畢業(yè)設(shè)計(jì)--搬運(yùn)機(jī)械手反解運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 引言1</b></p><p>　　1.1機(jī)械手的發(fā)展及應(yīng)用1</p><p>　　1.2機(jī)器人的分類3</p><p>　　1.3工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及在各國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展及預(yù)測(cè)4</p><

2、p>　　1.4我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及前景6</p><p>　　1.5本論文的意義和研究?jī)?nèi)容6</p><p>　　第二章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能及基本技術(shù)參數(shù)8</p><p>　　2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能8</p><p>　　2.2機(jī)械手的基本參數(shù)10</p><p>　　第三章 連桿坐標(biāo)系間的變換

3、矩陣12</p><p>　　3.1 齊次坐標(biāo)與手部位姿矩陣12</p><p>　　3.2連桿坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣的表示方法13</p><p>　　3.3連桿坐標(biāo)系間變換矩陣的確定13</p><p>　　第四章 機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)15</p><p>　　第五章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)20</p>

4、<p>　　5.1 控制方式的確定20</p><p>　　5.2選擇PLC21</p><p>　　5.2.1 PLC規(guī)模的估算21</p><p>　　5.2.2PLC的選擇22</p><p>　　5.3可編程控制器（FX2N-64MR）結(jié)構(gòu)功能介紹23</p><p>　　5.4PLC的外

5、部接線23</p><p>　　5.5位置檢測(cè)電路23</p><p>　　5.6輸入輸出接口電路25</p><p>　　5.6.1輸入接口電路25</p><p>　　5.6.2PLC輸出接口電路25</p><p>　　5.7 控制軟件的設(shè)計(jì)27</p><p>　　5.8梯形

6、圖及指令語句28</p><p><b>　　結(jié)論與展望29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　致 謝31</b></p><p><b>　　附 錄132</b></p><

7、;p><b>　　附 錄233</b></p><p><b>　　附 錄337</b></p><p>　　搬運(yùn)機(jī)械手反解運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　?。ㄏ嫣洞髮W(xué)機(jī)械工程學(xué)院 周六軍）</p><p>　　摘要：本文采用可編程控制器（PLC）對(duì)一五自由度搬運(yùn)機(jī)械手的反解運(yùn)動(dòng)

8、進(jìn)行控制。根據(jù)機(jī)器人的位姿，用機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)學(xué)求出各個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，通過傳動(dòng)比和各軸分辨率得到各對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。然后利用光電編碼器對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)機(jī)械手的5個(gè)直流伺服電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)軸的準(zhǔn)確定位和機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。</p><p>　　關(guān)鍵字：機(jī)械手；反向運(yùn)動(dòng)學(xué)；編碼器；PLC</p><p>　　The Design of Conveyer Ma

9、nipulator Counter-solution</p><p>　　Movement Control System</p><p>　　(Xiangtan university mechanical engineering institute Zhou Liujun)</p><p>　　Abstract: This article adopts progra

10、mmable controller（PLC) to control the anti-solution motion of a five freedom convey manipulator . According to the pose of robot ,using robot reverse kinematics solve for angle each arthvosis should turned , thereby sol

11、ve for correspond corner of each motor with gear ratio and each shaft resolution.And then using photoelectric encoder detect the shaft corner of D.C.motor,and control the forward and reverse rotate of five DC servo mot

12、or on the manipulator . </p><p>　　Key words: Manipulator; Reverse Kinematics; Encoder; PLC</p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　“工欲善其事，必先利其器”。人類在認(rèn)識(shí)自然、改造自然、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的過程中，不斷地創(chuàng)造出各種

13、各樣為人類服務(wù)的工具，其中許多具有劃時(shí)代意義。作為20世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活密不可分。世間萬物，人力是第一資源，社會(huì)進(jìn)步是歷史的必然，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，就像其它科學(xué)技術(shù)的發(fā)明發(fā)現(xiàn)一樣，機(jī)器人已經(jīng)漸漸成為人類的好助手、好朋友。</p><p>　　作為機(jī)器人發(fā)展過程中的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)

14、算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。</p><p>　　1.1機(jī)械手的發(fā)展及應(yīng)用</p><p>　　20世紀(jì)40年代中后期，機(jī)器人的研究與發(fā)明得到了更多人的關(guān)心與關(guān)注。20世紀(jì)50年代以后，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開始研究能搬運(yùn)核原料的遙控操縱機(jī)械手，如圖1.1所示[1]

15、。</p><p>　　圖1.1 主從型遙控操縱機(jī)械手</p><p>　　這是一種主從型控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中加入力反饋，可使操作者獲知施加力的大小，主、從機(jī)械手之間有防護(hù)墻隔開，操作者可通過觀察窗或閉路電視對(duì)從機(jī)械手操作機(jī)進(jìn)行有效的監(jiān)視，主、從機(jī)械手系統(tǒng)的出現(xiàn)為機(jī)器人的產(chǎn)生以及近代機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造作了鋪墊。此后，美國(guó)的戴沃爾(Ceorge.G.Devol)設(shè)想了一種可控制的機(jī)械手。195

16、4年，他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)表了“適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人”一文，并獲得了美國(guó)專利。</p><p>　　戴沃爾在此后還設(shè)計(jì)了一種可以接受示教而完成各種簡(jiǎn)單的重復(fù)動(dòng)作的機(jī)器人。在任務(wù)的執(zhí)行過程中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動(dòng)下依次再現(xiàn)上述位置，故這種機(jī)器人的主要技術(shù)功能被稱為可編程和示教-再現(xiàn)功能。1959年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)誕生，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)

17、正逐漸向著具有行走能力、多種感覺能力以及對(duì)作業(yè)環(huán)境的較強(qiáng)自適應(yīng)能力的方面發(fā)展。美國(guó)貝爾科爾公司已成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝配在芯片上，其分析速度比普通計(jì)算機(jī)快千萬倍，可更快、更好地完成語言識(shí)別、圖像處理等工作[1]。</p><p>　　目前，美國(guó)在機(jī)器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的機(jī)器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)器人學(xué)的建立，許多國(guó)家成立了機(jī)器人協(xié)會(huì)，美國(guó)、日本、英國(guó)、瑞

18、典等國(guó)家設(shè)立了機(jī)器人學(xué)學(xué)位。20世紀(jì)70年代以來，許多大學(xué)開設(shè)了機(jī)器人課程，開展了機(jī)器人學(xué)的研究工作，如美國(guó)的MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、University of California等大學(xué)都是研究機(jī)器人學(xué)富有成果的著名學(xué)府。隨著機(jī)器人學(xué)的發(fā)展，相關(guān)的國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)也日漸增多，目前最有影響的國(guó)際會(huì)議是IEEE每年舉行的機(jī)器人學(xué)及自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議，此外還有國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)

