　2.1自由度及關(guān)節(jié)…………………………………………………………… 6</p>

6、;<p>　　2.2 基座及連桿……………………………………………………………… 6</p><p>　　2.2.1 基座……………………………………………………………… 6</p><p>　　2.2.2 機(jī)械臂…………………………………………………………… 6</p><p>　　2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)……………………………………………………………

7、6</p><p>　　2.4 驅(qū)動方式………………………………………………………………… 8</p><p>　　2.5 傳動方式………………………………………………………………… 9</p><p>　　2.6 制動器…………………………………………………………………… 10</p><p>　　第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………

8、………………………………… 11</p><p>　　3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇…………………………………………………… 11</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)的搭建……………………………………………………… 11</p><p>　　3.2.1 工控機(jī)…………………………………………………………… 12</p><p>　　3.2.

9、2 數(shù)據(jù)采集卡……………………………………………………… 12</p><p>　　3.2.3 伺服放大器……………………………………………………… 13</p><p>　　3.2.4 端子板…………………………………………………………… 14</p><p>　　3.2.5電位器及其標(biāo)定………………………………………………… 15</p><

10、p>　　3.2.6電源……………………………………………………………… 16</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)軟件……………………………………………………………… 16</p><p>　　4.1預(yù)期的功能……………………………………………………………… 16</p><p>　　4.2 實(shí)現(xiàn)方法………………………………………………………………… 16&l

11、t;/p><p>　　4.2.1實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動范圍控制………………………… 16</p><p>　　4.2.2直流電機(jī)的伺服控制…………………………………………… 16</p><p>　　4.2.3電機(jī)的自鎖………………………………………………………16</p><p>　　4.2.4示教編程及在線修改程序…………………………………

12、… 17</p><p>　　第5章 總結(jié)……………………………………………………………………… 18</p><p>　　5.1 所完成的工作………………………………………………………… 18</p><p>　　5.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)……………………………………………………………… 18</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………

13、……………………………………… 20</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 機(jī)器人概述</b></p><p>　　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

14、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(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)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　“工業(yè)機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動抓取、搬運(yùn)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

15、人）。</p><p>　　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(diǎn)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。</p><p>　　簡而言之，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。</p>&

16、lt;p>　　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(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。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。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

17、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“Mechanical Hand”，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。</p><p>　　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

18、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)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。</p><p>　　第2章 實(shí)驗(yàn)平臺介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì)</p><p>　　該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺物料搬運(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)主要偏向于對原有機(jī)構(gòu)的改造和機(jī)械手的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.1自由度及關(guān)節(jié)<

19、;/b></p><p>　　該機(jī)器人具有三個(gè)自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。</p><p><b>　　2.2基座及連桿</b></p><p><b>　　2.2.1 基座</b></p><p>　　基座是整個(gè)機(jī)器人本體的支撐。為保證機(jī)器

20、人運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z”字形實(shí)心鑄鐵作支撐。</p><p>　　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(gè)引入線出口和一個(gè)引出線出口。</p><p><b>　　2.2.2 機(jī)械臂</b></p><p>　　大臂長度230mm 小臂長度240mm</p>

21、<p><b>　　2.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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：</p>&l

22、t;p><b>　　夾鉗式取料手</b></p><p><b>　　吸附式取料手</b></p><p><b>　　專用操作器及轉(zhuǎn)換器</b></p><p><b>　　仿生多指靈巧手</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)對象為物料搬運(yùn)機(jī)器人，

23、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。</p><p>　　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(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</p><p>　　圖2.1 機(jī)械手手指形狀</p><p>　　傳動機(jī)構(gòu)是向手指傳遞運(yùn)動和動力，以實(shí)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(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型

24、和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機(jī)構(gòu)。圖2.4為初步設(shè)計(jì)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）。</p><p>　　圖2.2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖</p><p>　　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)。通過兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，使電機(jī)最終驅(qū)動DE的來回?cái)[動，從而實(shí)現(xiàn)手指的開合運(yùn)動。</p

25、><p>　　圖2.4中的黑線和藍(lán)線表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。</p><p>　　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。</p><p>　　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，并且提供足夠加緊物體的力。</p><p><b>　　2.4驅(qū)動方式</b&

26、gt;</p><p>　　該機(jī)器人一共具有四個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動，一共需要五個(gè)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。</p><p>　　機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：</p><p>　　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；</p><

