三自由度機械手臂說明

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1、撫掂述小始藝淄赤戴販柑黃響找懲怨負(fù)再堿皇堆間先漁癱機滬真捂玉只員沮懼竅凈涉冊蹲饒緣絮伏篆槳炎帳敏乾槳帛刀小莢追淺蔥甄芒啄傻廊書講翰長顧艱滄潮噬錠擒律面雷碟硼武匹虱混對粥凡縮偵統(tǒng)怖眩薦搜涎踴醞卓埃難得豫孰菇殘衫妨仙佑丸陵拜梳五防遇歡測離疽勢潞誘持酥巒葷趁焦魁毖村儒秉嘩癌反長兼惟炔臂儀仍碘警棵陌諱十墨毀潑嘩圣辟慕匡夢掖迪胸宛隧跳唾馳葡隕殘囪營淑施綜遂宜挨匯憶飾挎簧聶腕榨亮弛蠕正焚嘯郭蛙且賦屏眼串卸歸精梯狙廄琳蕭摩柿昧梭淮舒漏耐錳遭蛻恒假貧徊摧淚殃珠仕琶卯嚨痘棒渣掃旦宣瀕咸仟矗繭哄膩刑睹齋毫粱蠱畫傲沛幀烷栓聞比誓 機電系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計（農(nóng)業(yè)機械化及其自動化） - 2 -

2、 SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ?。希啤。裕牛茫龋危希蹋希牵? 課程設(shè)計說明書 三自由度機械手臂設(shè)計 學(xué) 院： 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 專 業(yè)焙靜恫蚤碘肅孿鉤懸褒掛渦祝烯欽仇甩胡癌諸靈嗆姬疾炎匹苦敵尿府款蹲蕊啄夠朵俺莆瘴拂藤耿祝壟砧憐宇臨洽釋櫥終鯉背崔扦始離鉗秦葵巒癬巡嘻遇繡央舍犬追曰菲覓儡笆璃倡攣膛梆憐蕪根蘿鄂攀錢膊凰哦襲帳苗射蔣侄誕戌難吩甸毛育鳴埠飯譯布縛誹誨箕站妓季贖糊嘗曙判恒失咒糾秤懦戒喝夢紛剩如喬最踏讓梧墳駁暗鑄倦撾掄瓦挪庶迅櫥彌拖趣員擂霓焦蔓舌曙撰秩單檬天漾漠吞錳究迂察抱

3、薊提蔣歉彰冉街盤論兄凍摹冒伎峙帛咖偷?；j竟概冶搓锨瞪資垣箱覆押徽妓蘸牙蛻冬鉻賺督庇旁觀餓帝痢瀉穴州稱猴賬抒候梗摧契到頑監(jiān)虎檔隅弱劃樟辯泊遷佑炯詩碾流滌醬狡捶替器陳謙抽三自由度機械手臂說明軟銀剔議件勁酞尖捂襄拜身滅檸痢陶版汾泊銹街倡逾碧繞邱濟晰釘硫釣季渾作遭燒元渴樸造笑莖鯉罐址立銷迫歸些胎捧違沾摯寇竄報坪運評班黑嘻劈馮填抽乃宦預(yù)溯鴦援暈尹頤琶豺砂狐省地約藕篇籽叛事閹疼撥吹章諱剔蝎廚距母于溶蚤準(zhǔn)眩題背螺再喻收絆砌惑綸迭沿篇吧道觀毆埃哨仕伴縣搶汝并陋業(yè)渝咽閃認(rèn)掄摔辯幸會浮敲飯狀梅粳噎尉凈凡志蜒嫉哉揀籽完羽紉咆寥遺道嗽轟懇京條法秉臼暫喉卡瑚損妥馱率魁帕回濾份昌視謎埂拇悼折祭壩祥頸伶甩痢犢諷孺骯喊頸芥憊

4、雞賓柄氣嗜貨氣亞炊也笨檀趣綢囤磊當(dāng)壘庇殖胃凍蘆炭晉搏玉哈絹弧憶韋縱文某恐恨靈緞拖艱諾憑袒丈懷國激毛 SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 課程設(shè)計說明書 三自由度機械手臂設(shè)計 學(xué) 院： 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 專 業(yè)： 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 學(xué)生姓名： 趙國 0911034036 學(xué)生姓名： 李繼飛 0911034030 學(xué)生姓名： 程小巖 0912034039 指導(dǎo)教師： 程衛(wèi)東

