机器人实验平台介绍与机械手的设计.docx

机器人实验平台介绍与机械手的设计摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐步被企业所认同并使用。工业机器人的技术水平与应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人要紧承担着焊接、喷涂、搬运与堆垛等重复性同时劳动强度极大的工作，工作方式通常采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂与机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的操纵系统，包含数据采集卡与伺服放大器的选择、反馈方式与反馈元件的选择、端子板电路的设计与操纵软件的设计，重点加强操纵软件的可靠性与机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包含：关节的伺服操纵与制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程与在线修改程序、设置参考点与回参考点。关键词：机器人，示教编程，伺服，制动ABSTRACTInthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisespaymoreattentionontheautomationdegreeoftheproductionprocessinordertoenhancetheproductionefficiency,andguaranteetheproductquality.Asanimportantpartoftheautomationproductionline,industrialrobotsaregraduallyapprovedandadoptedbyenterprises.Thetechniquelevelandtheapplicationdegreeofindustrialrobotsreflectthenationalleveloftheindustrialautomationtosomeextent,currently,industrialrobotsmainlyundertakethejopsofwelding,spraying,transportingandstowingetc.,whichareusuallydonerepeatedlyandtakehighworkstrength,andmostoftheserobotsworkinplaybackway.InthispaperIwilldesignanindustrialrobotwithfourDOFs,whichisusedtocarrymaterialforapunch.FirstIwilldesignthestructureofthebase,thebigarm,thesmallarmandtheendmanipulatoroftherobot,thenchooseproperdrivemethodandtransmissionmethod,buildingthemechanicalstructureoftherobot.Onthisfoundation,Iwilldesignthecontrolsystemoftherobot,includingchoosingDAQcard,servocontrol,feedbackmethodanddesigningelectriccircuitoftheterminalcardandcontrolsoftware.Greatattentionwillbepaidonthereliabilityofthecontrolsoftwareandtherobotsafetyduringrunning.Theaimstorealizefinallyinclude:servocontrolandbrakeofthejoint,monitoringthemovementofeachjointinrealtime,playbackprogrammingandmodifyingtheprogramonline,settingreferencepointandreturningtoreferencepoint.KEYWORDS:robot,playback,servocontrol,brake目录第1章绪论11.1机器人概述2L2机器人的历史、现状2L3机器人的进展趋势4第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计52.1自由度及关节52.2基座及连杆51.1.1 2.1基座51.1.2 大臂61.1.3 小臂62. 3机械手的设计73. 4驱动方式92.5传动方式112. 6制动器12第3章操纵系统硬件132.1 操纵系统模式的选择142.2 操纵系统的搭建143. 241工控机153.2.2数据采集卡153.2.3伺服放大器163.2.4端子板163.2.5电位器及其标定183. 2.6电源21第4章操纵系统软件213.1 预期的功能213.2 实现方法224.2.1时显示各个关节角及运动范围操纵224.2.2直流电机的伺服操纵224.2.3电机的自锁224. 2.4示教编程及在线修改程序254. 2.5设置参考点及回参考点26第5章总结264.1 所完成的工作265. 2设计经验276. 3误差分析277. 4能够继续探索的方向28致谢29参考文献30第1章绪论1.1 机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（人dustrialRobot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或者通用机器人）。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，习惯性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称之专用机器人，而把工业机械人称之通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或者按照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的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，能够根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、经历智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称之操作机(Manipulator)o它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业,后来进展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中使用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，要紧附属于自动机床或者自动生产线上，用以解决机床上下料与工件传送。这种机器人在国外通常被称之为"MechanicalHand",它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序通常是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不一致又可分为多种类型，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的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都使用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分构成的抓取与移动机构一一执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动一传动系统；像大脑那样指挥手动作的操纵系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。通常而言，机器人通常就是由执行机构、驱动一传动系统与操纵系统这三部分构成，如图IT所示。关于现代智能机器人而言，还具有智能系统，要紧是感受装置、视觉装置与语言识别装置等。目前研究要紧集中在给予机器人“眼睛”，使它能识别物体与躲避障碍物，与机器人的触觉装置。机器人的这些构成部分并不是各自独立的，或者者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必定还存在着相互关联、相互影响与相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。图1-2机器人各构成部分之间的关系机器人的机械系统要紧由执行机构与驱动一传动系统构成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆与关节构成，由驱动一传动系统提供动力，按操纵系统的要求完成工作任务。驱动一传动系统要紧包含驱动机构与传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩与运动所要求的驱动力或者力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统与操纵系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator),相当于本文中的执行机构部分。1.2 机器人的历史、现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合操纵公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，操纵系统是示教型的。日本是工业机器人进展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，要紧依靠人工进行操纵；操纵方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向要紧是降低成本与提高精度。第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机操纵系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各类传感器，把感受到的信息进行反馈,使机器人具有感受机能。第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机与电视设备保持联系，并逐步进展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）与柔性制造单元FMe（FIeXibleManufacturingCell）中的重要一环。随着工业机器人研究制造与应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国与其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISlR决定每年召开一次会议，讨论与研究机器人的进展及应用问题。目前，工业机器人要紧用于装卸、搬运、焊接、铸锻与热处理等方面，不管数量、品种与性能方面还不能满足工业生产进展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，要紧是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，进展较快。目前要紧应用于机床、模锻压力机的上下料，与点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。随着现代化科学技术的飞速进展与社会的进步，针关于上述各个领域的机器人系统的应用与研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性与更强大的编程环境，习惯不一致的应用场合与多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ClM）要求机器人系统能与车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能与智能水平，要求机器人系统具有开放结构与集成各类外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多使用封闭结构的专用操纵器，通常使用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，使用专用微处理器，并将操纵算法固化