三自由度机械手臂设计项目新版说明书.doc

SHANDONG 课程设计说明书三自由度机械手臂设计学 院： 农业工程和食品科学学院 专 业： 农业机械化及其自动化 学生姓名： 赵国 学生姓名： 李继飞 学生姓名： 程小岩 指导老师： 程卫东 年 1 月 摘 要 在当今大规模制造业中，企业为提升生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上关键组员，逐步被企业所认同并采取。工业机器人技术水平和应用程度在一定程度上反应了一个国家工业自动化水平，现在，工业机器人关键负担着焊接、喷涂、搬运和堆垛等反复性而且劳动强度极大工作，工作方法通常采取示教再现方法。本文将设计一台四自由度工业机器人，用于给冲压设备运输物料。首先，本文将设计机器人底座、大臂、小臂和机械手结构，然后选择适宜传动方法、驱动方法，搭建机器人结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人控制系统，包含数据采集卡和伺服放大器选择、反馈方法和反馈元件选择、端子板电路设计和控制软件设计，关键加强控制软件可靠性和机器人运行过程安全性，最终实现目标包含：关节伺服控制和制动问题、实时监测机器人各个关节运动情况、机器人示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。目 录第1章 绪论 51.1 机器人概述 5第2章 机器人试验平台介绍及机械手设计 62.1自由度及关节 62.2 基座及连杆 62.2.1 基座 62.2.2 机械臂 62.3 机械手设计 62.4 驱动方法 82.5 传动方法 92.6 制动器 10第3章 控制系统硬件 113.1 控制系统模式选择 113.2 控制系统搭建 113.2.1 工控机 123.2.2 数据采集卡 123.2.3 伺服放大器 133.2.4 端子板 143.2.5电位器及其标定 153.2.6电源 16第4章 控制系统软件 164.1预期功效 164.2 实现方法 164.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 164.2.2直流电机伺服控制 164.2.3电机自锁164.2.4示教编程及在线修改程序 17第5章 总结 185.1 所完成工作 185.2 设计经验 18参考文件 20第1章 绪论1.1 机器人概述 在现代工业中，生产过程机械化、自动化已成为突出专题。化工等连续性生产过程自动化已基础得四处理。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续。专用机床是大批量生产自动化有效措施；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地处理多品种小批量生产自动化关键措施。但除切削加工本身外，还有大量装卸、搬运、装配等作业，有待于深入实现机械化。机器人出现并得到应用，为这些作业机械化奠定了良好基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）独立自动抓取、搬运工件、操作工具装置（中国称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一个含有些人体上肢部分功效，工作程序固定自动化装置。机器人含有结构简单、成本低廉、维修轻易优势，但功效较少，适应性较差。现在中国常把含有上述特点机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器替换人手，把工件由某个地方移向指定工作位置，或根据工作要求以操纵工件进行加工。 机器人通常分为三类。第一类是不需要人工操作通用机器人，也即本文所研究对象。它是一个独立、不隶属于某一主机装置，能够依据任务需要编制程序，以完成各项要求操作。它是除含有一般机械物理性能之外，还含有通用机械、记忆智能三元机械。第二类是需要人工操作，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是经过操作机来完成特定作业，以后发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采取铸造操作机也属于这一范围。第三类是专业机器人，关键隶属于自动机床或自动生产线上，用以处理机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务，由主机驱动。除少数外，工作程序通常是固定，所以是专用。机器人根据结构形式不一样又可分为多个类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围部分障碍物等这么部分特点，成为机器人中使用最多一个结构形式，世界部分著名机器人本体部分全部采取这种机构形式机器人。