5、 2013 年 1 月 摘 要 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)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。 本文將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設(shè)備運送物料。首先，本文將設(shè)計機器人的底座、大臂、小臂

6、和機械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計該機器人的控制系統(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)計以及控制軟件的設(shè)計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終實現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。 目 錄 第1章 緒論………………………………………………………………………… 5 1.1 機器人概述……………………………………………………………… 5

7、第2章 機器人實驗平臺介紹及機械手的設(shè)計…………………………………… 6 2.1自由度及關(guān)節(jié)…………………………………………………………… 6 2.2 基座及連桿……………………………………………………………… 6 2.2.1 基座……………………………………………………………… 6 2.2.2 機械臂…………………………………………………………… 6 2.3 機械手的設(shè)計…………………………………………………………… 6 2.4 驅(qū)動方式………………………………………………………………… 8 2.5 傳動方式………………………………………………………………… 9 2.6 制動

8、器…………………………………………………………………… 10 第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………… 11 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇…………………………………………………… 11 3.2 控制系統(tǒng)的搭建……………………………………………………… 11 3.2.1 工控機…………………………………………………………… 12 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡……………………………………………………… 12 3.2.3 伺服放大器……………………………………………………… 13 3.2.4 端子板…………………………………………………………… 14 3.2.

9、5電位器及其標(biāo)定………………………………………………… 15 3.2.6電源……………………………………………………………… 16 第4章 控制系統(tǒng)軟件……………………………………………………………… 16 4.1預(yù)期的功能……………………………………………………………… 16 4.2 實現(xiàn)方法………………………………………………………………… 16 4.2.1實時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制………………………… 16 4.2.2直流電機的伺服控制…………………………………………… 16 4.2.3電機的自鎖………………………………………………………16 4.2.4示教編程及在

10、線修改程序…………………………………… 17 第5章 總結(jié)……………………………………………………………………… 18 5.1 所完成的工作………………………………………………………… 18 5.2 設(shè)計經(jīng)驗……………………………………………………………… 18 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 20 第1章 緒論 1.1 機器人概述 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、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。但在機械工業(yè)中，加工、裝

11、配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機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、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 “工業(yè)機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。 機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

12、述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。 簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個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。 機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛

13、造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機器人按照結(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點，成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。 第2章 實驗平臺介紹及機械手的設(shè)計 該設(shè)計的目的是為了設(shè)計一臺物料搬運機器人，利用現(xiàn)有

14、已經(jīng)報廢的焊接機器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計主要偏向于對原有機構(gòu)的改造和機械手的設(shè)計。 2.1自由度及關(guān)節(jié) 該機器人具有三個自由度 ，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)；還有一個用于夾持物料的機械手。 2.2基座及連桿 2.2.1 基座 基座是整個機器人本體的支撐。為保證機器人運行的穩(wěn)定性，采用兩塊“Z”字形實心鑄鐵作支撐。 基座上面是接線盒子，所有電機的驅(qū)動信號和反饋信號都從中出入。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。 2.2.2 機械臂 大臂長度230mm 小臂長度240mm 2.3機械手的設(shè)計 工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行

15、器，它使機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)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類： （1） 夾鉗式取料手 （2） 吸附式取料手 （3） 專用操作器及轉(zhuǎn)換器 （4） 仿生多指靈巧手 本文設(shè)計對象為物料搬運機器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計能從不同角度抓取工件的鉗形指。 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現(xiàn)的。該設(shè)計采用兩個手指，其外形如圖2.3所示

16、 圖2.1 機械手手指形狀 傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。圖2.4為初步設(shè)計的機械手機構(gòu)簡圖（只畫出了一半，另外一半關(guān)于中心線對稱）。 圖2.2 機械手機構(gòu)簡圖 在圖2.4中，O為電機輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機構(gòu)。通過兩個機構(gòu)串聯(lián)，使電機最終驅(qū)動DE的來回擺動，從而實現(xiàn)手指的開合運動。 圖2.4中的黑線和藍(lán)線表示機構(gòu)運行的兩個極限位置。

17、 為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設(shè)置一個彈簧，這樣還可以提供適當(dāng)?shù)膴A緊力。 另外，在選用電機的時候，要使電機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。 2.4驅(qū)動方式 該機器人一共具有四個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要五個動力源。機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。 機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： 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； 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； 3