19、議(ISIR)和國(guó)際工業(yè)機(jī)器人技術(shù)會(huì)議(CIRT)等。出版的相關(guān)期刊有“Robot Today”、“Robotics Research”、“Robotics and Automation”等多種[1]。</p><p>　　在當(dāng)今這個(gè)新型工業(yè)化時(shí)代，機(jī)械手已逐步的被用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)行業(yè)中，以下是兩種非常典型的工業(yè)機(jī)械手（如圖1.2、圖1.3）。</p><p>　　圖1.2 點(diǎn)焊機(jī)器人&

20、lt;/p><p>　　圖 1.3 PUMA 700機(jī)器人</p><p>　　機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開式鏈。它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)。機(jī)器人的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及多剛體動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動(dòng)、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科

21、學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，機(jī)器人應(yīng)用水平是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。當(dāng)代對(duì)機(jī)</p><p>　　器人的研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。例如：</p><p>　　(1) 機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。(2) 在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械</p>&l

22、t;p>　　行業(yè)中它可以用來組裝零部件。 (3) 可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。</p><p>　　(4) 可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。</p><p>　　(5) 宇宙及海洋的開發(fā)。(6) 軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。</p><p>　　隨著工業(yè)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷

23、進(jìn)步，機(jī)器人學(xué)的不斷完善，工業(yè)機(jī)器人成了可編程序的機(jī)電一體化的裝置，在操縱控制下能按規(guī)定的程序完成一定的工作，更具有記憶，示數(shù)，再現(xiàn)等仿人功能，因此它已經(jīng)成為柔性制造系統(tǒng)（FMS），自動(dòng)化工廠（FA），計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動(dòng)化工具[2]。</p><p><b>　　1.2機(jī)器人的分類</b></p><p>　　根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人也相應(yīng)有不同的種類

24、。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可看作是由一些連桿通過關(guān)節(jié)組裝起來的。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。連桿和關(guān)節(jié)按不同的坐標(biāo)形式組裝，機(jī)器人可分為五種：直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人，本論文中控制的對(duì)象為一五自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械手，它屬于關(guān)節(jié)型機(jī)器人中的一個(gè)典型。關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人主要由立柱、前臂和后臂組成(圖1.4)，PUMA機(jī)器人是其代表。</p><p>　　圖1.

25、4 關(guān)節(jié)型機(jī)器人</p><p>　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但位置精度較低，有平衡問題，控制存在耦合，故比較復(fù)雜，這種機(jī)器人目前應(yīng)用得最多[1]。</p><p>　　1.3工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及在各國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展及預(yù)測(cè)</p><p>　　機(jī)器人是最典型的

26、機(jī)電一體化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來越重要的作用。國(guó)外專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)UNECE(聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì))和IFR(國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì))統(tǒng)計(jì)，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭，80年代工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入發(fā)展中期，汽車、電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè)機(jī)器人，推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工業(yè)

27、機(jī)器人的應(yīng)用滿足了人們特性化的要求，產(chǎn)品的批量越來越大，品種越來越多，而且產(chǎn)品的一致性也大大提高，為商家占有了更多的市場(chǎng)份額，獲得了更多的市場(chǎng)利潤(rùn)。90年代初期，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求達(dá)到了一個(gè)技術(shù)成熟期，1990年世界上新裝備工業(yè)機(jī)器人80943臺(tái)，1991年裝備了76443臺(tái)，到1991年底世界上已有53萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人工作在各條戰(zhàn)線上。進(jìn)入90年代，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年銷售量增長(zhǎng)率平均在10％左右；2004年增長(zhǎng)率達(dá)到了創(chuàng)記錄

28、的20％ ，其中，亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出，增長(zhǎng)43％ ，如圖1.5所示。</p><p>　　數(shù)據(jù)來源：UNECEHE 和IFR</p><p>　　注1：其中日本在2000年以前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括了所有機(jī)器人的數(shù)目，與各國(guó)數(shù)據(jù)缺乏可比性。</p><p>　　注2：韓國(guó)的數(shù)據(jù)包括了所有類型的工業(yè)機(jī)器人，與各國(guó)的數(shù)據(jù)缺乏可比性。</p><p&

29、gt;　　圖1.5 2003年制造業(yè)中每1萬名雇員擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量[4]</p><p>　　UNECE估計(jì)，2004年全球至少安裝了10萬臺(tái)新的工業(yè)機(jī)器人。其中：</p><p>　　歐盟31 100臺(tái)（比2003年增加15%，但比2001年的記錄僅增加1%）；</p><p>　　北美16 100臺(tái)（比2003年增加27%，比2000年的記錄高24%）；&l

30、t;/p><p>　　亞洲51 400臺(tái)，主要在日本，但中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速（比2003年增長(zhǎng)24%）。</p><p>　　以下我們還可以從表1.1中的數(shù)據(jù)了界工業(yè)機(jī)器人在各國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與預(yù)測(cè)。</p><p>　　表1.1 全球工業(yè)機(jī)器人年度安裝量和年運(yùn)行總量及2007年的預(yù)測(cè)數(shù)（單位：臺(tái)）[3]</p><p>　　數(shù)據(jù)來源：UNECE 和I

31、FR </p><p>　　注：日韓的統(tǒng)計(jì)口徑和其他國(guó)家有所出入。</p><p>　　從近幾年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化，控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化，多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化，工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化，以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。</p>

32、<p>　　UNECE和IFR預(yù)測(cè)，至2007年，全球運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人總量將從2003年的800 772臺(tái)，增長(zhǎng)至2007年的997 700臺(tái)，年平均增長(zhǎng)5.6％。其中，日本年度工業(yè)機(jī)器人總量將從2003年的348 734增長(zhǎng)至2007年的349 400臺(tái)，年平均增長(zhǎng)0.048％；歐洲將從2003年的249 200臺(tái)增長(zhǎng)至2007年的325 900臺(tái)，年平均增長(zhǎng)6.9％；美國(guó)從2003年的112 390臺(tái)增長(zhǎng)到2007年的14

33、5 100臺(tái)，年平均增長(zhǎng)6.6％。</p><p>　　全球新安裝機(jī)器人的數(shù)量從2003年的81 776臺(tái)增至2007年的106 00臺(tái)，年平均增長(zhǎng)6.7%。其中，日本工業(yè)機(jī)器人的年度安裝量將從2003年的31 577增長(zhǎng)至2007年的41 300臺(tái)，年平均增長(zhǎng)6.9%；歐洲將從2003年的27 114臺(tái)增長(zhǎng)至2007年的34 400臺(tái)，年平均增長(zhǎng)6.1%；美國(guó)從2003年的12 693臺(tái)增長(zhǎng)至2007年的15

