畢業(yè)設(shè)計(jì)--工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　Design of industrial robot manipulator and its control system</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p><b&

2、gt;　　摘要</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是近年來(lái)新技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，是以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)與機(jī)械技術(shù)交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術(shù)。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動(dòng)化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來(lái)越多的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)制造業(yè)的柔性化、增強(qiáng)企業(yè)和國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力等諸多方面有著舉足輕重的地位。而機(jī)械手是工業(yè)機(jī)

3、器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一；是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分；是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。</p><p>　　本課題將設(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，將會(huì)被用作自動(dòng)送料裝置。主要工作部件及設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是機(jī)械手。

4、第一，本人將設(shè)計(jì)該機(jī)器人的底座、大臂、小臂以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)和模型；第二，再設(shè)計(jì)出適合于該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)方式，以期構(gòu)成其的結(jié)構(gòu)平臺(tái)。最后，在此基礎(chǔ)上再將其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)，由下面幾個(gè)步驟組成：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)。其中重點(diǎn)要加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程的安全性，最終要實(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

5、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>　　關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；驅(qū)動(dòng)；控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Industrial robot technology is one of the important fields in the development of

6、 new technologies in recent years, is a cross, a variety of emerging technology and mechanical technology integration with microelectronics technology as the leading into a comprehensive high and new technology. This tec

7、hnology has been used more and more in the fields of industry, agriculture, national defense, medical, office automation and service life. Industrial robots play a decisive role in improving the quali</p><p>

8、;　　This topic will be the design of industrial robot with a four degree of freedom, will be used for the automatic feeding device. The main working parts and design focus is manipulator. First, the base, I will design th

9、e robot big arm, small arm and gripper actuator structure and model; second, redesign drive, drive mode suitable for the robot, in order to form the structure of platform. Finally, on the basis of the designed control sy

10、stem, consisting of the following steps: the design of data acq</p><p>　　Key Words：Industrial robot; Manipulator; Drive; Control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論

11、1</b></p><p>　　1.1工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.1.1發(fā)展史1</p><p><b>　　1.1.2特點(diǎn)1</b></p><p>　　1.1.3構(gòu)造分類(lèi)2</p><p>　　1.1.4 應(yīng)用3</p><p>

12、;　　1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r4</p><p>　　1.2.1 國(guó)外發(fā)展4</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展5</p><p>　　1.3工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)5</p><p>　　2 工業(yè)機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)及機(jī)械手設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1機(jī)械手設(shè)計(jì)6</p><p>

13、　　2.1.1機(jī)械手簡(jiǎn)介6</p><p>　　2.1.2 機(jī)械手分類(lèi)6</p><p>　　2.1.3具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.2工業(yè)機(jī)器人基座與連桿設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.2.1基座的設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.2.2大臂設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.

14、2.3小臂設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.3工業(yè)機(jī)器人自由度及關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.4選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式11</p><p>　　2.4.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)11</p><p>　　2.4.2液壓驅(qū)動(dòng)12</p><p>　　2.4.3氣壓驅(qū)動(dòng)12</p><p>　　2

15、.4.4驅(qū)動(dòng)方式的確定13</p><p>　　2.5選擇合適的傳動(dòng)方式13</p><p>　　2.6選擇合適的制動(dòng)器14</p><p>　　3控制系統(tǒng)硬件的組成15</p><p>　　3.1選擇合適的控制系統(tǒng)模式15</p><p>　　3.2建立合適的控制系統(tǒng)模型16</p><

16、;p>　　4控制系統(tǒng)軟件的選取和設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1預(yù)期實(shí)現(xiàn)動(dòng)作19</p><p>　　4.2實(shí)現(xiàn)手段19</p><p>　　4.2.1 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制及監(jiān)測(cè)19</p><p>　　4.2.2 直流電機(jī)伺服控制20</p><p>　　4.2.3 電機(jī)自鎖20</p>

17、<p>　　4.2.4 程序的在線修改與示教控制22</p><p>　　4.2.5 參考點(diǎn)的設(shè)置22</p><p><b>　　5總結(jié)22</b></p><p>　　5.1設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)22</p><p>　　5.2 誤差分析23</p><p>　　5.3 總體評(píng)價(jià)2

18、3</p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介</b></p><p><b>

19、;　　發(fā)展史</b></p><p>　　1920年由著名捷克斯洛伐克作家查培克所作劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》里第一次出現(xiàn)了“機(jī)器人”這個(gè)名詞，但最初”Robot”一詞是苦力的意思，指的是一臺(tái)類(lèi)人的且具有特殊功能的機(jī)器，為一種人造苦力。這就是最原始的的工業(yè)機(jī)器人假想。</p><p>　　進(jìn)入20世紀(jì)中期，有越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注機(jī)器人的研究。其中美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)始對(duì)可控的搬

20、運(yùn)核原料機(jī)械手進(jìn)行了研究。其控制系統(tǒng)為主從型控制系統(tǒng)，這種控制方式促進(jìn)了近代工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和設(shè)計(jì)。</p><p>　　1954年工業(yè)機(jī)器人的概念由美國(guó)人戴沃爾最早提出且申請(qǐng)專(zhuān)利。這是一種借助伺服系統(tǒng)控制機(jī)器人關(guān)節(jié)并利用人手對(duì)其動(dòng)作示教，從而達(dá)到動(dòng)作記錄與再現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，即示教再現(xiàn)機(jī)器人。該控制模式成為當(dāng)前主流的機(jī)器人控制方式。1959年，美國(guó)Unimation 公司生產(chǎn)出了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，成為機(jī)器人

21、發(fā)展史上的一塊里程碑。該公司VAL語(yǔ)言也成為機(jī)器人領(lǐng)域最原始的程控語(yǔ)言，并逐漸傳播于各個(gè)大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)，成為機(jī)器人品牌的基本模版，而且其機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)也成為該行業(yè)的范本。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，日本也不甘落后，在經(jīng)過(guò)了20世紀(jì)60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用化時(shí)期，以及80年代的普及、提高期3個(gè)基本階段后，日本的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展?，F(xiàn)在，日本機(jī)器人主要用于汽車(chē)制造業(yè)和電子機(jī)械產(chǎn)業(yè)，而電子機(jī)械產(chǎn)品中的電子零件封裝、半導(dǎo)體封裝、無(wú)