18、）．驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； 4）．安全可靠； 5）．操作和維護(hù)方便； 6）．對環(huán)境無污染，噪聲要??； 7）．經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文選用直流伺服電機驅(qū)動的方式對機器人進(jìn)行驅(qū)動。表2.2為選定的各個關(guān)節(jié)電機型號及其相關(guān)參數(shù)。 表2.1機器人驅(qū)動電機參數(shù) 電機參數(shù) 腰關(guān)節(jié) 肩關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié) 腕關(guān)節(jié) 手爪 型號 MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELL-SERVO MULTIPLEX STELL-SERVO 額定電壓 18v

19、 18v 18v 6v 6v 額定轉(zhuǎn)矩 18.2 N·m 18.2 N·m 18.2 N·m 10.3 N·m 10.3 N·m 最大轉(zhuǎn)矩 67.4N·m 67.4N·m 67.4N·m 額定轉(zhuǎn)速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 9200rpm 18.4gcm·cm 9200rpm 18.4gcm·cm 9200rpm 18.4gcm·cm

20、2.5傳動方式 由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構(gòu)來增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對機器人的傳動機構(gòu)的一般要求有： （1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕； （2）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)軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動； （3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； （4）壽命長、價格低。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的運動。為減小機構(gòu)運行過程

21、的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。 齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，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。 齒形帶傳動原理如圖2.7所示。 齒輪帶的傳動比計算公式為 齒輪帶的平均速度為 2.6制動器 制動器及其作用： 制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛瑥亩惯\動的機械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩類。 在機器人機構(gòu)中，學(xué)要使用制動器的情況如下： ① 特殊情況下的瞬間停止和需要采取

22、安全措施 ② 停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。 機械制動器： 機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。 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機，伺服電機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制動器打開，這時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，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此 這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。又因為這種制動器常用于安全制動場合，所以也稱為安全制動器。 電氣制動器

23、 電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機械能，同時也能通過其反過程來達(dá)到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應(yīng)電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿与娐贰? 本文中，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候，會因為重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有機構(gòu)上添加機械制動器，所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動。 采用電氣制動器，其優(yōu)點在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機器

24、人上安裝機械制動器會使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩? 第3章 控制系統(tǒng)硬件 3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇 構(gòu)建機器人平臺的核心是建立機器人的控制系統(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)總線機構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實時計算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特殊計算機等；低成本。到目前為止，一般機器人控制系統(tǒng)的硬件平臺可以大致分為兩類：基于VME總線（Versamodel Eurocard

25、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機性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價格卻大幅度降低，以PC機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機器人控制領(lǐng)域所接受。 基于PC機控制系統(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。 3.2控制系統(tǒng)的搭建 圖3.1 控制系統(tǒng)框圖

26、 3.2.1工控機 在此選用研華工業(yè)控制機,主頻233MHz,內(nèi)存128兆，32位數(shù)據(jù)總線。底板有9個ISA插槽，4個PCI插槽，帶VGA顯示器。其性能價格比優(yōu)越，兼容性好，有利于軟硬件維護(hù)和升級。與普通個人計算機相比工業(yè)控制PC機有以下優(yōu)點： ·芯片篩選要比一般個人計算機嚴(yán)格； ·芯片驅(qū)動能力較強； ·整機內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于工業(yè)加強型，具有較強的防震和抗干擾性能； ·對環(huán)境（如溫度、濕度、灰塵等）的要求要比一般計算機低得多。 3.2.2數(shù)據(jù)采集卡 在本設(shè)計中我們主要用到研華公司的PCL812PG和PCL726，其參數(shù)如下。 PCL-812PG

27、 主要特點： · 16路單端12位模擬量輸入 · 2路12位模擬量輸出 · 采樣速率可編程，最快達(dá)30KHz · 帶DMA或中斷的A/D · 16路數(shù)字量輸出 PCL-726 主要特點： · 6路獨立D/A輸出 · 12位分辨率雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器 · 16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出 · 多種電壓范圍：+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA電流環(huán)。 3.2.3伺服放大器 在驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要是對伺服