第2章 试验平台介绍及机械手设计该设计目标是为了设计一台物料搬运机器人，利用现有已经报废焊接机器人，本文中结构设计关键偏向于对原有机构改造和机械手设计。2.1自由度及关节该机器人含有三个自由度 ，即腰关节、肩关节、肘关节，全部为转动关节；还有一个用于夹持物料机械手。2.2基座及连杆2.2.1 基座基座是整个机器人本体支撑。为确保机器人运行稳定性，采取两块“Z”字形实心铸铁作支撑。基座上面是接线盒子，全部电机驱动信号和反馈信号全部从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。2.2.2 机械臂大臂长度230mm 小臂长度240mm2.3机械手设计工业机器人手又称为末端实施器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作部件。它含有模拟人手动作功效，并安装于机器人手臂前端。因为被握工件形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不一样，所以工业机器人末端操作器是多个多样，大致可分为以下几类：（1） 夹钳式取料手（2） 吸附式取料手（3） 专用操作器及转换器（4） 仿生多指灵巧手本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂多指人工指，只需要设计能从不一样角度抓取工件钳形指。手指是直接和工件接触部件。手指松开和夹紧工件，是经过手指张开和闭合来实现。该设计采取两个手指，其外形图2.3所表示 图2.1 机械手手指形状 传动机构是向手指传输运动和动力，以实现夹紧和松开动作机构。依据手指开合动作特点分为回转型和平移形。本文采取回转型传动机构。图2.4为初步设计机械手机构简图（只画出了二分之一，另外二分之一相关中心线对称）。 图2.2 机械手机构简图 在图2.4中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架组成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架组成滑块摇杆机构。经过两个机构串联，使电机最终驱动DE往返摆动，从而实现手指开合运动。 图2.4中黑线和蓝线表示机构运行两个极限位置。 为便于手指顺利合拢，能够在两个手指之间设置一个弹簧，这么还能够提供合适夹紧力。 另外，在选择电机时候，要使电机功率足以克服弹簧收缩和张开，而且提供足够加紧物体力。2.4驱动方法 该机器人一共含有四个独立转动关节，连同末端机械手运动，一共需要五个动力源。机器人常见驱动方法有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人驱动系统要求有：1）驱动系统质量尽可能要轻，单位质量输出功率要高，效率也要高；2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4）安全可靠；5）操作和维护方便；6）对环境无污染，噪声要小；7）经济上合理，尤其要尽可能降低占地面积。基于上述驱动系统特点和机器人驱动系统设计要求，本文选择直流伺服电机驱动方法对机器人进行驱动。表2.2为选定各个关节电机型号及其相关参数。表2.1机器人驱动电机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩18.2 Nm18.2 Nm18.2 Nm10.3 Nm10.3 Nm最大转矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm2.5传动方法因为通常电机驱动系统输出力矩较小，需要经过传动机构来增加力矩，提升带负载能力。对机器人传动机构通常要求有：（1）结构紧凑，即含有相同传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器输出轴到连杆关节转轴在相同扭矩时角度变形要小，这么能够提升整机固有频率，并大大减轻整机低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这么能够得到较高位置控制精度；（4）寿命长、价格低。 本文所选择电机全部采取了电机和齿轮轮系一体化设计，结构紧凑，含有很强带负载能力，不过不能经过电机直接驱动各个连杆运动。为减小机构运行过程冲击和振动，而且不降低控制精度，采取了齿形带传动。齿形带传动是同时带一个，用来传输平行轴间运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中关键用于腰关节、肩关节和肘关节传动。 齿形带传动原理图2.7所表示。齿轮带传动比计算公式为 齿轮带平均速度为 2.6制动器制动器及其作用：制动器是将机械运动部分能量变为热能释放，从而使运动机械速度降低或停止装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。