22、塵室、組裝等領(lǐng)域占了日本機(jī)器人銷(xiāo)售額的一半?，F(xiàn)在日本擁有機(jī)器人的總量為美國(guó)的7倍。</p><p><b>　　1.1.2特點(diǎn)</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)器人具有以下顯著特征：</p><p>　　通用性：在執(zhí)行不同作業(yè)任務(wù)時(shí)，一般的工業(yè)機(jī)器人都具有良好的通用性（特別設(shè)計(jì)的專(zhuān)用機(jī)器人除外）。例如：為了讓同一部工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)，我

23、們可只更換其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械手爪，作業(yè)工具等）；</p><p>　　可編程：柔性啟動(dòng)化是生產(chǎn)自動(dòng)化的下一發(fā)展目標(biāo)。為了讓工業(yè)機(jī)器人在小批量多品種且具有均衡高效率的柔性制造任務(wù)中發(fā)揮更好的功能，我們需要根據(jù)其工作環(huán)境的需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的編程和再編程，這是柔性制造系統(tǒng)中的重要組成部分。</p><p>　　擬人化：除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上工業(yè)機(jī)器人有類(lèi)似人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（下肢）、腰部、大臂、小臂、手腕

24、、手爪等之外，在控制系統(tǒng)上還有類(lèi)似人腦的計(jì)算機(jī)。而且，新興的智能化機(jī)器人還具有許多類(lèi)人生物傳感器，例如，視覺(jué)、聲覺(jué)、嗅覺(jué)傳感器，皮膚接觸傳感器，力傳感器，負(fù)載傳感器以及語(yǔ)言功能等等。正是因?yàn)橛辛藗鞲衅?，工業(yè)機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境的適應(yīng)能力才有了很大提高。</p><p>　　涉及學(xué)科較復(fù)雜廣泛：工業(yè)機(jī)器人涉及的知識(shí)面非常廣泛，概括來(lái)講主要為機(jī)械學(xué)科和微電子學(xué)科的結(jié)合，即機(jī)電一體化技術(shù)。第三代智能機(jī)器人不僅能夠通過(guò)各種傳

25、感器獲得外界信息，而且還具有邏輯推理、圖像識(shí)別、言語(yǔ)理解等人工智能，這些都與微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用息息相關(guān)。所以，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將推動(dòng)其他領(lǐng)域的發(fā)展，越來(lái)越成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平發(fā)展的重要依據(jù)。</p><p><b>　　1.1.3構(gòu)造分類(lèi)</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)器人由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主體三個(gè)基本部分構(gòu)成。其中機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

26、（包括手部、腕部、臂部）構(gòu)成了機(jī)器人的主體；動(dòng)力裝置與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；控制系統(tǒng)主要是根據(jù)輸入程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和主體發(fā)出各種指令集進(jìn)行控制。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人按照不同的分類(lèi)方式可分為不同的種類(lèi)：</p><p>　　按臂部運(yùn)動(dòng)形式：工業(yè)機(jī)器人按照臂部運(yùn)動(dòng)形式可分為四類(lèi)，直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動(dòng)；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作；球坐標(biāo)型的臂部能

27、回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。</p><p>　　按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能：可分為兩類(lèi)，點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。點(diǎn)位型指的是控制其執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的精確定位，通常適用于上下料機(jī)構(gòu)，一般電焊、搬運(yùn)、裝卸等；連續(xù)型可實(shí)現(xiàn)按照輸入程序指定的軌跡連續(xù)作業(yè)，通常適用于涂裝、；連續(xù)焊接等。</p><p>　　按程序輸入方式：可分為編程輸入型和示教輸入型兩類(lèi)。編程輸入型指可通過(guò)串口

28、或以太網(wǎng)通信方式將計(jì)算機(jī)中已編好程序文件傳送至機(jī)器人控制柜；而示教輸入型指的就是示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人。</p><p>　　智能型工業(yè)機(jī)器人指能夠在復(fù)雜環(huán)境下工作，且具備觸覺(jué)、力覺(jué)或簡(jiǎn)單視覺(jué)以及識(shí)別功能或進(jìn)一步增加自適應(yīng)、學(xué)習(xí)等功能的復(fù)雜機(jī)器人。</p><p><b>　　附圖：</b></p><p>　　圖1-1 機(jī)器人一般構(gòu)成</

29、p><p>　　圖1-2機(jī)器人各部分間相互關(guān)系</p><p><b>　　1.1.4 應(yīng)用</b></p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人不僅能夠代替人類(lèi)做很多單調(diào)、頻繁、重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)任務(wù)，還能有效承擔(dān)高風(fēng)險(xiǎn)，極端惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在原子能領(lǐng)域，完成有害核廢料的搬運(yùn)或處理工作。</p><p>　　20世

30、紀(jì)50年代末，美國(guó)在機(jī)械手和操作機(jī)的基礎(chǔ)上，采用伺服機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨(dú)立的工業(yè)用自動(dòng)操作裝置，并將其稱為工業(yè)機(jī)器人；60年代初，美國(guó)研制成功兩種工業(yè)機(jī)器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969年，美國(guó)通用汽車(chē)公司用21臺(tái)工業(yè)機(jī)器人組成了焊接轎車(chē)車(chē)身的自動(dòng)生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。</p><p>　　由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小

31、批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</b></p><p>　　1.2.1 國(guó)外發(fā)展</p><p>　　1954年，美國(guó)人戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。該專(zhuān)利要點(diǎn)為借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教