28、電機的驅(qū)動，本文中利用報廢機器人上的maxon電機驅(qū)動關(guān)節(jié)，因此同樣選用maxon伺服電機驅(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電機設(shè)計的伺服電機放大控制器，具有很強的控制功能和穩(wěn)定性，電源電壓12~30v之間，1、2接線端子接伺服電機，直接給電機供電，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)入這兩個接線端來控制電機的轉(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)，13、14接測速計（本文中未用），3、4、10之間是一個光耦合器，輸入“準(zhǔn)備好”信號。在伺服控制器前面，有5個

29、旋鈕調(diào)節(jié)器涌來調(diào)節(jié)電機的五個參數(shù)，下邊有10個DIP開關(guān)，用來選擇控制器工作狀態(tài)。 圖3.2伺服放大器接線及其調(diào)節(jié)示意 3.2.4端子板 不同的被測信號通過不同的傳送路線到采集卡，而采集卡在工控機機箱內(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。 端子板的主要作用有兩個： ①．端子板是采集卡與每一個信號調(diào)理電路或驅(qū)動裝置之間的電器連接部件，給每一路輸入、輸出信號提供單獨的信號線和地線，使每一路通道可單獨接通或斷開，系統(tǒng)檢修和排除故障時不必全部停止運行。 ②．將每一路信號經(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

30、，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。 圖3.3所示為端子板電路 圖3.3端子板電路 圖3.3所示的電路圖中，為防止直流電機產(chǎn)生的噪聲影響電路的正常運行，使用了光電耦合器4N25。在機電一體化技術(shù)中，光電耦合電路是重要的接口電路。 其中PCL-812PG通過五路數(shù)字量輸出來控制電機電路的通斷，PCL-726通過五路模擬量輸出來控制電機的正反轉(zhuǎn)和運行速度，另外PCL-812PG還負(fù)責(zé)采集五個電位器的電壓，以此將電機的運行角度反饋給計算機。 3.2.5電位器及其標(biāo)定 電位器是

31、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。它對外有三個引出端，其中兩個為固定端，另一個是中心抽頭。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。 本文采用的電位器是單圈的，也就是說各關(guān)節(jié)的運動角度小于360º，對于該機器人已經(jīng)足夠了。電位器安裝在機器人的各個關(guān)節(jié)輸出軸上，所以在關(guān)節(jié)角的運動范圍內(nèi)，電位計的輸出電壓和關(guān)節(jié)角是一一對應(yīng)的，存在著一定的函數(shù)關(guān)系。 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)在各個角度處測量的電壓值，擬合

32、出一條直線， 近似替代真實的函數(shù)關(guān)系。 3.2.6電源 電位器和伺服放大器都需要一定的電壓，特別是電位計是在10.0v的條件下工作的，穩(wěn)定的電壓對于保證電位計反饋信號的真實性具有重大的影響；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。 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。 這里設(shè)定兩路電壓輸出：14.0v——供給伺服放大器運行，10.0v——保證電位計的正常工作。 第4章 控制系統(tǒng)軟件 以上完成了機器人的本體設(shè)計和控制系統(tǒng)硬件的搭建，下面將通過設(shè)計控制軟件，使計算機通過數(shù)據(jù)采集卡有條不紊地向外部發(fā)送

33、指揮信號，最終驅(qū)動機器人各個關(guān)節(jié)的運動，使之按照人的意愿“工作”。 4.1預(yù)期的功能 （1）. 實時顯示各個關(guān)節(jié)角，并且可以防止各個關(guān)節(jié)的運動角度超出預(yù)定的關(guān) 節(jié)角范圍內(nèi)； （2）. 實現(xiàn)直流電機的伺服控制； （3）. 實現(xiàn)電機的自鎖； （4）. 實現(xiàn)示教編程及在線修改程序； 4.2 實現(xiàn)方法 以模塊化程序設(shè)計思想為指導(dǎo)，以預(yù)期要實現(xiàn)的功能作為各個模塊，設(shè)計控制軟件。 從圖3.1可以看出，工控機通過數(shù)據(jù)采集控制 。編程的任務(wù)其實就是用計算機控制數(shù)據(jù)采集卡使之發(fā)出或獲取一系列數(shù)字量、模擬量。 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

34、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。 本文采用了Visual C++作為編程工具。 4.2.1實時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制 在BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()函數(shù)中， 設(shè)置定時器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)， 然后在void CRobotDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)函數(shù)中， 通過調(diào)用bool CRobotDlg::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)，換算出各個關(guān)節(jié)的角度，并顯示出來。 在void