34、900臺(tái)，年平均增長(zhǎng)5.8%[5]。</p><p>　　1.4我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及前景</p><p>　　我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，約于20世紀(jì)70年代末、80年代初開始。以后的20多年中，在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等國(guó)際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。從近幾年來看，我國(guó)已經(jīng)有很多單位和企業(yè)已經(jīng)著手機(jī)器人的研究和開發(fā)，已經(jīng)研究出多種型號(hào)的機(jī)器人。

35、我國(guó)工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過二十多年的發(fā)展已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁出了新的步伐。近幾年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人以及包含工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線和工程項(xiàng)目、相關(guān)產(chǎn)品的年銷售額已經(jīng)超過3億元。國(guó)家“863”計(jì)劃當(dāng)中，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于汽車、電子行業(yè)當(dāng)中，其發(fā)展水平也已經(jīng)逐步接近世界先進(jìn)水平，相信以目前的發(fā)展水平會(huì)在不久的將來趕上各先進(jìn)國(guó)家的步伐。</p><p>　　1.5論文的意義和研究?jī)?nèi)容</p><

36、;p>　　機(jī)器人技術(shù)是近30年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學(xué)科。它綜合了力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制、傳感技術(shù)、電液驅(qū)動(dòng)技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科的有關(guān)知識(shí)和最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就。機(jī)器人學(xué)是隨著機(jī)器人的發(fā)展而發(fā)展的，而它的發(fā)展與完善又不斷地推動(dòng)著機(jī)器人技術(shù)水平的提高，擴(kuò)大著機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域;同時(shí)機(jī)器人學(xué)也極大地促進(jìn)了控制技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、仿生學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，所以機(jī)器人學(xué)是一門集中反映高新

37、技術(shù)的新興學(xué)科。</p><p>　　科學(xué)的進(jìn)步與技術(shù)的創(chuàng)新，為機(jī)器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化、自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。從某種意義上說它是機(jī)

38、器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。</p><p>　　現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入80年代以來，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國(guó)專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國(guó)家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的十五計(jì)劃的“211工程”中就有一個(gè)“智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)”建設(shè)項(xiàng)目[6]。</p>

39、<p>　　本文結(jié)合當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種五自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程。分析了機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)地對(duì)本機(jī)械手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析。在同組同學(xué)用齊次坐標(biāo)變換的方法對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解進(jìn)行了分析和研究的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解進(jìn)行了分析和研究，并用代數(shù)法求出結(jié)論表達(dá)式。然后選擇其中的一組最優(yōu)的解，利用PLC控制器編程來控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。</p><p

40、><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]劉極峰，易際明，等.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社 ，2006年5月</p><p>　　[2]熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社 ,1996年</p><p>　　[3]馬光,申桂英 ,等.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].南京化工大學(xué)學(xué)報(bào) ,2

41、003（ 3） </p><p>　　[4]朱力.目前各國(guó)機(jī)器人發(fā)展情況[J].中國(guó)青年科技2003 (11) </p><p>　　[5]張效祖.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng),2004(5) </p><p>　　[6]郝海青. 串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)械手的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).萬方數(shù)據(jù)庫碩博士論文，2002</p><p&g

42、t;　　第二章 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能及基本技術(shù)參數(shù)</p><p>　　2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能</p><p>　　本文所涉及的五自由度機(jī)械手是建立在GR-1型教學(xué)機(jī)械手的基礎(chǔ)之上，它有五個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)抓取物體的工具(手爪)，還配有示教盒和控制器（除機(jī)械部分外基本已失效）。主要由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)兩部分組成：</p><p>　　機(jī)械部分：該機(jī)械手是一個(gè)關(guān)節(jié)型機(jī)械

43、手，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且全部采用開放式結(jié)構(gòu)。其6個(gè)自由度皆由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　控制系統(tǒng)：通過對(duì)控制器進(jìn)行編程，由光電閉環(huán)伺服回路引導(dǎo)機(jī)械手末端手爪，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其準(zhǔn)確定位。</p><p>　　其設(shè)計(jì)特點(diǎn)可歸納為：</p><p>　?。?）機(jī)械設(shè)計(jì)采用裸體式以便能看清楚所有運(yùn)動(dòng)副的工作情況。</p><p>　?。?）機(jī)構(gòu)和功

44、能與大型工業(yè)機(jī)器人類似。</p><p>　?。?）用直流伺服電機(jī)和鏈傳動(dòng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作狀態(tài)也和工業(yè)機(jī)器人、CNC裝置的情況類似。</p><p>　?。?）采用全數(shù)字控制方案，每個(gè)關(guān)節(jié)的直流伺服電機(jī)都裝有光電編碼器，用高傳動(dòng)比以獲得較高的關(guān)節(jié)角位移分辨率。</p><p>　?。?）控制器可同時(shí)控制6個(gè)直流伺服電機(jī)，用戶可認(rèn)為控制器是透明的，致力與軟件開發(fā)。

45、</p><p>　　該機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖和部件傳動(dòng)圖如圖2.1—2.4所示。</p><p>　　圖2.1 腰傳動(dòng)圖</p><p>　　腰部通過一對(duì)齒輪副直接傳動(dòng)。安裝在底座上的直流伺服電機(jī)的輸出經(jīng)減速器變速后，通過齒輪傳動(dòng)使腰部繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度不小于180°。從動(dòng)齒輪上裝有行程開關(guān)，對(duì)腰部傳動(dòng)進(jìn)行限位檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)最大限位控制。</p&g

46、t;<p>　　圖2.2 上臂傳動(dòng)圖</p><p>　　上臂固定在腰部從動(dòng)齒輪上，安裝在腰部上的伺服電機(jī)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)上臂進(jìn)行擺動(dòng)幅度不小于270°的運(yùn)動(dòng)，并且隨腰部一起傳動(dòng)。</p><p>　　圖2.3 前臂傳動(dòng)圖</p><p>　　前臂固定在上臂末端軸(肘關(guān)節(jié)軸線)上，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在腰部，通過2級(jí)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)前臂轉(zhuǎn)動(dòng)。采用鏈輪張

47、緊鏈條，二級(jí)鏈傳動(dòng)第一級(jí)參數(shù)與上臂的參數(shù)相同，次級(jí)傳動(dòng)是等比傳動(dòng)。</p><p>　　圖2.4 手傳動(dòng)圖</p><p>　　手傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在腰部，通過2級(jí)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)手繞前臂末端軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。它是二級(jí)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)及鋼絲繩傳動(dòng)相結(jié)合。其中，次級(jí)鏈傳動(dòng)和鋼絲繩傳動(dòng)都是等比傳動(dòng)，都是用鏈輪張緊，其轉(zhuǎn)動(dòng)幅度不小于270°。</p><p>　　腕部裝有2個(gè)直流