32、，使其實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)，被稱為示教在現(xiàn)機(jī)器人，現(xiàn)有機(jī)器人基本上都是該控制方式。1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的Joseph F.Engel Berger創(chuàng)建了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司——Unimation公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺(tái)Unimate機(jī)器人。這是一臺(tái)用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，手臂控制由一臺(tái)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)完成。它采用分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲(chǔ)信息的磁鼓，能夠記憶和完成180個(gè)工作步驟。與此同時(shí)，另一家美國(guó)公司——A

33、MF公司也開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認(rèn)為，這兩種機(jī)器人是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人的視覺(jué)與觸覺(jué)就是典型的代表。這些技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)器人概念的延伸。20世紀(jì)80年代，將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱之為智能機(jī)器</p&g

34、t;<p>　　日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了20世紀(jì)60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用化時(shí)期，以及80年代的普及、提高期3個(gè)基本階段。在1967年，日本東京機(jī)械貿(mào)易公司首次從美國(guó)引進(jìn)機(jī)器人。1968年，日本川崎重工業(yè)公司與美國(guó)Unimation公司締結(jié)國(guó)際技術(shù)合作協(xié)議，引進(jìn)機(jī)器人。1970年，日本機(jī)器人實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。從此，日本進(jìn)入了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人時(shí)期。幾年后，美國(guó)反而要向日本進(jìn)口機(jī)器人。1983年，美國(guó)從日本進(jìn)口機(jī)器人占進(jìn)口機(jī)器人

35、總數(shù)的78%。日本政府和企業(yè)一直充分信任機(jī)器人，大膽使用機(jī)器人。在解決勞動(dòng)力不足、提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本方面，機(jī)器人發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的不可缺少的隊(duì)伍。日本在汽車(chē)、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，是日本汽車(chē)及電子產(chǎn)品生產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大幅降低，從而使日本汽車(chē)能夠以廉價(jià)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍號(hào)稱“汽車(chē)王國(guó)”的美國(guó)市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年日本機(jī)器人的銷(xiāo)售額為5850億日元，

36、其中出口額達(dá)到3730億日元。日本推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的主要原因是向海外發(fā)展的日本企業(yè)數(shù)量逐漸增加，同時(shí)海外的汽車(chē)制造商也開(kāi)始積極地引進(jìn)日本機(jī)器人?，F(xiàn)在，日</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展</p><p>　　我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于上世紀(jì)1970年初期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開(kāi)發(fā)期和90年代的適用化期。1970年我國(guó)也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工

37、業(yè)機(jī)器人應(yīng)用掀起一個(gè)高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補(bǔ)充了日益短缺的勞動(dòng)力。在這種背景下，我國(guó)于1972年開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。進(jìn)入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開(kāi)放的不斷深入，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開(kāi)始實(shí)施，

38、智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過(guò)幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。從90年代初期起，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)兩個(gè)根本轉(zhuǎn)變時(shí)期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，</p><p><b>

39、;　　工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)</b></p><p>　　智能化、仿生化是工業(yè)機(jī)器人的最高階段，隨著材料、控制等技術(shù)不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品越來(lái)越多的產(chǎn)品化，逐步應(yīng)用于各個(gè)場(chǎng)合。伴隨移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，多傳感器、分布式控制的精密型工業(yè)機(jī)器人將會(huì)越來(lái)越多，逐步滲透制造業(yè)的方方面面，并且由制造實(shí)施型向服務(wù)型轉(zhuǎn)化。</p><p>　　就目前總的發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人會(huì)有以下發(fā)展趨勢(shì)

40、：</p><p>　　(1)通過(guò)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少不必要的空間和質(zhì)量的占用；通過(guò)工業(yè)機(jī)器人功能部件模式化和標(biāo)準(zhǔn)化的加速，達(dá)到將其不同模塊統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的目的；</p><p>　?。?）為適應(yīng)不同場(chǎng)合作業(yè)任務(wù)的要求，必須設(shè)計(jì)研發(fā)出各種新型結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人，例如：為了達(dá)到精度要求而研發(fā)出微動(dòng)機(jī)構(gòu)，為了達(dá)到機(jī)動(dòng)靈活的目的而研發(fā)出多指靈巧手或移動(dòng)是工業(yè)機(jī)器人；</p><

41、;p>　?。?）為了讓其更好地適應(yīng)多變的外部環(huán)境，以期獲取更多外部信息，就需研發(fā)各種類(lèi)型的傳感器和檢測(cè)元器件，包括視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)傳感器以及距離檢測(cè)、壓力監(jiān)測(cè)、加速度檢測(cè)、陀螺儀等裝置，而且微機(jī)控制越來(lái)越成為主流的控制方式。</p><p>　　2 工業(yè)機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)及機(jī)械手設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的主要目的就是利用手頭上一部已經(jīng)報(bào)廢掉了的噴涂機(jī)器人，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)

42、的改造和創(chuàng)新，重新設(shè)計(jì)出一臺(tái)物料搬運(yùn)機(jī)器人。其中重點(diǎn)部分就是機(jī)械手的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.1機(jī)械手設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1.1機(jī)械手簡(jiǎn)介</p><p>　　機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，是其直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又稱為末端操作器，它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專(zhuān)用工具（如噴頭、焊具、扳手、噴槍等）并進(jìn)行操作

43、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。</p><p>　　隨著近年來(lái)工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速發(fā)展，機(jī)械手正逐漸發(fā)展成為一門(mén)新興的學(xué)科，并且發(fā)展地越來(lái)越快，成為自動(dòng)化領(lǐng)域中常見(jiàn)的控制對(duì)象。其不僅被廣泛地應(yīng)用于諸如噴漆、裝配、焊接、沖壓、鍛造等行業(yè)，而且在高溫、有毒、高放射性等惡劣環(huán)境中也經(jīng)常看到機(jī)械手的身影。由于機(jī)械手能夠有效地提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件，減輕人類(lèi)的勞動(dòng)量，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，

44、機(jī)械手越來(lái)越受到人們的重視。</p><p>　　2.1.2 機(jī)械手分類(lèi)</p><p>　　因?yàn)楸晃展ぜ馁|(zhì)、質(zhì)量、形狀、尺寸以及表面粗糙度等因素的差異，所以工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的種類(lèi)是很繁多的，我們可以大概地將其分為以下幾種：</p><p><b>　　吸附式取料手；</b></p><p><b>　　夾鉗