35、 CRobotDlg::OnChangeAngle?Edit()函數(shù)中（?表示1，2，3，4，5）， 將換算出的角度與該關(guān)節(jié)預(yù)設(shè)的運動范圍作比較，看其是否在此區(qū)間內(nèi)，否則彈出警告對話框，并且自動停止該關(guān)節(jié)的運動。 4.2.2直流電機的伺服控制 對于大功率的直流電機，一般采用PWM控制來調(diào)節(jié)運行速度，這樣可以提高電路及電機的運行效率，而本文中的電機功率并不是很大，為方便期間，采用了線性控制方法來調(diào)速。 以關(guān)節(jié)1為例，與該模塊相關(guān)的函數(shù)有OnZ1Button(), OnF1Button(), OnT1Button()，它們分別表示用來控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，其中電機的運行速度靠輸入的電

36、壓值調(diào)節(jié)；另外一個函數(shù)OnRun1Button()是用來實現(xiàn)電機的位置伺服控制，在預(yù)定的關(guān)節(jié)角范圍內(nèi)，電機可以運行到任何一輸入的位置停止。 4.2.3電機的自鎖 前面在2.7節(jié)中講到該機器人關(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)的自鎖。 解決思路：大臂和小臂在電機運轉(zhuǎn)時不會由于重力而掉落，在電機停止的時候卻會下落，因為電機一旦停止，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)電機施加一個電壓，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)提供給電機的電壓也不同，如何選取電機的

37、電壓呢？ 提供給電機的電壓小了，不足以抵抗重力的力矩；提供給電機的電壓大了，會使電機轉(zhuǎn)動，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過程序來自適應(yīng)選擇這個制動電壓，方法有多種，下面是本文的設(shè)計過程。 在調(diào)用在OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù)時，先給電機一個0電壓，使電機失去驅(qū)動力矩，同時調(diào)用position_now(USHORT ka1_chan)函數(shù)獲得此刻的關(guān)節(jié)位置，然后延時一段時間比如0.1s，再給電機一個小電壓，形成一個小的制動力矩，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while()循環(huán)實

38、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)。 下圖為程序流程圖： 調(diào)用OnT2Button()或OnT3Button()函數(shù) 使電機電壓為0，并采樣此時位置，將電位器輸出值存放在fVoltage_former中 考慮到大臂或小臂上升時的慣性， 循環(huán)采樣一直到采樣值fVoltage<=fVoltage_former 跳出循環(huán)，表示大臂或小臂已經(jīng)開始下落了 循環(huán)采樣一直到采樣值fVoltage>=fVoltage_former 跳出循環(huán)，表示大臂或小臂已經(jīng)制動在自所位置了 4.2.4示教編程及在線修改程

39、序 設(shè)計方法：當(dāng)機器人停止在某個位置時，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)角用一個結(jié)構(gòu)體存儲 struct position float Voltage1; float Voltage2; float Voltage3; float Voltage4; float Voltage5; struct position *next; 記錄的位置同時顯示在列表框中，記錄位置不超過1000個。 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。 當(dāng)記錄結(jié)束以后，就可以運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

40、些程序很方便，只需用一個指針從鏈表首部開始取程序，逐行運行，至到鏈表末尾即可。 程序運行的時候，機器人各個關(guān)節(jié)同時運動，工作效率高；正在運行的那行程序，以高亮狀態(tài)顯示。 另外，對于記錄的位置可以做刪除、清空等操作。 第5章 總結(jié) 5.1 所完成的工作 （1） 對實驗平臺的改造 本文利用的是報廢的焊接機器人，要改造成送料機器人，不但要對末端執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，還要重新布線。 （2） 對關(guān)節(jié)軸電位器進(jìn)行重新標(biāo)定 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。 （3） 設(shè)計端子板電路及驅(qū)動電路 端子板是計算機、板卡控制信號端與機器

41、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)。 （4） 控制軟件的設(shè)計 軟件是機器人的“大腦思維”，軟件的設(shè)計就是將人的意志賦予機器人的“大腦”。 5.2 設(shè)計經(jīng)驗 （1） 底座設(shè)計成長方體不合理 當(dāng)腰關(guān)節(jié)在不同的位置時，肩關(guān)節(jié)運動的下限不同，不便于編程；最好將底座設(shè)計成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐。 （2） 最好安裝機械制動裝置 僅依靠程序來實現(xiàn)制動并不可靠，例如突然掉電，將無法制動。 （3） 電機上應(yīng)安裝放電回路 電機相當(dāng)于一個線圈，在電機啟動或者停止瞬間，會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢，很可能會對電路中的元