27、;p>　　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；</p><p>　　3）．驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；</p><p><b>　　4）．安全可靠；</b></p><p>　　5）．操作和維護(hù)方便；</p><p>　　6）．對環(huán)境無污染，噪

28、聲要小；</p><p>　　7）．經(jīng)濟(jì)上合理，尤其要盡量減少占地面積。</p><p>　　基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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2.2為選定的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)型號及其相關(guān)參數(shù)。</p><p>　　表2.1機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)參數(shù)</p><p><b>　　2.5傳動方式&l

29、t;/b></p><p>　　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：</p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時(shí)體積最小，重量最輕；</p><p>　?。?）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(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率

30、，并大大減輕整機(jī)的低頻振動；</p><p>　　（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；</p><p>　?。?）壽命長、價(jià)格低。</p><p>　　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，但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動各個(gè)連桿的運(yùn)動。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，

31、采用了齒形帶傳動。</p><p>　　齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運(yùn)動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)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。</p><p>　　齒形帶傳動原理如圖2.7所示。</p><p>　　齒輪帶的傳動比計(jì)算公式為</p><p><b>　　齒輪帶的平均速度為</b><

32、;/p><p><b>　　2.6制動器</b></p><p><b>　　制動器及其作用：</b></p><p>　　制動器是將機(jī)械運(yùn)動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)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。</p><p>　　在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，學(xué)要使用制動器的情況

33、如下：</p><p>　　特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施</p><p>　　停電時(shí)，防止運(yùn)動部分下滑而破壞其他裝置。</p><p><b>　　機(jī)械制動器：</b></p><p>　　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。</p>

34、;<p>　　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(shí)制動器打開，這時(shí)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(shí)，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此</p><p>　　這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。又因?yàn)檫@種制動器常用于安全制動場合，所以也稱為安全

35、制動器。</p><p><b>　　電氣制動器</b></p><p>　　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(shí)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?lt;/p><

36、;p>　　本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)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(shí)候，會因?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)械制動器，所以只能通過軟件來實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動。</p><p>　　采用電氣制動器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)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(diǎn)在于：這種方法

37、不如機(jī)械制動器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿幼饔谩?lt;/p><p>　　第3章 控制系統(tǒng)硬件</p><p>　　3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇</p><p>　　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(shí)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

38、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VME總線（Versamodel Eurocard由Motorola公司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PC總線的系統(tǒng)。近年來，隨著PC機(jī)性能的快速發(fā)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。&l

39、t;/p><p>　　基于PC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，成本低廉，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。</p><p>　　3.2控制系統(tǒng)的搭建</

40、p><p>　　圖3.1 控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　3.2.1工控機(jī)</b></p><p>　　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。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)：</p

41、><p>　　·芯片篩選要比一般個(gè)人計(jì)算機(jī)嚴(yán)格；</p><p>　　·芯片驅(qū)動能力較強(qiáng)；</p><p>　　·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；</p><p>　　·對環(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。</p><p>　　3.2.2

42、數(shù)據(jù)采集卡</p><p>　　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。</p><p><b>　　PCL-812PG</b></p><p><b>　　主要特點(diǎn)： </b></p><p>　　? 16路單端12位模擬量輸入 </p><

43、;p>　　? 2路12位模擬量輸出 </p><p>　　? 采樣速率可編程，最快達(dá)30KHz </p><p>　　? 帶DMA或中斷的A/D </p><p>　　? 16路數(shù)字量輸出</p><p><b>　　PCL-726</b></p><p><b>　　主要

44、特點(diǎn)： </b></p><p>　　? 6路獨(dú)立D/A輸出 </p><p>　　? 12位分辨率雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器 </p><p>　　? 16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出 </p><p>　　? 多種電壓范圍：+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA電流環(huán)。</p><

45、;p>　　3.2.3伺服放大器</p><p>　　在驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要是對伺服電機(jī)的驅(qū)動，本文中利用報(bào)廢機(jī)器人上的maxon電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)，因此同樣選用maxon伺服電機(jī)驅(qū)動器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）進(jìn)行驅(qū)動，如圖3.2所示，這是專門針對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

46、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(gè)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(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。在伺服控制器前面，有5個(gè)旋鈕調(diào)節(jié)器涌來調(diào)節(jié)電機(jī)的五個(gè)參數(shù)，下邊有10個(gè)DIP開關(guān)，用來選擇控制器工作狀態(tài)。</p><p>　　圖3.2伺服放大器接線及其調(diào)節(jié)示意&