45、式取料手；</b></p><p><b>　　仿生多指靈巧手；</b></p><p>　　專(zhuān)用轉(zhuǎn)換器及操作器；</p><p><b>　　其他類(lèi)機(jī)械手。</b></p><p>　　2.1.3具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)對(duì)象為自動(dòng)送料工業(yè)機(jī)器人

46、，只需設(shè)計(jì)出能從各個(gè)角度位置抓取物件的鉗形手爪，并不需要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的仿生多指靈巧手。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手指直接與物件相接觸。通過(guò)手指的開(kāi)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)松開(kāi)和加緊物件。本次設(shè)計(jì)使用兩根手指，其結(jié)構(gòu)外形如下圖所示：</p><p>　　圖2-1 該工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手指形狀</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)加緊和松開(kāi)物料的目的，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)須向機(jī)械手指?jìng)魉蛣?dòng)力或運(yùn)動(dòng)

47、。我們可以根據(jù)其張開(kāi)、閉合的特征將其運(yùn)動(dòng)分為平移型和回轉(zhuǎn)型兩種。此次設(shè)計(jì)采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在此，我們將其初步機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)出來(lái)，如下圖所示：</p><p>　　圖2-2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　在圖2-2中，O點(diǎn)為電機(jī)的輸出軸，其中滑塊B、連桿AB、曲柄OA以及支架構(gòu)成了簡(jiǎn)單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；而連桿CE、BC、滑塊B以及支架則構(gòu)成了搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。最終電機(jī)能夠驅(qū)使連桿DE往復(fù)

48、擺動(dòng)就是通過(guò)以上兩個(gè)機(jī)構(gòu)的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，從而達(dá)到手指開(kāi)閉的目的。</p><p>　　圖2-2中的藍(lán)線與黑線代表該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的極限位置。另外，為了給手指的加緊提供足夠的預(yù)緊力，也為了使手指更加順利地加緊和松開(kāi)物料，特意在兩根手指之間連接了一根彈簧。因此，在考慮選取電機(jī)時(shí)，一定要讓電機(jī)具有足夠的功率來(lái)克服彈簧的彈力，這樣才能使手指順利松開(kāi)和加緊，且提供足夠的夾緊力。</p><p>　　為了形象

49、真實(shí)的的表示機(jī)械手指的工作狀況，我們可以選用適當(dāng)?shù)能浖o予仿真處理，本次設(shè)計(jì)選取的軟件為虛擬樣機(jī)ADAMS軟件。</p><p>　　之所以選擇ADMS，是因?yàn)槠浞奖阋子?，容易上手。機(jī)械手各機(jī)構(gòu)工況分析如下圖所示：</p><p>　　圖 2-3 ADAMS仿真虛擬場(chǎng)景</p><p>　　接下來(lái)就是更重要的數(shù)據(jù)計(jì)算了，我們可以利用該軟件求出所需電機(jī)的力矩等參數(shù)。&

50、lt;/p><p>　　圖 2-4 所需電機(jī)力矩變化示意圖</p><p>　　由圖2-4，我們可以得知，初始階段電機(jī)克服彈簧的彈力是最大的，因此所選取的電機(jī)力矩須大于550 N·mm，數(shù)據(jù)結(jié)果可能會(huì)有誤差，但還是有很大參考價(jià)值的。</p><p>　　2.2工業(yè)機(jī)器人基座與連桿設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1基座的設(shè)計(jì)</p

51、><p>　　基座是工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分，是其主要的支撐部件。在此，我們采用兩塊兒“Z”型球墨鑄鐵作為支撐，以期達(dá)到穩(wěn)定的目的。</p><p>　　電機(jī)所有的驅(qū)動(dòng)、反饋信號(hào)都從基座上方的接線盒中出入。因此需要在接線盒外部設(shè)計(jì)出兩個(gè)出口，分別為引入線出口和引出線出口。基座簡(jiǎn)圖如下：</p><p>　　圖 2-5 基座簡(jiǎn)圖</p><p>&

52、lt;b>　　2.2.2大臂設(shè)計(jì)</b></p><p>　　統(tǒng)籌機(jī)器人總體尺寸，達(dá)到整體的協(xié)調(diào)，故將大臂長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為230mm，其具體參數(shù)如下圖所示：</p><p><b>　　圖2-6 大臂簡(jiǎn)圖</b></p><p><b>　　2.2.3小臂設(shè)計(jì)</b></p><p>　

53、　與大臂設(shè)計(jì)規(guī)則相似，將小臂尺寸定為240mm，其具體參數(shù)如下圖所示：</p><p><b>　　圖2-7 小臂簡(jiǎn)圖</b></p><p>　　2.3工業(yè)機(jī)器人自由度及關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)</p><p>　　之前我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手、基座、大臂和小臂等部件，為使該機(jī)器人能夠整體協(xié)調(diào)作業(yè)且高效完成物料搬運(yùn)任務(wù)，故將其設(shè)計(jì)為四個(gè)自由度：腕

54、關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)，且都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。另外末端為執(zhí)行機(jī)構(gòu)搬運(yùn)機(jī)械手。為了形象地表示其整體結(jié)構(gòu)，我們不妨用UG將其三維模型創(chuàng)建出來(lái)，這樣整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)就基本上確定下來(lái)了。如下圖所示：</p><p>　　圖2-8 該機(jī)器人三維模型</p><p>　　2.4選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　此工業(yè)機(jī)器人共有四個(gè)自由度，即四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，外加末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)

55、械手，總共需提供5個(gè)動(dòng)力機(jī)構(gòu)。</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)是工業(yè)機(jī)器人最常見(jiàn)的幾種驅(qū)動(dòng)方式。此3種驅(qū)動(dòng)模式各有特點(diǎn)，也各有所長(zhǎng)。</p><p><b>　　2.4.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)</b></p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p><b>　　