48、伺服電機(jī)，一個(gè)通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手爪的開合。此外，在機(jī)器人本體下面還有安裝底板，用于穩(wěn)定機(jī)身，防止在機(jī)器人的肘，臂伸出時(shí)，機(jī)器人傾倒。</p><p>　　除了齒輪傳動(dòng)外，鏈傳動(dòng)也是GR-1型示教機(jī)械手重要的傳動(dòng)方式。該機(jī)械手的上臂，前臂和手是通過鏈輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的。</p><p>　　各機(jī)械結(jié)構(gòu)為基本空間縮放結(jié)構(gòu)，用高強(qiáng)度鋁合金材料制成。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由腰

49、部轉(zhuǎn)動(dòng)、上臂擺動(dòng)、前臂擺動(dòng)、手俯仰、腕旋轉(zhuǎn)和手爪開閉6個(gè)動(dòng)作部分組成。各關(guān)節(jié)和手腕的運(yùn)動(dòng)用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的輸出軸上安裝有光電編碼器，用于位置檢測(cè)，并將位置信號(hào)反饋到控制器輸入端，構(gòu)成伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路的閉環(huán)反饋控制。</p><p>　　2.2機(jī)械手的基本參數(shù)</p><p>　　機(jī)械手的基本參數(shù)如下：</p><p>　　a、外形尺寸：340×34

50、0×530（復(fù)位狀態(tài)，包括底座）</p><p>　　b、自由度：5 （不包括手指開閉控制）</p><p>　　c、各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍：</p><p><b>　　腰：≥±180°</b></p><p><b>　　肩：≥200°</b></p>

51、<p><b>　　肘：≥270°</b></p><p><b>　　手俯仰：≥270°</b></p><p>　　手指旋轉(zhuǎn)：≥360°</p><p><b>　　d、最大活動(dòng)區(qū)：</b></p><p>　　垂直方向：850m

52、m</p><p>　　水平方向：600mm</p><p><b>　　e、各軸的分辨率：</b></p><p>　　f、運(yùn)動(dòng)速度： ≥20度/秒</p><p>　　g、重復(fù)精度： ≤1mm</p><p>　　h、最大負(fù)重： ≥1kg</p><p>　

53、　i、機(jī)械手重： 11.0kg（包括底座）</p><p><b>　　j、基本尺寸：</b></p><p>　　軀干： 115×215mm</p><p>　　腰高： 153mm</p><p>　　肩高： 249mm</p><p>　　上、

54、前臂長(zhǎng)： 228mm</p><p>　　手前部： 137mm</p><p>　　手后部： 68mm</p><p>　　手指： 50mm</p><p>　　k、運(yùn)動(dòng)控制：數(shù)字式光電閉環(huán)伺服回路</p><p>　　l、驅(qū)動(dòng)方式：直流伺服電機(jī)</p><p>　　

55、第三章 連桿坐標(biāo)系間的變換矩陣</p><p>　　3.1 齊次坐標(biāo)與手部位姿矩陣</p><p>　　本設(shè)計(jì)中我們所研究的搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)質(zhì)上是由一系列關(guān)節(jié)連接而成的空間連桿開式鏈機(jī)構(gòu)。而要研究此機(jī)械手，就必須對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)有一個(gè)基本的了解。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中的一個(gè)最基本問題就是齊次坐標(biāo)、機(jī)器人的位姿分析。</p><p>　　在選定的直角坐標(biāo)系{A}中，空間任一點(diǎn)P的位

56、置可以用3??1的位置矢量AP表示，其左上標(biāo)表示選定的坐標(biāo)系{A}，此時(shí)有 </p><p>　　AP?=?[PX PY PZ ]T (2.1) </p><p>　　式中：PX、PY、PZ是點(diǎn)P在坐標(biāo)系{A}中的三個(gè)位置坐標(biāo)分量，如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 空間任一點(diǎn)的坐標(biāo)表示</p

57、><p>　　將一個(gè)n維空間的點(diǎn)用n?+?1維坐標(biāo)表示，則該n?+?1維坐標(biāo)即為n維坐標(biāo)的齊次坐標(biāo)。用齊次坐標(biāo)的規(guī)格化形式表示即：</p><p>　　P?=?[PX PY PZ 1]T (2.2)</p><p>　　在圖3.2中，i、j、k分別表示直角坐標(biāo)系中X、Y、Z坐

58、標(biāo)軸的單位矢量，用齊次坐標(biāo)表示之，則有：</p><p>　　圖3.2 坐標(biāo)軸的方向表示</p><p>　　X?=?[1 0 0 0]T</p><p>　　Y?=?[0 1 0 0]T</p><p>　　Z?=?[0 0 1 0]T</p><p>　　圖3.2中所示的矢量u的方向用4??1列陣可表達(dá)為：<

59、/p><p>　　u =?[a b c 0]T (2.3)</p><p>　　a?=?cos，b?=?cos，c?=?cos</p><p>　　手部的位置矢量為固定參考系原點(diǎn)指向手部坐標(biāo)系{B}原點(diǎn)的矢量P，手部的方向矢量為n、o、a。于是手部的位姿可用4??4矩陣表示為</p><p>

60、;<b>　　(2.4)</b></p><p>　　3.2連桿坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣的表示方法</p><p>　　在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是，可以直接對(duì)機(jī)器人進(jìn)行某種抽象，將連桿抽象為直線，而將關(guān)節(jié)抽象為點(diǎn)，這樣對(duì)分析結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響。這是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。</p><p>　　在運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模中，坐標(biāo)系的選擇有很多種，而最為常見的Dena

61、vit-Hartenberg方法（D-H方法），其坐標(biāo)系的建立如下：</p><p>　　連桿i的坐標(biāo)系的Zi軸位于連桿i與連桿i?+?1的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸線上；連桿i的兩端軸線的公垂線為連桿坐標(biāo)系的Xi軸，方向指向下一個(gè)連桿；公垂線與Zi的交點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)；坐標(biāo)系的Yi軸由Xi和Zi 經(jīng)右手法則確定。</p><p>　　兩連桿間的關(guān)系由4個(gè)參數(shù)來描述，其中兩個(gè)參數(shù)用來描述連桿，即公共法線的距

62、離ai和垂直于ai所在平面內(nèi)兩關(guān)節(jié)軸線(Zi–1和Zi)的夾角αi；另兩個(gè)參數(shù)表示相鄰兩桿的關(guān)系，即兩連桿的相對(duì)位置di和兩連桿法線的夾角i。 ai稱為連桿長(zhǎng)度，αi為連桿扭角，di為兩連桿距離，θi為兩連桿夾角。</p><p>　　用表示機(jī)器人連桿n坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換成連桿n–1坐標(biāo)系的坐標(biāo)的齊次坐標(biāo)變換矩陣，通常寫成。對(duì)于n個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人，前一個(gè)關(guān)節(jié)向后一個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)齊次變換矩陣分別為：。其中，表示桿件1上的