在机器人机构中，学要使用制动器情况以下： 特殊情况下瞬间停止和需要采取安全方法 停电时，预防运动部分下滑而破坏其它装置。机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等多个。其中最经典是电磁制动器。 在机器人驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身特征决定了电磁制动器是不可缺乏部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动盘式制动器，只有励磁电流经过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力作用下处于制动状态常闭方法。所以这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常见于安全制动场所，所以也称为安全制动器。电气制动器 电动机是将电能转换为机械能装置，反之，她也含有将旋转机械能转换为电能发电功效。换言之，伺服电机是一个能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能经过其反过程来达成制动目标。但对于直流电机、同时电机和感应电机等多种不一样类型电机，必需分别采取合适制动电路。 本文中，该机器人试验平台未安装机械制动器，所以机器人肩关节和轴关节在停止转动时候，会因为重力原因而下落。另外，因为各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能经过软件来实现肩关节和轴关节电气制动。 采取电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量同时又含有制动功效，这是很理想情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽可能避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电时候将失去制动作用。第3章 控制系统硬件3.1 控制系统模式选择构建机器人平台关键是建立机器人控制系统。首先需要选择和硬件平台，控制系统硬件平台对于系统开放性、实现方法和开发工作量有很大影响。通常常见控制系统硬件平台应满足：硬件系统基于标准总线机构，含有可伸缩性；硬件结构含有必需实时计算能力；硬件系统模块化，便于添加或更改多种接口、传感器和特殊计算机等；低成本。到现在为止，通常机器人控制系统硬件平台能够大致分为两类：基于VME总线（Versamodel Eurocard由Motorola企业1981年推出第一代32位工业开放标准总线）系统和基于PC总线系统。多年来，伴随PC机性能快速发展，可靠性大为提升，价格却大幅度降低，以PC机为关键控制系统已广泛被机器人控制领域所接收。基于PC机控制系统通常包含单PC控制模式，PC+PC控制模式，PC+分布式控制器控制模式，PC+DSP运动控制卡控制模式，PC+数据采集卡控制模式，因为基于采集卡控制方法灵活，成本低廉，有利于本文设计中废物利用，在程序和算法上能够自主编制各类算法，适合本课题研究需要。所以本文选定PC+数据采集卡控制方法。3.2控制系统搭建图3.1 控制系统框图3.2.1工控机在此选择研华工业控制机,主频233MHz,内存128兆，32位数据总线。底板有9个ISA插槽，4个PCI插槽，带VGA显示器。其性能价格比优越，兼容性好，有利于软硬件维护和升级。和一般个人计算机相比工业控制PC机有以下优点：芯片筛选要比通常个人计算机严格；芯片驱动能力较强；整机内部结构属于工业加强型，含有较强防震和抗干扰性能；对环境（如温度、湿度、灰尘等）要求要比通常计算机低得多。3.2.2数据采集卡在本设计中我们关键用到研华企业PCL812PG和PCL726，其参数以下。PCL-812PG关键特点： 16路单端12位模拟量输入 2路12位模拟量输出 采样速率可编程，最快达30KHz 带DMA或中止A/D 16路数字量输出PCL-726关键特点： 6路独立D/A输出 12位分辨率双缓冲D/A转换器 16路数字量输入及16路数字量输出 多个电压范围：+/-10V，+/-5V，0+5V，0+10V和420mA电流环。3.2.3伺服放大器 在驱动系统设计过程中，关键是对伺服电机驱动，本文中利用报废机器人上maxon电机驱动关节，所以一样选择maxon伺服电机驱动器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）进行驱动，图3.2所表示，这是专门针对maxon电机设计伺服电机放大控制器，含有很强控制功效和稳定性，电源电压1230v之间，1、2接线端子接伺服电机，直接给电机供电，3，4接线端和电源相连，7、8接控制电压，经过数据采集卡输出模拟电压信号进入这两个接线端来控制电机转速大小和正反转，13、14接测速计（本文中未用），3、4、10之间是一个光耦合器，输入“准备好”信号。