56、輸出功率較大；</b></p><p>　　控制精度較高，且反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度連續(xù)軌跡控制；</p><p>　　伺服特性好，伺服電機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化控制，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，無(wú)密封問(wèn)題；</p><p>　　設(shè)備自身無(wú)爆炸、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；</p><p>　　對(duì)環(huán)境基本上沒(méi)有影響，綠色環(huán)保。</p><p&g

57、t;<b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，不便于維修，成本較高；</p><p>　　通常情況下，電機(jī)需要配備減速裝置，難以直接驅(qū)動(dòng)；</p><p>　　若使用直流有刷電機(jī)，其換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，如遇可燃?xì)怏w易爆炸。</p><p><b>　　適用范圍：</b><

58、/p><p>　　通常適用于中小型負(fù)載、速度較高且有較高控制精度的工業(yè)機(jī)器人。</p><p><b>　　2.4.2液壓驅(qū)動(dòng)</b></p><p><b>　　液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　輸出功率很大，便于重載啟動(dòng)；</p><p>　　控制精度高，可達(dá)到連

59、續(xù)軌跡控制；</p><p>　　響應(yīng)速度很高，反應(yīng)靈敏，可達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速；</p><p>　　結(jié)構(gòu)緊湊，可直接驅(qū)動(dòng)，且可對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬化、標(biāo)準(zhǔn)化；</p><p><b>　　維修使用較方便；</b></p><p><b>　　防爆性能較好。</b></p><p>&l

60、t;b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　存在較大密封問(wèn)題，易泄漏；</p><p>　　若用液壓油作為傳動(dòng)媒介，容易發(fā)生火災(zāi)；</p><p><b>　　對(duì)環(huán)境有污染。</b></p><p><b>　　適用范圍：</b></p><p>　　通

61、常情況下，適用于低速重載工業(yè)機(jī)器人。</p><p><b>　　2.4.3氣壓驅(qū)動(dòng)</b></p><p><b>　　氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修使用方便，成本較低；</p><p>　　結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，可直接驅(qū)動(dòng)；</p><p>　

62、　密封問(wèn)題小，防爆能力較高；</p><p>　　響應(yīng)速度較高，反應(yīng)靈敏。</p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　由于其氣體壓縮性比較大，造成控制精度低，低速時(shí)難以達(dá)到高精度控制的目的；</p><p>　　對(duì)設(shè)備的抗壓性要求較高；</p><p>　　噪音較大，對(duì)環(huán)境有

63、一定影響。</p><p><b>　　適用范圍：</b></p><p>　　通常適用于控制精度較低的中小負(fù)載工業(yè)機(jī)器人。</p><p>　　2.4.4驅(qū)動(dòng)方式的確定</p><p>　　既然以上三種驅(qū)動(dòng)方式各有千秋，那個(gè)我們就需要整體把握該自動(dòng)送料機(jī)器人的具體要求：</p><p>　　a）

64、、驅(qū)動(dòng)裝置質(zhì)量要求足夠輕，輸出功率、效率要求足夠高；</p><p>　　b）、力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值要求足夠大，即響應(yīng)速度要快，可以實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)，正反切換；</p><p>　　c）、靈敏度高，誤差要小；</p><p>　　d）、噪音小，綠色無(wú)污染；</p><p>　　e）、結(jié)構(gòu)適當(dāng)，成本較低；</p><p>　

65、　f）、便于操作維修，安全可靠。</p><p>　　根據(jù)以上驅(qū)動(dòng)要求，統(tǒng)籌兼顧各個(gè)方面，此次設(shè)計(jì)我們不妨選擇直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)及其參數(shù)如下表所示：</p><p>　　表2-1 工業(yè)機(jī)器人各驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)</p><p>　　2.5選擇合適的傳動(dòng)方式</p><p>　　通常情況下，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式輸出力矩比較小，為了增強(qiáng)

66、其負(fù)載能力，必須增加相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增大力矩。綜合考慮該機(jī)器人的工況條件，對(duì)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出以下幾點(diǎn)要求：</p><p>　　a)、壽命較長(zhǎng)，成本較低；</p><p>　　b）、結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量較??；</p><p>　　c）、傳動(dòng)剛度要求足夠大；</p><p>　　d）、回差盡可能小，以便獲得更高的控制精度。</p><

67、;p>　　根據(jù)以上傳動(dòng)要求，再統(tǒng)籌兼顧各種傳動(dòng)方式的特點(diǎn)，此次設(shè)計(jì)采用齒形帶傳動(dòng)的方式，這樣能夠有效減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)機(jī)構(gòu)的沖擊和振動(dòng)，增加平穩(wěn)度，而且能夠保證其控制精度的要求。</p><p>　　齒形帶傳動(dòng)也屬于同步帶傳動(dòng)，可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，通常用于平行軸間運(yùn)動(dòng)或力矩的傳遞，此次設(shè)計(jì)中，肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)的傳動(dòng)采用的就是該傳動(dòng)方式。其傳動(dòng)原理如下圖所示：</p><p&

68、gt;　　圖2-9 齒形帶傳動(dòng)原理</p><p>　　其傳動(dòng)比計(jì)算公式類(lèi)似齒輪輪系間傳動(dòng)公式：</p><p><b>　　則其平均速度為：</b></p><p>　　2.6選擇合適的制動(dòng)器</p><p>　　制動(dòng)器就是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，通過(guò)熱量的釋放使機(jī)械能減少，從而降低運(yùn)動(dòng)速度降低或停止運(yùn)動(dòng)裝

69、置。通常分為兩種類(lèi)型：電氣制動(dòng)器與機(jī)械制動(dòng)器。</p><p><b>　　電氣制動(dòng)器：</b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)不僅可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而且在一定條件下還可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。同樣的，伺服電機(jī)就是一種可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化裝置。對(duì)于不同種類(lèi)的機(jī)電應(yīng)采用合適的制動(dòng)電路。</p>