63、1號(hào)坐標(biāo)系到機(jī)座的0號(hào)坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換矩陣。</p><p>　　3.3連桿坐標(biāo)系間變換矩陣的確定</p><p>　　一旦對(duì)全部連桿規(guī)定坐標(biāo)系后，就能建立相鄰兩連桿i與i+?1之間的相對(duì)關(guān)系，連桿i–1的坐標(biāo)系經(jīng)過變換可以與連桿i的坐標(biāo)系重合。如果把表示相鄰連桿相對(duì)空間關(guān)系的矩陣稱為A矩陣，那么根據(jù)上述變換步驟，從連桿i到連桿i–1的坐標(biāo)變換矩陣為：</p><p

64、>　　=?Rot(Z, )Trans(0, 0, )Rot(X,)</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　上式為在D-H坐標(biāo)系中，機(jī)械手中轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)坐標(biāo)與其前一個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)的齊次變換矩陣。能描述連桿坐標(biāo)系之間相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。描述第一個(gè)連桿對(duì)于機(jī)身的位姿，描述第二個(gè)連桿坐標(biāo)系相對(duì)于第一個(gè)連桿坐標(biāo)系的位姿。如果已知一點(diǎn)在最末一個(gè)坐

65、標(biāo)系（如n坐標(biāo)系）的坐標(biāo)，要把它表示成前一個(gè)坐標(biāo)系（如n-1）的坐標(biāo)，那么齊次變換矩陣為。依次類推，可知此點(diǎn)到基礎(chǔ)坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換為：</p><p>　　對(duì)于機(jī)械手末端執(zhí)行器坐標(biāo)系(即連桿坐標(biāo)系5)的坐標(biāo)相對(duì)于連桿i–1坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，用i–1T5表示，即：</p><p>　　機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于機(jī)身坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為：</p><p><

66、b>　?。ㄊ街校撼懗桑?lt;/b></p><p>　　由齊次變換矩陣可以求得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程。</p><p>　　第四章 機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)</p><p>　　同組同學(xué)已經(jīng)建立了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>

67、;　　式中:;;;</b></p><p>　　;;. (4.2)</p><p>　　對(duì)于5自由度的機(jī)械手而言，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程也可以寫成：</p><p>　　= （4.3）</p><p>　　（式中：0T5?常寫成T5?。）</p><p>　　上式中左邊矩陣表

68、示末端連桿相對(duì)于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位姿。給定末端連桿的位姿計(jì)算相應(yīng)關(guān)節(jié)變量的過程叫做運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。</p><p>　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解存在多解性，如圖4.1所示為一個(gè)二自由度的機(jī)器人，對(duì)于給定的位置與姿態(tài)，它是可解的且有兩組解。</p><p>　　圖4.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解多解性示意圖</p><p>　　造成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解具有多解的原因是由于解反三角函數(shù)方程產(chǎn)生

69、的。事實(shí)上對(duì)于一個(gè)真實(shí)的機(jī)器人，只有一組解與實(shí)際情況相符合，所以必須對(duì)這些解做出判斷，以選擇合適的解。</p><p>　　目前，已經(jīng)能夠?qū)σ话憬Y(jié)構(gòu)的六自由度串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。但是，要獲得顯式解，必須滿足下列兩個(gè)充分條件之一：</p><p>　?。?）3個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸交于一點(diǎn)；</p><p>　?。?）3個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸平行。</p><

70、p>　　對(duì)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解方法有三種：代數(shù)法，幾何法和數(shù)值算法。前兩種解法的具體步驟和最終公式，將因操作機(jī)的具體構(gòu)形而異。而數(shù)值算法則是一種通用求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的方法。下面就用代數(shù)法來求解。</p><p>　　將5自由度的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程寫成：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　如果末端連桿的位姿已

71、經(jīng)給定，即n、o、a和p是已知的，則求關(guān)節(jié)變量的值稱為運(yùn)動(dòng)反解。用未知的連桿逆變換左乘方程(4.4)的兩邊，把關(guān)節(jié)變量分離出來，從而求解，具體步驟如下。</p><p><b>　　令：</b></p><p><b>　　由，有：</b></p><p>　　將給定的矩陣與逆陣的第一列相乘，它應(yīng)該與單位陣的第一列相等，得

72、到下面四個(gè)等式：</p><p><b>　　解得：</b></p><p>　　類似的，將給定矩陣和逆陣的第2、第3、第4列相乘，并令其分別等于單位矩陣的第2、第3、第4列，就可的剩下的未知量：</p><p>　　即： （4.5）</p><

73、p><b>　　同理可求得的逆：</b></p><p><b>　　；</b></p><p>　??； （4.6）</p><p>　　用左乘式（4.3）得：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　方

74、程（4.7）左端為</p><p><b>　　（4.8）</b></p><p>　　因上面已經(jīng)求得和的值，再由方程（4.8）兩邊元素3,3對(duì)應(yīng)相等有：</p><p><b>　　（4.9）</b></p><p><b>　　即：，可求得：</b></p>

75、<p>　　， （4.10）</p><p>　　同理，由方程（4.8）的元素3，1和3，2相等可求得：</p><p>　　， （4.11）</p><p>　　因?yàn)殛P(guān)節(jié)2，3和4都是平行的，左乘和的逆不會(huì)產(chǎn)生有用的結(jié)果。故采用左乘的逆，有：</p><

76、p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　由式（4.12）兩邊元素3，2可得：</p><p>　　即：， （4.13）</p><p>　　由方程(4.8)的元素1，4和2，4可知：</p><p><b>　　（4.14）</b>

77、;</p><p>　　同理，由(4.8)元素1,4和元素2,4可知 ：</p><p>　　因均已知，所以可進(jìn)而求得。</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　至此求出了所有關(guān)節(jié)的解，給出了機(jī)器人置于任何期望位姿時(shí)所需的關(guān)節(jié)值。當(dāng)然由于結(jié)構(gòu)的限制，有些解不能實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人存在多解的情況下，

78、應(yīng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃（同組其他成員的論文涉及到，在此不再闡述），從而選取其中最優(yōu)的一組解進(jìn)行控制。</p><p>　　第五章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 控制方式的確定</p><p>　　和大多數(shù)工業(yè)控制類似，搬運(yùn)機(jī)械手也有很多種控制方式可供選擇。而目前常用的常用工業(yè)控制器主要為：PLC、單片機(jī)以及PC機(jī)。下面就從它們的性能的幾個(gè)方面的作一些比較，如表