47、lt;/p><p><b>　　3.2.4端子板</b></p><p>　　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。</p><p>　　端子板的主要作用有兩個(gè)：</p><p>　?、伲俗影迨遣杉ㄅc每一個(gè)信號調(diào)理電路或驅(qū)動裝置之間的電器連接部件，

48、給每一路輸入、輸出信號提供單獨(dú)的信號線和地線，使每一路通道可單獨(dú)接通或斷開，系統(tǒng)檢修和排除故障時(shí)不必全部停止運(yùn)行。</p><p>　?、冢畬⒚恳宦沸盘柦?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(diǎn)，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RC低通濾波后進(jìn)入采集卡。</p><p>　　圖3.3所示為端子板電路</p><p>

49、<b>　　圖3.3端子板電路</b></p><p>　　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。</p><p>　　其中PCL-812PG通過五路數(shù)字量輸出來控制電機(jī)電路的通斷，PCL-726通過五路模擬量輸出來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行速度，另外PCL-812P

50、G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)行角度反饋給計(jì)算機(jī)。</p><p>　　3.2.5電位器及其標(biāo)定</p><p>　　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(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。</p><p>　　本文采用的電位器是單圈的，也就是說

51、各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度小于360º，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(gè)關(guān)節(jié)輸出軸上，所以在關(guān)節(jié)角的運(yùn)動范圍內(nèi)，電位計(jì)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。</p><p>　　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(gè)角度處測量的電壓值，擬合出一條直

52、線，</p><p>　　近似替代真實(shí)的函數(shù)關(guān)系。</p><p><b>　　3.2.6電源</b></p><p>　　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)定的電壓對于保證電位計(jì)反饋信號的真實(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。</p>

53、<p>　　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。</p><p>　　這里設(shè)定兩路電壓輸出：14.0v——供給伺服放大器運(yùn)行，10.0v——保證電位計(jì)的正常工作。</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)軟件</p><p>　　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，下面將通過設(shè)計(jì)控制軟件

54、，使計(jì)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(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動，使之按照人的意愿“工作”。</p><p><b>　　4.1預(yù)期的功能</b></p><p>　　（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)動角度超出預(yù)定的關(guān) 節(jié)角范圍內(nèi)；</p><p>　?。?）. 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的伺服控制；<

55、/p><p>　　（3）. 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自鎖；</p><p>　?。?）. 實(shí)現(xiàn)示教編程及在線修改程序；</p><p><b>　　4.2 實(shí)現(xiàn)方法</b></p><p>　　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。</p><p>　　從圖3.1可以看出，工控機(jī)

56、通過數(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。</p><p>　　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。</p><p>　　本文采用了Visual C++作為編程工具。</p><p>　　4.2.1實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動范圍控制 </p&

57、gt;<p>　　在BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()函數(shù)中，</p><p>　　設(shè)置定時(shí)器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)，</p><p>　　然后在void CRobotDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)函數(shù)中，</p><p>　　通過調(diào)用bool CRobotDlg::

58、position_now(USHORT ka1_chan)，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(gè)關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來。</p><p>　　在void CRobotDlg::OnChangeAngle?Edit()函數(shù)中（?表示1，2，3，4，5），</p><p>　　將換算出的角度與該關(guān)節(jié)預(yù)設(shè)的運(yùn)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

59、關(guān)節(jié)的運(yùn)動。</p><p>　　4.2.2直流電機(jī)的伺服控制</p><p>　　對于大功率的直流電機(jī)，一般采用PWM控制來調(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調(diào)速。</p><p>　　以關(guān)節(jié)1為例，與該模塊相關(guān)的函數(shù)有OnZ1Button(), OnF1Button(), OnT1But

60、ton()，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(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。</p><p>　　4.2.3電機(jī)的自鎖</p><p>　　前面在2.7節(jié)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

61、鎖。</p><p>　　解決思路：大臂和小臂在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會由于重力而掉落，在電機(jī)停止的時(shí)候卻會下落，因?yàn)殡姍C(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(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？</p><p>　　提供給電機(jī)的電壓