70、<p><b>　　機(jī)械制動(dòng)器：</b></p><p>　　機(jī)械制動(dòng)器種類(lèi)繁多，包括電磁制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器、盤(pán)式制動(dòng)器、螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器等。最具有代表性的就是電磁制動(dòng)器，其工作原理為：當(dāng)有勵(lì)磁電流通過(guò)電機(jī)線圈時(shí)，由彈簧力制動(dòng)的盤(pán)式制動(dòng)器處于打開(kāi)狀態(tài)，不具有制動(dòng)效果；當(dāng)電源斷開(kāi)，線圈中沒(méi)有勵(lì)磁電流時(shí)，制動(dòng)器在彈力作用下處于常閉狀態(tài)，具有制動(dòng)能力。被稱之為無(wú)勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器

71、。又由于安全制動(dòng)場(chǎng)合經(jīng)常用到該制動(dòng)器，因此也被稱為安全制動(dòng)器。</p><p>　　該自動(dòng)送料機(jī)器人在以下兩種狀況下會(huì)使用到制動(dòng)器：</p><p>　　a)、一定條件下瞬間停止，并采取安全措施時(shí)；</p><p>　　b）、突發(fā)斷電時(shí)，使用制動(dòng)器以阻止接下來(lái)的自然運(yùn)動(dòng)，避免其損壞其它裝置。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)，該機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)和肩

72、關(guān)節(jié)在停轉(zhuǎn)后，會(huì)受重力作用繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樵摍C(jī)器人沒(méi)有裝備機(jī)械制動(dòng)器。為了方便起見(jiàn)，我們可以采用軟件以實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng)，而不必要在其原有機(jī)構(gòu)上增加機(jī)械制動(dòng)器。</p><p>　　這樣做的優(yōu)點(diǎn)有：不必在機(jī)器人原有機(jī)構(gòu)上增加機(jī)械制動(dòng)器，這樣就避免了質(zhì)量的增加，而且可以有效制動(dòng)。但也存在缺陷，因?yàn)闆](méi)有機(jī)械制動(dòng)器，所以斷電后不能有效制動(dòng)。</p><p>　　3控制系統(tǒng)硬件的組成&

73、lt;/p><p>　　3.1選擇合適的控制系統(tǒng)模式</p><p>　　設(shè)計(jì)有效的控制系統(tǒng)是該自動(dòng)送料工業(yè)機(jī)器人的核心之所在。由于控制系統(tǒng)的硬件對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)方面有著決定性的影響，因此第一步我們先要選擇硬件平臺(tái)。通常情況下，控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)要求：</p><p>　　a)、價(jià)格合理，成本較低；</p><p>　　b）、系統(tǒng)模塊化程度較高

74、，以便增加或者改變傳感器、接口以及微型計(jì)算機(jī)等設(shè)備；</p><p>　　c）、必須具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算和分析能力；</p><p>　　d）、系統(tǒng)可伸縮性大。</p><p>　　通常情況下，機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)分為兩種，即基于PC總線和基于VME總線的系統(tǒng)。隨著微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，其控制效果得到了顯著改善，硬件配置也不斷提高，而成本卻越來(lái)越低，因此基于PC總線

75、的控制系統(tǒng)逐漸成為主流的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。</p><p>　　微機(jī)控制系統(tǒng)通常有以下幾種模式：</p><p>　　a）、單PC控制模式；</p><p>　　b）、Double PC控制模式;</p><p>　　c）、PC+數(shù)據(jù)采集卡模式；</p><p>　　d）、PC+DSP運(yùn)動(dòng)控制卡模式；</p&g

76、t;<p>　　e）、PC+分布式控制器模式。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)選擇PC+數(shù)據(jù)采集卡控制系統(tǒng)，因?yàn)樵摲N控制系統(tǒng)成本較低，且控制方式靈活，有利于自主編程，相對(duì)較符合本設(shè)計(jì)研究的需要。</p><p>　　3.2建立合適的控制系統(tǒng)模型</p><p>　　該控制系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、伺服放大器、端子板、電位器以及電源構(gòu)成。接下來(lái)根據(jù)控制需求

77、及成本確定合適的型號(hào)即可。</p><p>　　對(duì)于工業(yè)控制PC機(jī)，考慮到其兼容性、硬件維護(hù)與升級(jí)以及成本等因素，我們可以選擇研祥集團(tuán)EVOC工控機(jī)，其具體參數(shù)詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。</p><p>　　對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡，選擇研華16路數(shù)字量輸出的PCL812PG和6路獨(dú)立D/A輸出的PCL726，其集體參數(shù)詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。</p><p>　　對(duì)于伺服系統(tǒng)，核心就是伺服電機(jī)的選取

78、?？紤]到其穩(wěn)定性、可控性及成本，我們可以利用一臺(tái)已經(jīng)報(bào)廢的工業(yè)機(jī)器人上的Maxon伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其具體參數(shù)詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。接線與調(diào)試如下圖所示：</p><p>　　圖3-1 Maxon伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器</p><p>　　接下來(lái)選擇合適的端子板。由于采集卡不便與每個(gè)傳感器直接相連，被測(cè)信號(hào)須經(jīng)過(guò)端子板的調(diào)理進(jìn)入采集卡，因此端子板作用是舉足輕重的。在端子板電路接線的設(shè)計(jì)中，考慮到電機(jī)對(duì)其它電路

79、的影響，我們特意使用了光電耦合器，這也是機(jī)電一體化技術(shù)中的重要元器件。其電路如下圖所示：</p><p>　　圖3-2 端子板電路簡(jiǎn)圖</p><p>　　電位器實(shí)際上就是一種可調(diào)電阻，安裝于該機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)輸出軸，可根據(jù)其輸出電壓與關(guān)節(jié)角的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，求出相應(yīng)的方程。由于該機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度均小于360度，因此我們可以選擇單圈電位器，成本較低且滿足其控制要求。電位器理論上是線性元件