79、5.1所示。</p><p>　　表5.1 常用工業(yè)控制器性能比較</p><p>　　顯然，PLC的高可靠性、易操作性和開發(fā)周期短等特點(diǎn)在對(duì)運(yùn)算速度要求不高的控制場(chǎng)合是一種完美的控制方式，而且它能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高溫、沖擊、震動(dòng)等惡劣環(huán)境，易于維護(hù)。</p><p>　　PC機(jī)的高運(yùn)算速度和高可靠性為控制的精度和準(zhǔn)確性提供了保證，但其價(jià)格高、操作性難和開發(fā)周期長(zhǎng)要求

80、操作者本身有完善的微機(jī)知識(shí)結(jié)構(gòu)，充裕的開發(fā)時(shí)間和較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)勢(shì)力做后盾。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其維護(hù)性也較好，但要比PLC稍遜一籌。</p><p>　　單片機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)在于其價(jià)格便宜，運(yùn)算速度快，但可靠性低，可操作性難、開發(fā)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)很多的接口電路，接線復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)者本身的要求很高，并不是每個(gè)控制系統(tǒng)都能接受的。</p><p>　　相比較而言，可編程控制器(PLC)用于機(jī)械手控制具有以下

81、五個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1、可靠性高抗干擾能力強(qiáng)</p><p>　　單片機(jī)及PC對(duì)環(huán)境的要求都要求比較高，一般不適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，而PLC采取了一系列軟件及硬件抗干擾措施，可以直接用于環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。</p><p>　　2、硬件配置齊全，外部接線方便</p><p>　　單片機(jī)及PC用于控制場(chǎng)合，難免遇到大量的接口電路

82、的設(shè)計(jì)及調(diào)試工作，且它們輸出的電壓電流信號(hào)都很弱，一般都需加驅(qū)動(dòng)電路才能帶動(dòng)負(fù)載工作。而PLC配備品種齊全的各種硬件裝置，用戶一般不必自行設(shè)計(jì)接口電路及驅(qū)動(dòng)回路，只要將外部設(shè)備、電源等直接與接線端子相連即可，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試及維護(hù)的工作量大大減少。</p><p>　　3、編程簡(jiǎn)單易學(xué)，查錯(cuò)容易</p><p>　　PLC采用梯形圖編程方法。梯形圖語言的電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路

83、原理相當(dāng)接近，比其他各種高級(jí)語言及匯編語言更易于接受和掌握。另外，修改及查錯(cuò)也更為容易。</p><p><b>　　4、人機(jī)界面好</b></p><p>　　如果適當(dāng)添加人機(jī)界面設(shè)備，便可動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)系統(tǒng)真實(shí)的工作情況。對(duì)PC用高級(jí)語言編程也可得到較好人機(jī)界面，但開發(fā)量大，而對(duì)單片機(jī)則很難得到令人滿意的人機(jī)界面。</p><p>　　5、P

84、LC具有極強(qiáng)的通訊功能</p><p>　　PLC遠(yuǎn)程I/O與計(jì)算機(jī)聯(lián)接可實(shí)現(xiàn)通訊功能，同組的同學(xué)就設(shè)計(jì)了VB與PLC之間的通信。</p><p>　　作為機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)生，在平時(shí)課程學(xué)習(xí)當(dāng)中，就已經(jīng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了PLC的有關(guān)理論，并且作過大量的實(shí)驗(yàn)，掌握了其在控制過程當(dāng)中所可能遇到的障礙以及其可以解決的方案，且其控制的高可靠性和易操作性深受我們的喜愛。</p><p

85、>　　特別的，在我們所設(shè)計(jì)的機(jī)械手當(dāng)中，所有元件中，光電編碼器的精度不太高，對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求不太高；而在控制要求上，PLC(FX2N-64MR)內(nèi)部配有高速計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)，可直接用來接收機(jī)械手5個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)器中的值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，可直接控制各關(guān)節(jié)相應(yīng)電機(jī)電源的通斷，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制的目的。</p><p>　　綜上所述，在本設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用PLC來控制機(jī)械手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。</p>

86、;<p><b>　　5.2選擇PLC</b></p><p>　　在選擇功能和容量滿足要求的PLC時(shí)，首先應(yīng)估計(jì)所需的PLC規(guī)模大小。</p><p>　　5.2.1 PLC規(guī)模的估算</p><p>　　為完成預(yù)定的控制任務(wù)所需要的PLC規(guī)模，主要取決于機(jī)械手對(duì)輸入輸出點(diǎn)的需求量和控制過程的難以程度，估算PLC的各種類型的輸入

87、、輸出點(diǎn)數(shù)，并據(jù)此估算出機(jī)械手控制的存儲(chǔ)容量，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　1）輸入、輸出點(diǎn)的估算。為了能準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出被控機(jī)械手對(duì)輸入、輸出點(diǎn)的總需求量，可以把被控機(jī)械手的信號(hào)源一一列出（如圖5.1所示），并認(rèn)真分析輸入、輸出點(diǎn)的信號(hào)類型。</p><p>　　考慮到在實(shí)際安裝、調(diào)試和應(yīng)用中，還可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些估算中未預(yù)見的因素，在估算的基礎(chǔ)上再增加15%-20%的輸入、輸

88、出點(diǎn)數(shù)，以備將來調(diào)整、擴(kuò)充使用。所以在機(jī)械手的控制當(dāng)中，對(duì)輸出點(diǎn)數(shù)估算為25×（15%～20%），然后根據(jù)日本三菱公司FX2N系列產(chǎn)品中部分主機(jī)單元的規(guī)格，選定輸出點(diǎn)數(shù)為32，對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)數(shù)也為32。</p><p>　　圖5.1 信號(hào)源以及I/O地址號(hào)分配對(duì)照表</p><p>　　2）存儲(chǔ)容量的計(jì)算。微小型PLC的用戶存儲(chǔ)器是固定的，不能隨意擴(kuò)充選擇。因此，選購(gòu)PLC時(shí)，要保

89、證存儲(chǔ)容量夠用。根據(jù)輸入、輸出的點(diǎn)數(shù)及其類型、控制的繁簡(jiǎn)程度加以粗略的估算如下：</p><p>　　指令步數(shù)=（輸入點(diǎn)數(shù)+輸出點(diǎn)數(shù)）×（10-12）=640-768</p><p>　　然后再增加15%-20%的備用量。所以指令步數(shù)大概為800條就足夠了。</p><p>　　5.2.2PLC的選擇</p><p>　　PLC產(chǎn)品