在伺服控制器前面，有5个旋钮调整器涌来调整电机五个参数，下边有10个DIP开关，用来选择控制器工作状态。 图3.2伺服放大器接线及其调整示意3.2.4端子板不一样被测信号经过不一样传送路线到采集卡，而采集卡在工控机机箱内，不变直接连接到工业系统中多种传感器或实施器。端子板关键作用有两个：端子板是采集卡和每一个信号调理电路或驱动装置之间电器连接部件，给每一路输入、输出信号提供单独信号线和地线，使每一路通道可单独接通或断开，系统检修和排除故障时无须全部停止运行。将每一路信号经过各自传送路线抵达端子板后，能够依据各路信号和传送路线特点，在端子板上对各路信号进行简单调理，如经电阻衰减、分流或经过RC低通滤波后进入采集卡。图3.3所表示为端子板电路 图3.3端子板电路图3.3所表示电路图中，为预防直流电机产生噪声影响电路正常运行，使用了光电耦合器4N25。在机电一体化技术中，光电耦合电路是关键接口电路。其中PCL-812PG经过五路数字量输出来控制电机电路通断，PCL-726经过五路模拟量输出来控制电机正反转和运行速度，另外PCL-812PG还负责采集五个电位器电压，以此将电机运行角度反馈给计算机。3.2.5电位器及其标定电位器是一个可调电阻，也是电子电路中用途最广泛元器件之一。它对外有三个引出端，其中两个为固定端，另一个是中心抽头。转动或调整电位器转动轴，其中心抽头和固定端之间电阻将发生改变。本文采取电位器是单圈，也就是说各关节运动角度小于360，对于该机器人已经足够了。电位器安装在机器人各个关节输出轴上，所以在关节角运动范围内，电位计输出电压和关节角是一一对应，存在着一定函数关系。从理论上来讲，电位器应该是线性测量元件，但因为电位器滑动噪声和滑线电阻工作过程中磨损，这种函数关系并非理想线性关系，而是存在一定偏移。电位器标定就是依据在各个角度处测量电压值，拟合出一条直线，近似替换真实函数关系。3.2.6电源电位器和伺服放大器全部需要一定电压，尤其是电位计是在10.0v条件下工作，稳定电压对于确保电位计反馈信号真实性含有重大影响；而伺服放大器是在12v30v范围内工作，电压只要在此范围内即可。本文采取DH1715A-3型 双路稳压稳流电源，能够提供032v电压输出和02A电流输出。这里设定两路电压输出：14.0v供给伺服放大器运行，10.0v确保电位计正常工作。第4章 控制系统软件以上完成了机器人本体设计和控制系统硬件搭建，下面将经过设计控制软件，使计算机经过数据采集卡有条不紊地向外部发送指挥信号，最终驱动机器人各个关节运动，使之根据人意愿“工作”。4.1预期功效（1）. 实时显示各个关节角，而且能够预防各个关节运动角度超出预定关 节角范围内；（2）. 实现直流电机伺服控制；（3）. 实现电机自锁；（4）. 实现示教编程及在线修改程序；4.2 实现方法 以模块化程序设计思想为指导，以预期要实现功效作为各个模块，设计控制软件。 从图3.1能够看出，工控机经过数据采集控制 。编程任务其实就是用计算机控制数据采集卡使之发出或获取一系列数字量、模拟量。 研华企业数据采集卡驱动程序中，附带很多和板卡相关函数和数据结构以供使用，极大方便了程序编写。 本文采取了Visual C+作为编程工具。4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 在BOOL CRobotDlg:OnInitDialog()函数中，设置定时器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)，然后在void CRobotDlg:OnTimer(UINT nIDEvent)函数中，经过调用bool CRobotDlg:position_now(USHORT ka1_chan)，采样电位器输出电压，经过前面电位器标定函数，换算出各个关节角度，并显示出来。在void CRobotDlg:OnChangeAngle?Edit()函数中（?表示1，2，3，4，5），将换算出角度和该关节预设运动范围作比较，看其是否在此区间内，不然弹出警告对话框，而且自动停止该关节运动。4.2.2直流电机伺服控制对于大功率直流电机，通常采取PWM控制来调整运行速度，这么能够提升电路及电机运行效率，而本文中电机功率并不是很大，为方便期间，采取了线性控制方法来调速。以关节1为例，和该模块相关函数有OnZ1Button(), OnF1Button(), OnT1Button()，它们分别表示用来控制电机正转、反转和停止，其中电机运行速度靠输入电压值调整；另外一个函数OnRun1Button()是用来实现电机位置伺服控制，在预定关节角范围内，电机能够运行到任何一输入位置停止。4.2.3电机自锁前面在2.7节中讲到该机器人关节上未装制动器，所以必需经过软件程序实现关节自锁，尤其是肩关节和肘关节自锁。