80、，然而由于滑動(dòng)磨損及噪音的影響，實(shí)際上其輸出函數(shù)并不是一條直線，即存在偏移。因此需要對(duì)各電位器進(jìn)行標(biāo)定，即通過(guò)測(cè)量出若干組數(shù)據(jù)，繪制出直線，用于替換實(shí)際的復(fù)雜函數(shù)。其具體標(biāo)定如下圖所示：</p><p>　　圖3-3 電位器1、2的標(biāo)定</p><p>　　圖3-4 電位器3、4的標(biāo)定</p><p>　　最后根據(jù)各圖像，計(jì)算出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，標(biāo)定工作完成。<

81、;/p><p>　　要保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要提供14v的電壓，而要保證電位器的正常工作，則需要提供10v的電壓。因此我們選擇可供給0至32伏特輸出，0至2安培輸出的雙路穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，其型號(hào)為DH1715A-3。</p><p>　　至此我們基本上已經(jīng)完成了控制系統(tǒng)模型的搭建，如下圖所示：</p><p>　　圖3-5 該機(jī)器人控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖</p>&

82、lt;p>　　4控制系統(tǒng)軟件的選取和設(shè)計(jì)</p><p>　　之前我們已經(jīng)構(gòu)建了該機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)模型與控制系統(tǒng)模型，接下來(lái)就需要通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡向其發(fā)送各種指令，驅(qū)動(dòng)其各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，使其能夠按照人的意愿完成自動(dòng)送料任務(wù)。這就需要對(duì)其控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　4.1預(yù)期實(shí)現(xiàn)動(dòng)作</b></p><p>　　a）

83、、使各個(gè)關(guān)節(jié)在其運(yùn)動(dòng)角度范圍之內(nèi)完成各項(xiàng)動(dòng)作任務(wù)，并予以實(shí)時(shí)顯示與檢測(cè)；</p><p><b>　　b）、電機(jī)可自鎖；</b></p><p>　　c）、直流電機(jī)可根據(jù)控制要求完成伺服控制；</p><p>　　d）、達(dá)到在線修改編程和示教再現(xiàn)目的；</p><p>　　e）、可使該機(jī)器人以空間中的一個(gè)點(diǎn)為參考點(diǎn)完成各

84、項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，并能回到該原點(diǎn)。</p><p><b>　　4.2實(shí)現(xiàn)手段</b></p><p>　　由圖3-5可得出以下結(jié)論：工程控制計(jì)算機(jī)是通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出或者獲取各種信號(hào)（數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制的目的。因此就需要對(duì)其進(jìn)行編程，</p><p>　　我們可以將程序設(shè)計(jì)模塊化，將其要實(shí)現(xiàn)的功能分為多個(gè)模塊，分別設(shè)計(jì)完成。

85、</p><p>　　此次設(shè)計(jì)選取的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序中自帶了我們所需的所有數(shù)據(jù)和函數(shù)，大大地提高了編程的效率。本次設(shè)計(jì)選取VC++為編程軟件。</p><p>　　4.2.1 各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制及監(jiān)測(cè)</p><p>　　在相應(yīng)函數(shù)中設(shè)置定時(shí)器，再調(diào)用庫(kù)函數(shù)，根據(jù)電位器測(cè)得電壓和電位器標(biāo)定函數(shù)關(guān)系式，計(jì)算各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)角度，并記錄。再將該組數(shù)據(jù)與相應(yīng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍做比較，可

86、判斷是否超出范圍，若超出區(qū)間，就彈框示警并自動(dòng)停止其運(yùn)動(dòng)。其具體步驟如圖所示：</p><p>　　圖4-1 函數(shù)的調(diào)用</p><p>　　4.2.2 直流電機(jī)伺服控制</p><p>　　為了提高電路與直流電機(jī)運(yùn)作的效率，通常情況下使用PWM來(lái)調(diào)節(jié)較大功率直流電機(jī)的運(yùn)行速率。由于此次設(shè)計(jì)中的直流電機(jī)功率不大，我們可以采取線性控制的方式對(duì)其進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。</

87、p><p>　　對(duì)于第一個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)說(shuō)，與之相關(guān)函數(shù)有OnT1Button、OnF1Button以及OnZ1Button，代表的含義分別為電機(jī)的停轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和正傳，其運(yùn)行速率靠電壓調(diào)節(jié)。</p><p>　　為了對(duì)電機(jī)的位置進(jìn)行伺服控制，使之在允許的運(yùn)動(dòng)角度范圍之內(nèi)可運(yùn)行至任意輸入位置，可以調(diào)用關(guān)鍵函數(shù)OnRun1Button。</p><p>　　4.2.3 電機(jī)自鎖<

88、;/p><p>　　由于此自動(dòng)送料機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)均沒(méi)有安裝機(jī)械制動(dòng)器，斷電后不能有效制動(dòng)，因此我們需要通過(guò)軟件編程對(duì)其進(jìn)行自鎖控制，特別針對(duì)肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題與相應(yīng)解決辦法：在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下大臂和小臂雖受重力卻不會(huì)自由落體，但電機(jī)一旦斷電，由于驅(qū)動(dòng)力不足其必然會(huì)自然下落。為了使其在電機(jī)停轉(zhuǎn)后停止在預(yù)設(shè)位置，我們可以考慮給其關(guān)節(jié)處電機(jī)施加適當(dāng)?shù)碾妷?，這樣在其反向

89、電流產(chǎn)生的阻力矩下，大臂和小臂就會(huì)保持平衡。不過(guò)還存在一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榇蟊酆托”墼诓煌恢?，其需要的平衡力矩是不同的，所以施加電壓不是恒定的，這樣就需要根據(jù)其停留位置確定其需要施加電壓的值。</p><p>　　提供電壓過(guò)大或過(guò)小都不能達(dá)到制動(dòng)的目的，太小不足以平衡重力矩，太大反而會(huì)使其瞬間上升。因此我們可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇控制電壓。</p><p>　　程序設(shè)計(jì)方法不唯一，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)