90、的種類、型號(hào)繁多，他們的功能、價(jià)格、使用條件各不相同。選用時(shí)，除輸入、輸出點(diǎn)數(shù)外，一般要考慮以下幾個(gè)方面的問題。</p><p>　　1）PLC的功能。PLC的功能要與所完成的控制任務(wù)相適應(yīng)，這是最基本的。如上一節(jié)所述，選用PLC能夠滿足機(jī)械手控制任務(wù)的要求，也能夠順利地組成合適的控制系統(tǒng)。</p><p>　　對(duì)于機(jī)械手而言，只要分別對(duì)單個(gè)電機(jī)自動(dòng)控制，屬于簡(jiǎn)單的邏輯、順序控制，因此只要

91、選用具有邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)器等基本功能的微小型PLC就可以了。</p><p>　　2）輸入接口模塊。PLC的輸入直接與被控機(jī)械手的一些輸出量相連。因此還要選好傳感器，要使他們的工作電壓和工作電流與傳感器的輸出相匹配，最好不經(jīng)過轉(zhuǎn)換就能直接相連。</p><p>　　對(duì)于機(jī)械手的五個(gè)直流電機(jī)的工作電壓為±12V，所以我們可以選擇輸入電壓為DC24V的PLC。</p>

92、;<p>　　3）輸出接口模塊。輸出接口模塊的任務(wù)是將PLC內(nèi)部輸出信號(hào)變換成可以驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行的控制信號(hào)。因此，除了考慮輸出點(diǎn)數(shù)外，還應(yīng)注意輸出模塊允許的工作電壓、電流應(yīng)大于負(fù)載的額定工作電壓、電流值，而5個(gè)伺服電機(jī)功率均較小，PLC采用繼電器輸出滿足功率要求。考慮機(jī)械手中的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)沖擊電流的影響，要留有足夠的余量。</p><p>　　綜合以上各種因素，在本設(shè)計(jì)中決定采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX

93、2N系列產(chǎn)品中的FX2N-64MR作為機(jī)械手的控制器。</p><p>　　5.3可編程控制器（FX2N-64MR）結(jié)構(gòu)功能介紹</p><p>　　FX2N-64MR是日本三菱公司FX2N系列產(chǎn)品中功能較齊全的可編程程序控制器。它和其它編程產(chǎn)品一樣，其實(shí)是一臺(tái)工業(yè)控制用的微型計(jì)算機(jī)。PLC是有微處理器和存儲(chǔ)器組成的控制裝置，還有輸入/輸出接口電路，它將PLC內(nèi)部電路與外部輸入/輸出設(shè)備隔

94、離開來。PLC存儲(chǔ)器中的程序是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求并用梯形圖或指令集或功能塊語言編寫的程序，由編程器輸入的。</p><p>　　和其它可編程產(chǎn)品一樣，F(xiàn)X2N-64MR的CPU采用順序逐條地掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)（包括它的常開和常閉觸點(diǎn)）不會(huì)立即動(dòng)作，必須等到掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。這種獨(dú)特的運(yùn)行方式——掃描技術(shù)使PLC的掃描用戶程序的時(shí)間一般小于100m

95、s，其過程如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.2 PLC的掃描運(yùn)行方式</p><p>　　FX2N-64MR的輸入電流為DC24V 7mA (X010以后是DC24V 5mA)。但是，為了可靠起見，使其ON時(shí)，需要用4.5mA(3.5mA)以上的電流，使其OFF時(shí)，需要用1.5mA(1.5mA)以下的電流。FX2N-64MR提供21個(gè)32位的內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器邏輯線圈C235～C25

96、5.但由于這21個(gè)內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器邏輯線圈的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)必須通過PLC的6個(gè)高速輸入端X0～X5輸入，因此，用戶最多能用其中的6個(gè)。設(shè)有啟動(dòng)/復(fù)位的單相高速計(jì)數(shù)器C235～C239是我們?cè)谶@個(gè)設(shè)計(jì)中將要同時(shí)用到的。</p><p>　　5.4PLC的外部接線 </p><p>　　PLC的外部接線如附錄1所示。</p><p><b>　　5.5位置檢測(cè)電路

97、</b></p><p>　　位置反饋信號(hào)是通過光電編碼器而得到，每個(gè)伺服電機(jī)輸出軸上都裝有光電編碼器，通過它實(shí)現(xiàn)光電脈沖轉(zhuǎn)換及對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。</p><p>　　光電編碼器主要是由控制電路板，紅外光電耦合器及遮光盤組成，紅外光電耦合器為塑封雙列直插式結(jié)構(gòu)，固定于槽形框內(nèi)，遮光盤固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，遮光盤為6孔均勻圓周分布的金屬盤。光電編碼器的外型簡(jiǎn)圖如圖5.3：&

98、lt;/p><p>　　圖5.3 光電編碼器簡(jiǎn)圖</p><p>　　光電編碼器的原理如圖5.4所示。</p><p>　　圖5.4 光電編碼器的原理圖</p><p>　　其中，R3用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的工作電流，以確保光電耦合器件正常工作。當(dāng)總線通電時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)出不可見紅外線光，通過旋轉(zhuǎn)的遮光盤的通孔而被光敏器件接收，光敏器件兩

99、端由截止變?yōu)閷?dǎo)通，兩端電壓發(fā)生相應(yīng)的變化，從A,B輸出脈沖信號(hào)。光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生6個(gè)相位差為360°的A,B兩相6個(gè)脈沖。正，反向測(cè)速A,B兩相脈沖波形如圖5.5所示：</p><p>　　圖5.5 光電編碼器正、反向測(cè)速脈沖信號(hào)</p><p>　　5.6輸入輸出接口電路</p><p>　　5.6.1輸入接口電路</p><p

100、>　　從A,B輸出的脈沖信號(hào)為電平信號(hào)，不能直接連接到PLC的輸入端。還要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)，在送入PLC輸入端。圖5.7中的IC就是為此而設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)接口電路。IC是一個(gè)異或門，將兩路脈沖信號(hào)合成一路信號(hào)。</p><p>　　其中：電容C=100µF R3=300 R2=R1=10 R4=20</p><p>　　op1、op2為光電耦合器

101、 IC為異或門 T1為開關(guān)型三極管</p><p>　　圖5.7 輸入接口電路圖</p><p>　　FX2N-64MR型PLC有高速1相單向輸入計(jì)數(shù)器，本設(shè)計(jì)用到的高速計(jì)數(shù)器為C235～C239,相應(yīng)的計(jì)數(shù)輸入端為X0—X4,電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，計(jì)數(shù)輸入端接收高電平12次，計(jì)數(shù)器相應(yīng)計(jì)數(shù)12次。當(dāng)計(jì)數(shù)端接收信號(hào)次數(shù)與PLC內(nèi)部程序指定的數(shù)值等同時(shí)，PLC通過程序切斷電機(jī)電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而實(shí)