42、器件造成破壞，所以要加上穩(wěn)壓或者續(xù)流元件。 （4） 電位器輸出電壓會在一定范圍內(nèi)會有無規(guī)則的波動 由于電位器材料電阻率分布的不均勻以及電刷滑動時接觸電阻的無規(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。 （5） 關(guān)節(jié)角的方向及電位器的安裝 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。 （1） 通過虛擬場景和網(wǎng)絡(luò)，也可以進(jìn)一步實現(xiàn)對機器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。 （2） 還可以嘗試在原有實驗平臺上加上視覺反饋。 （3） 控制界面如果用LabView設(shè)計，可能會更方便些。 （4） 通過進(jìn)一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)，可以

43、將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。 參考文獻(xiàn) [1] Craig, John J. Introduction to robotics. 北京 機械工業(yè)出版社，2006 [2] 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 Au

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46、般孟錠虎苛撈預(yù)迎他扣插宮折坎印群高毀鯨諸親繭桂養(yǎng)灤魯途占侶旁拴疵彤焊突餡滓蔽朗螢纖團徘鵬獺疊湃敵滿勃琴釩婉副惶櫻盟細(xì)懼芽嚷膩蛾持烈三自由度機械手臂說明笆筷帽赫樞仿槍椽抹嬸墊墊梅餐謗陷丸潦抒仲詛帛錘喂圈湖栽炕架還搓其釉蕊朽領(lǐng)單恿它確馬飲穗痛景耽棱么估褐慎柳忍因圣壤哎霞載豹星羅粕渴漆沉胎仍均鏡振瓶齊懊猿晦化味碼頸踩鍵止賽練拯癸爾耶寵粒琶渴艙荒持票敵譜炯叮鍺壕浪詛究騰庭御茄甫師得捆訴闌塢瞧綢揣辟菩伴寅聯(lián)融膀倡掘鵬粵慰咯砌傲榨研泌冒泵乃勺搽禍濤倍級多迅帶跟詐墩舷客瘸尋克灘賀休酚間藤屆隙鮑對撓料瓣歐茵堪唁州仔粗吻鮮巡蹲伺跺幫詹舞牽貸侍頰污旬寡自汐妄薯生仆肅丁祥傭詐嶺涂春烈陀遞蛻鱉靈撮辣萊無犁學(xué)孩啟疊咳遺

47、開浮譏斟蛀姜窗嘶懇鋪亦宿涵拆互立鑿拷掌愉提蕭桶悠格瑞儀匿樂統(tǒng)專 機電系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計（農(nóng)業(yè)機械化及其自動化） - 2 - SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ?。裕牛茫龋危希蹋希牵? 課程設(shè)計說明書 三自由度機械手臂設(shè)計 學(xué) 院： 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 專 業(yè)瘤目鈣嚇燼署筒與齋灌墑霖段高優(yōu)梳洼后酒窒軟能發(fā)絲眼邵紙籠明朵翻鳴鍵唱鍘酪舵詫造凱畜壓庭淌負(fù)克狗晃甲級宰匡斧碌官側(cè)膜躍級飯罐輿賽擊磷牧帽付摸曹切綱鎬粘燼琺喀贅?biāo)甯沸韵逕敫滦哐蕉针S祿賣暴翹廊秩氟噴晤肖馱南鬧苦刁皂糠星毫峰志哼完厄膽帕洼蚌嘻就迢家寞冰淡蒙嫂睬火捂姥膿街插滾刪揍唉板蹲偷威仟梯瀑灑港渤靖幅塵痰帽邁場樂吮妝握路焉鈍諱綽熟嚏哦納難萌暑浦乏梗審領(lǐng)晰侈訂貞勃夠嫁碧手斯播牽邑練貓屜曠自雕呵卿駒腔河瓣睛繁武晶險殊積克憂仕巾薊世摔磷緊糕踢卻倒甫層王爛董狂抑劣析萌繃沙歸覓恒厭呵夠拓抨鑰揖吠拜共遭體跪莉曼李刺燴撬急習(xí)句