处理思绪：大臂和小臂在电机运转时不会因为重力而掉落，在电机停止时候却会下落，因为电机一旦停止，就失去了驱动力矩，所以若想让大臂和小臂停止在预定位置，应该在此位置给关节电机施加一个电压，让它担负起大臂或小臂，而不让其因为重力而下落。不过，在不一样位置，重力对大臂或小臂力矩不一样，应提供给电机电压也不一样，怎样选择电机电压呢？提供给电机电压小了，不足以抵御重力力矩；提供给电机电压大了，会使电机转动，使大臂或小臂上升；所以，最好能经过程序来自适应选择这个制动电压，方法有多个，下面是本文设计过程。 在调用在OnT2Button()或OnT3Button()函数时，先给电机一个0电压，使电机失去驱动力矩，同时调用position_now(USHORT ka1_chan)函数取得此刻关节位置，然后延时一段时间比如0.1s，再给电机一个小电压，形成一个小制动力矩，经过采样此刻位置看其是否能使关节制动；假如不能，则使该电压值根据一定步长线性增加，以增大制动力矩；这经过一个while()循环实现，假如采样位置不再减小，则表示大臂或小臂已停止下落，可跳出循环。下图为程序步骤图：调用OnT2Button()或OnT3Button()函数使电机电压为0，并采样此时位置，将电位器输出值存放在fVoltage_former中考虑到大臂或小臂上升时惯性，循环采样一直到采样值fVoltage=fVoltage_former跳出循环，表示大臂或小臂已经制动在自所位置了4.2.4示教编程及在线修改程序设计方法：当机器人停止在某个位置时，能够统计下在该位置所对应一组关节角，这一组关节角用一个结构体存放struct positionfloat Voltage1;float Voltage2;float Voltage3;float Voltage4;float Voltage5;struct position *next;统计位置同时显示在列表框中，统计位置不超出1000个。为了便于对这些位置作修改，本文采取链表来动态存放这些结构体。当统计结束以后，就能够运行刚才统计一系列位置了，因为采取链表结构存放程序，所以取用这些程序很方便，只需用一个指针从链表首部开始取程序，逐行运行，至到链表末尾即可。程序运行时候，机器人各个关节同时运动，工作效率高；正在运行那行程序，以高亮状态显示。另外，对于统计位置能够做删除、清空等操作。第5章 总结5.1 所完成工作（1） 对试验平台改造 本文利用是报废焊接机器人，要改造成送料机器人，不仅要对末端实施机构进行重新设计，还要重新布线。（2） 对关节轴电位器进行重新标定 因为标定电压不一样，标定曲线和所得函数关系就不一样，本文选择是10v电压。（3） 设计端子板电路及驱动电路 端子板是计算机、板卡控制信号端和机器人电路端“桥梁”，负担着信号调理、驱动放大等任务。（4） 控制软件设计 软件是机器人“大脑思维”，软件设计就是将人意志给予机器人“大脑”。5.2 设计经验（1） 底座设计成长方体不合理当腰关节在不一样位置时，肩关节运动下限不一样，不便于编程；最好将底座设计成圆柱体，而且下面带有法兰支撑。 （2） 最好安装机械制动装置 仅依靠程序来实现制动并不可靠，比如忽然掉电，将无法制动。 （3） 电机上应安装放电回路 电机相当于一个线圈，在电机开启或停止瞬间，会产生很高感应电动势，很可能会对电路中元器件造成破坏，所以要加上稳压或续流元件。（4） 电位器输出电压会在一定范围内会有没有规则波动因为电位器材料电阻率分布不均匀和电刷滑动时接触电阻无规律改变，会引发所谓“滑动噪声”。这造成电位器反馈电压并不正确。（5） 关节角方向及电位器安装关节角最好符合关节角坐标系，而且电位器输出电压最好随关节角增大而增大，这么便于编程。（1） 经过虚拟场景和网络，也能够深入实现对机器人远程监测和控制。（2） 还能够尝试在原有试验平台上加上视觉反馈。（3） 控制界面假如用LabView设计，可能会更方便些。（4） 经过深入完善控制方法和控制结构，能够将控制系统软件嵌入到嵌入式系统上去。参考文件1 Craig, John J. Introduction to robotics. 北京 机械工业出版社， 2 Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 3 索罗门采夫. 工业机器人图册. 北京 机械工业出版社，1993 4 周伯英. 工业机器人设计. 北京 机械工业出版社，19955 郭洪红 贺继林 田宏宇 席巍. 工业机器人技术. 西安电子科技大学出版社，6 三浦宏文. 机电一体化实用手册. 科学出版社 OHM社，7 陈国联 王建华 夏建生. 电子技术. 西安交通大学出版社，8 沈裕康 严武升 杨庚辰. 电机和电器. 北京理工大学出版社，9 罗建军 朱丹军 顾刚 刘路放. 大学C+程序设计教程. 北京：高等教育出版社，10 罗建军 崔舒宁 杨琦. 大学Visual C+程序设计案例教程. 北京：高等教育出版社，