102、現(xiàn)了PLC對(duì)電機(jī)的控制，即對(duì)機(jī)械手的控制。</p><p>　　5.6.2PLC輸出接口電路</p><p>　　直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，要改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要改變施加在直流電機(jī)電樞兩段的電壓值就可以達(dá)到目的，要改變轉(zhuǎn)向，只要改變施加在直流電機(jī)電樞兩端的電壓的極性就可以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制可分解為對(duì)5個(gè)直流電機(jī)的控制，為了

103、實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在約束條件下的任意運(yùn)動(dòng)，需要分別對(duì)5個(gè)電機(jī)施加不同的控制。用FX2N-64MR型PLC作為機(jī)械手的控制器，完全滿足對(duì)機(jī)械手控制的需要。</p><p>　　要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電路可以采用圖5.8所示的橋式電路，直接將PLC輸出觸點(diǎn)用在伺服電機(jī)的橋式直流驅(qū)動(dòng)電路中，PLC輸出觸點(diǎn)存在公共地，要注意接入位置。PLC輸出點(diǎn)共分4組，每一組有一個(gè)獨(dú)立的公共地端。</p><p>

104、;　　注：M1、M2、M3、M4、M5、均為24V直流電機(jī)，本文設(shè)計(jì)采用DC12V電壓</p><p>　　圖5.8 PLC輸出控制</p><p>　　當(dāng)選擇PLC的4個(gè)觸點(diǎn)作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋路正反的切換開關(guān)時(shí)，上橋臂觸點(diǎn)和下橋臂觸點(diǎn)必須位于不同的公共地，如附錄1所示。圖5.8中，Y0、Y1、Y2、Y3具有公共地COM1,Y4、Y5、Y6、Y7具有公共地COM2。COM1接驅(qū)動(dòng)電源正

105、極，COM2接驅(qū)動(dòng)電源負(fù)極。當(dāng)PLC程序使Y0、Y5及Y2、Y7接通時(shí)，電機(jī)M1、M2正轉(zhuǎn)；當(dāng)PLC程序使Y1、Y4及Y3、Y6接通時(shí)，電機(jī)M1、M2反轉(zhuǎn)?？梢?，通過設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的PLC程序就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。</p><p>　　考慮到實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械手的三個(gè)運(yùn)動(dòng)部件有運(yùn)動(dòng)范圍限制，腰回轉(zhuǎn)不能超過一周，上臂、前臂擺動(dòng)角度不能過大，以免出現(xiàn)后仰，限位控制電路是針對(duì)此而設(shè)計(jì)的。這三個(gè)運(yùn)動(dòng)部件上安裝了行程開關(guān)，當(dāng)部件

106、運(yùn)動(dòng)到達(dá)限定位置，行程開關(guān)動(dòng)作，KM動(dòng)作使電機(jī)一端的KM常閉斷開，電機(jī)斷電，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　5.7 控制軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　利用PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，需要將手爪的運(yùn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)化為對(duì)機(jī)械手的直流電機(jī)的控制。為了使手爪準(zhǔn)確到達(dá)所要求的位置，需要準(zhǔn)確計(jì)算出每個(gè)電機(jī)所應(yīng)轉(zhuǎn)的角度，既根據(jù)手爪的運(yùn)動(dòng)空間的初始位置和目標(biāo)位置計(jì)算出空間坐標(biāo)系中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，并將其轉(zhuǎn)換成PL

107、C控制的內(nèi)部指令。</p><p>　　在這里給定機(jī)械手連桿的一個(gè)空間位姿：</p><p>　　AP=[201,138,307]T</p><p><b>　　對(duì)應(yīng)的：</b></p><p>　　α=15°,β=30°,γ=65°</p><p>　　通過反

108、向運(yùn)動(dòng)學(xué)求出反解運(yùn)動(dòng)所需的逆解，然后通過同組同學(xué)的軌跡規(guī)劃得到最優(yōu)的一組解為：</p><p>　　θ1=34.472°；</p><p>　　θ2=39.447°；</p><p>　　θ3=78.491°；</p><p>　　θ4=-95.857°；</p><p>　　θ

109、5=-47.598°。</p><p>　　根據(jù)相應(yīng)的軸分辨率，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的編碼器所要檢測(cè)的脈沖數(shù)：</p><p>　　K1=34.472/0.14≈246.23=246</p><p>　　K2=39.447/0.11≈358.61=359</p><p>　　K3=78.491/0.11≈731.55=732</p>

110、;<p>　　K4=-95.857/0.11≈871.43=871</p><p>　　K5=-47.598/0.24≈192.33=192</p><p>　　將各編碼器所要檢測(cè)的脈沖數(shù)寫入PLC的數(shù)據(jù)寄存器,對(duì)應(yīng)的高速計(jì)數(shù)器從PLC中的數(shù)據(jù)寄存器讀取相應(yīng)的脈沖數(shù)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到脈沖數(shù)時(shí)，PLC輸出控制信號(hào)使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。通過各個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，最終

111、使終端執(zhí)行端轉(zhuǎn)到給定的位置。同理，各個(gè)關(guān)節(jié)向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度就可回到起始的位置。整個(gè)運(yùn)行過程如圖5.9所示。</p><p>　　各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)如圖2.1—2.4所示。電機(jī)2，3，4控制的關(guān)節(jié)始終在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，而電機(jī)1所控制的關(guān)節(jié)始終在關(guān)節(jié)2，3，4，所處的垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)5控制手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的程序是PLC通過的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

112、時(shí)，光電編碼器輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速成一定比例的脈沖頻率。PLC內(nèi)部通過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率小于10HZ，輸入脈沖信號(hào)的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這一頻率，因而必須使用PLC內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器。</p><p>　　圖5.9 工作流程圖</p><p>　　PLC高速計(jì)數(shù)器的輸入端是固定的，高速計(jì)數(shù)器采用中斷處理方式的計(jì)數(shù)方式，與PLC的內(nèi)部頻率無關(guān)。采用的高速計(jì)數(shù)器是C235、C236、C237、C238、C239,

113、對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器的輸入端是X0、X1、X2、X3、X4。</p><p>　　因?yàn)楦鱾€(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入固定，所以輸入端口被占用后，另外的計(jì)數(shù)就不能使用。所以無論電機(jī)正轉(zhuǎn)，還是反轉(zhuǎn)都采用同一個(gè)計(jì)數(shù)器，這就產(chǎn)生了一個(gè)問題，即每一次計(jì)數(shù)前，計(jì)數(shù)都要清零，這就會(huì)影響到前一個(gè)過程已經(jīng)計(jì)數(shù)過的計(jì)數(shù)器的輸出動(dòng)作。于是在設(shè)計(jì)過程中采用了一個(gè)輔助繼電器來控制輸出，這樣就不會(huì)影響到前一個(gè)流程已經(jīng)有輸出的計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的輸入為X0—X4，