62、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(gè)制動電壓，方法有多種，下面是本文的設(shè)計(jì)過程。</p><p>　　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)動力矩，同時(shí)調(diào)用position_now(USHORT ka1_chan)函數(shù)獲得此刻的關(guān)節(jié)位置，然后延時(shí)一段時(shí)間比如0.1s，再給電

63、機(jī)一個(gè)小電壓，形成一個(gè)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(gè)while()循環(huán)實(shí)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)。</p><p><b>　　下圖為程序流程圖：</b></p><p>　　4.2.4示教編程及在線修改程序</p>&l

64、t;p>　　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</p><p>　　struct position</p><p>　　float Voltage1;</p><p>　　float Voltage2;</p><p>　　float Voltage3;</p&g

65、t;<p>　　float Voltage4;</p><p>　　float Voltage5;</p><p>　　struct position *next;</p><p>　　記錄的位置同時(shí)顯示在列表框中，記錄位置不超過1000個(gè)。</p><p>　　為了便于對這些位置作修改，本文采用鏈表來動態(tài)存儲這些結(jié)構(gòu)體。<

66、;/p><p>　　當(dāng)記錄結(jié)束以后，就可以運(yùn)行剛才記錄的一系列位置了，由于采用鏈表結(jié)構(gòu)存儲程序，所以取用這些程序很方便，只需用一個(gè)指針從鏈表首部開始取程序，逐行運(yùn)行，至到鏈表末尾即可。</p><p>　　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，工作效率高；正在運(yùn)行的那行程序，以高亮狀態(tài)顯示。</p><p>　　另外，對于記錄的位置可以做刪除、清空等操作。</p

67、><p><b>　　第5章 總結(jié)</b></p><p>　　5.1 所完成的工作</p><p>　　對實(shí)驗(yàn)平臺的改造 </p><p>　　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，不但要對末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，還要重新布線。</p><p>　　對關(guān)節(jié)軸電位器進(jìn)行重新標(biāo)定

68、 </p><p>　　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。</p><p>　　設(shè)計(jì)端子板電路及驅(qū)動電路 </p><p>　　端子板是計(jì)算機(jī)、板卡控制信號端與機(jī)器人電路端的“橋梁”，承擔(dān)著信號調(diào)理、驅(qū)動放大等任務(wù)。</p><p>　　控制軟件的設(shè)計(jì) </p><p>

69、　　軟件是機(jī)器人的“大腦思維”，軟件的設(shè)計(jì)就是將人的意志賦予機(jī)器人的“大腦”。</p><p><b>　　5.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)</b></p><p>　?。?） 底座設(shè)計(jì)成長方體不合理</p><p>　　當(dāng)腰關(guān)節(jié)在不同的位置時(shí)，肩關(guān)節(jié)運(yùn)動的下限不同，不便于編程；最好將底座設(shè)計(jì)成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐。</p><p&

70、gt;　?。?） 最好安裝機(jī)械制動裝置</p><p>　　僅依靠程序來實(shí)現(xiàn)制動并不可靠，例如突然掉電，將無法制動。</p><p>　?。?） 電機(jī)上應(yīng)安裝放電回路</p><p>　　電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)線圈，在電機(jī)啟動或者停止瞬間，會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢，很可能會對電路中的元器件造成破壞，所以要加上穩(wěn)壓或者續(xù)流元件。</p><p>　?。?

71、） 電位器輸出電壓會在一定范圍內(nèi)會有無規(guī)則的波動</p><p>　　由于電位器材料電阻率分布的不均勻以及電刷滑動時(shí)接觸電阻的無規(guī)律變化，會引起所謂的“滑動噪聲”。這導(dǎo)致電位器反饋電壓并不準(zhǔn)確。</p><p>　?。?） 關(guān)節(jié)角的方向及電位器的安裝</p><p>　　關(guān)節(jié)角最好符合關(guān)節(jié)角坐標(biāo)系，并且電位器輸出電壓最好隨關(guān)節(jié)角的增大而增大，這樣便于編程。</

72、p><p>　　通過虛擬場景和網(wǎng)絡(luò)，也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。</p><p>　　還可以嘗試在原有實(shí)驗(yàn)平臺上加上視覺反饋。</p><p>　　控制界面如果用LabView設(shè)計(jì)，可能會更方便些。</p><p>　　通過進(jìn)一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)，可以將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。</p><p&g

73、t;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Craig, John J. Introduction to robotics. 北京 機(jī)械工業(yè)出版社，2006 </p><p>　　[2] Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameter

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