90、和驗(yàn)證，我們可以選擇效果最優(yōu)的程序控制方案。以下是我們選擇的較優(yōu)方案：</p><p>　　該方案選擇常見(jiàn)的PID控制方式，不僅可以有效制動(dòng)，而且避免了施加電壓過(guò)大產(chǎn)生的反彈。其程序流程如下圖所示：</p><p>　　圖4-1 程序流程圖</p><p>　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，符合控制要求。其控制框圖如下：</p><p>　　圖4-2 程序控制

91、框圖</p><p>　　4.2.4 程序的在線修改與示教控制</p><p>　　程序設(shè)計(jì)思路：在這個(gè)階段，我們需要記錄該機(jī)器人停止在某位置時(shí)所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度，并用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。為了便于修改位置，此次設(shè)計(jì)選取鏈表對(duì)這些結(jié)構(gòu)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)：</p><p>　　記錄結(jié)束后，點(diǎn)擊運(yùn)行所記錄位置，運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)器人各關(guān)節(jié)都會(huì)運(yùn)作，且運(yùn)行的程序會(huì)以高亮度顯示出

92、來(lái)。而且我們還可以對(duì)所記錄位置進(jìn)行清空、刪除等操作。</p><p>　　4.2.5 參考點(diǎn)的設(shè)置</p><p>　　為了使該機(jī)器人在程序啟動(dòng)或退出時(shí)停留在預(yù)定參考點(diǎn)上，可以在函數(shù)中對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，且在程序運(yùn)行中也可設(shè)置。</p><p>　　回參考點(diǎn)的程序設(shè)置同上，這樣我們就完成了對(duì)該工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制的所有程序的編制。</p><p>&

93、lt;b>　　5總結(jié)</b></p><p><b>　　5.1設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)</b></p><p>　　1）、底座形狀一定要設(shè)計(jì)合理；</p><p>　　2）、如果有條件，最好配備機(jī)械制動(dòng)器；</p><p>　　3）、電位器要正確安裝，且其輸出電壓值不穩(wěn)定，有機(jī)械振動(dòng)：</p><

94、p>　　4）、關(guān)節(jié)角范圍要設(shè)置合理。</p><p>　　5）、設(shè)計(jì)存在各種誤差，雖然不能消除，但要盡可能減少誤差，使其在允許范圍之內(nèi)。</p><p><b>　　5.2 誤差分析</b></p><p>　　在這里重點(diǎn)對(duì)誤差來(lái)源進(jìn)行分析，以便確定誤差性質(zhì)，進(jìn)而改進(jìn)。</p><p>　　1）、該工業(yè)機(jī)器人自身基

95、座與工作臺(tái)表面，其他關(guān)節(jié)之間的的平行度誤差以及腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸垂直度誤差；</p><p>　　2）、齒輪傳動(dòng)存在間隙，齒形帶存在切向變形；</p><p>　　3）、裝配存在誤差；</p><p>　　4）、運(yùn)行時(shí)存在機(jī)械振動(dòng)；</p><p>　　5）、電源工作電壓不穩(wěn)定，以及電位器存在滑動(dòng)噪聲，導(dǎo)致反饋電壓不精確；</p>&l

96、t;p>　　6）、程序制動(dòng)存在響應(yīng)延遲，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，效果不如機(jī)械制動(dòng)器；</p><p>　　7）、連桿受力變形以及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)都存在誤差。</p><p><b>　　5.3 總體評(píng)價(jià)</b></p><p>　　由于自身學(xué)識(shí)有限，設(shè)計(jì)過(guò)程中不免會(huì)有不妥甚至錯(cuò)誤之處，但總的來(lái)講，該工業(yè)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)還是成功的。所完成的工作主要有以下幾個(gè)

97、方面：</p><p>　　1）、利用一臺(tái)報(bào)廢的工業(yè)機(jī)器人，重新設(shè)計(jì)和改造執(zhí)行機(jī)構(gòu)，重新布線，使其滿足自動(dòng)送料機(jī)器人的要求：</p><p>　　2）、選擇合適的電位器并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，繪制線性曲線，計(jì)算函數(shù)關(guān)系式；</p><p>　　3）、驅(qū)動(dòng)電路以及端子板電路的設(shè)計(jì)和接線；</p><p>　　4）、控制軟件的編程與設(shè)計(jì)。</p&g

98、t;<p><b>　　致謝</b></p><p>　　通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我感覺(jué)自己不僅理論知識(shí)很匱乏，而且不善于將理論用于實(shí)踐。雖然有些理論知識(shí)掌握的很熟練了，但是一做具體的事情，就顯得不知所措。畢竟“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行”，學(xué)習(xí)的范圍不限于書(shū)本，學(xué)習(xí)的范圍太廣泛了，正所謂“學(xué)無(wú)止境”。而真正能鍛煉的不是課本習(xí)題，不是考試試卷，而是實(shí)踐，“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)

99、”這句話用在這里恰到好處！由于自己學(xué)識(shí)有限，在很多細(xì)節(jié)問(wèn)題上肯定還有不少疏漏，還請(qǐng)老師和同學(xué)給予斧正。本課題的選題及研究過(guò)程都是在**老師精心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，*老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和強(qiáng)大的支持。在此謹(jǐn)向*老師致以真誠(chéng)地感謝和敬意！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b><

100、/p><p>　　工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社</p><p>　　2、機(jī)電傳動(dòng)控制 華中科技大學(xué)出版社</p><p>　　3、工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　4、機(jī)電一體化實(shí)用手冊(cè) 科學(xué)出版社</p><p>　　5、控制電氣及應(yīng)用 清華大學(xué)出版社</p><p>

101、　　6、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程 華南理工大學(xué)出版社</p><p>　　7、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　8、電工與電子技術(shù) 高等教育出版社</p><p>　　9、機(jī)電一體化技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社</p><p>　　10、機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　11、大學(xué)C++程

102、序設(shè)計(jì)教程 高等教育出版社</p><p>　　12、大學(xué)Visual C++程序設(shè)計(jì)案例教程 高等教育出版社</p><p>　　13、Industrial robot technology Oxford Press</p><p>　　14、Craig, John J. Introduction to robotics</p><p>　

103、　15、Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona,