工业机器人机械手及其控制系统设计

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1、吉林大学珠海学院本科毕业论文 毕 业 设 计工业机器人机械手及其控制系统设计Design of industrial robot manipulator and its control system系别：机械与汽车工程系专业名称：机械设计制造及其自动化学生姓名：郭仕杰学号：06101315指导教师姓名、职称：贺秋伟 副教授完成日期 2014 年4月 30 日25吉林大学珠海学院毕业设计任务书姓名郭仕杰学号06101315班级1013班系别机械与汽车工程系专业机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目工业机器人机械手及其控制系统设计指导教师贺秋伟所在单位吉林大学珠海学院任务：研究内容：本课题将设

2、计一台四自由度的工业机器人，将会被用作自动送料装置。主要工作部件及设计重点就是机械手。第一，本人将设计该机器人的底座、大臂、小臂以及执行机构机械手爪的结构和模型；第二，再设计出适合于该机器人的驱动、传动方式，以期构成其的结构平台。最后，在此基础上再将其控制系统设计出来，由下面几个步骤组成：数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计。其中重点要加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终要实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。研究方法、手段及步骤：1

3、、 研究机械手的机械结构，并绘制机械零件图和装配图2、 机械手驱动、传动方式的选择3、 控制系统模式的选择4、 研究所选控制系统的构成及搭建5、 控制系统软件的选择及操作6、 误差与性能提升分析时间安排：下发任务书时间 2013年11月中旬至2013年12月31日开题报告上交时间 2014年1月15日（须经指导教师审核通过）外文翻译上交时间 2014年1月15日毕业论文中期检查时间 2014年3月15日毕业论文、图纸完成时间 2014年4月30日答辩时间 2014年5月初参考资料：1、 工业机器人技术 西安电子科技大学出版社2、 机电传动控制 华中科技大学出版社3、 工业机器人图册 机械工业出

4、版社4、 机电一体化实用手册 科学出版社5、 控制电气及应用 清华大学出版社6、 C语言程序设计教程 华南理工大学出版社7、 机械制造装备设计 机械工业出版社8、 电工与电子技术 高等教育出版社9、 机电一体化技术 西安电子科技大学出版社10、机械技术基础 机械工业出版社11、大学C+程序设计教程 高等教育出版社12、大学Visual C+程序设计案例教程 高等教育出版社13、Industrial robot technology Oxford Press14、Craig, John J. Introduction to robotics15、Basilio Bona and Aldo Cur

5、atella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 200516、Introduction to Robotics Mechanics and Control - Third Edition - John J. Craig系专家组审核意见：吉林

6、大学珠海学院机械与汽车工程系 2014 年 01 月 01日摘要工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高新技术。这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用。工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸多方面有着举足轻重的地位。而机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一；是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分；是提高生产过程自动化、改

7、善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。本课题将设计一台四自由度的工业机器人，将会被用作自动送料装置。主要工作部件及设计重点就是机械手。第一，本人将设计该机器人的底座、大臂、小臂以及执行机构机械手爪的结构和模型；第二，再设计出适合于该机器人的驱动、传动方式，以期构成其的结构平台。最后，在此基础上再将其控制系统设计出来，由下面几个步骤组成：数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计。其中重点要加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终要实现的目标包括：关节的伺

8、服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。关键词：工业机器人；机械手；驱动；控制AbstractIndustrial robot technology is one of the important fields in the development of new technologies in recent years, is a cross, a variety of emerging technology and mechanical technology integration with microelectronics

9、 technology as the leading into a comprehensive high and new technology. This technology 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 quality of products, to

10、speed up the update products, improve production efficiency, promote manufacturing flexibility, strengthen enterprise and national competitiveness etc. The manipulator is the traditional task execution mechanism of industrial robot system, is one of the key components of the robot; is a product of m

11、odern control theory and automation of industrial production practice, and to become an important part of modern mechanical manufacturing system; it is one of the effective ways to improve the production process automation, improve working conditions, to improve the product quality and production ef

12、ficiency. Especially with a radioactive pollution in high temperature, high pressure, dust, noise and occasions, more widely applied.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

13、 is manipulator. First, the base, I will design the 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 system, consisting of the follow

14、ing steps: the design of data acquisition card and servo amplifier selection, feedback system and the feedback component selection, terminal board circuit design and control software. The key to strengthen the security of operation reliability and robot control software, to achieve the ultimate goal

15、s include: Joint servo control and brake problems, real-time monitoring the movement of each joint of robot, robot teaching programming and online modify the program, set the reference point and the reference point return.Key Words：Industrial robot; Manipulator; Drive; Control目录1绪论11.1工业机器人简介11.1.1发

16、展史11.1.2特点11.1.3构造分类21.1.4 应用31.2国内外发展状况41.2.1 国外发展41.2.2 国内发展51.3工业机器人发展趋势52 工业机器人试验平台及机械手设计62.1机械手设计62.1.1机械手简介62.1.2 机械手分类62.1.3具体结构设计72.2工业机器人基座与连杆设计92.2.1基座的设计92.2.2大臂设计92.2.3小臂设计102.3工业机器人自由度及关节的设计102.4选择合适的驱动方式112.4.1电机驱动112.4.2液压驱动122.4.3气压驱动122.4.4驱动方式的确定132.5选择合适的传动方式132.6选择合适的制动器143控制系统硬件

17、的组成153.1选择合适的控制系统模式153.2建立合适的控制系统模型164控制系统软件的选取和设计194.1预期实现动作194.2实现手段194.2.1 各关节运动控制及监测194.2.2 直流电机伺服控制204.2.3 电机自锁204.2.4 程序的在线修改与示教控制224.2.5 参考点的设置225总结225.1设计经验225.2 误差分析235.3 总体评价23致谢23参考文献241绪论1.1 工业机器人简介1.1.1 发展史1920年由著名捷克斯洛伐克作家查培克所作剧本罗萨姆的万能机器人里第一次出现了“机器人”这个名词，但最初”Robot”一词是苦力的意思，指的是一台类人的且具有特殊

18、功能的机器，为一种人造苦力。这就是最原始的的工业机器人假想。进入20世纪中期，有越来越多的人开始关注机器人的研究。其中美国橡树岭实验室就开始对可控的搬运核原料机械手进行了研究。其控制系统为主从型控制系统，这种控制方式促进了近代工业机器人的研发和设计。1954年工业机器人的概念由美国人戴沃尔最早提出且申请专利。这是一种借助伺服系统控制机器人关节并利用人手对其动作示教，从而达到动作记录与再现的工业机器人，即示教再现机器人。该控制模式成为当前主流的机器人控制方式。1959年，美国Unimation 公司生产出了世界上第一台工业机器人，成为机器人发展史上的一块里程碑。该公司VAL语言也成为机器人领域最

19、原始的程控语言，并逐渐传播于各个大学及科研机构，成为机器人品牌的基本模版，而且其机械部分的结构也成为该行业的范本。在工业机器人领域，日本也不甘落后，在经过了20世纪60年代的摇篮期，70年代的实用化时期，以及80年代的普及、提高期3个基本阶段后，日本的工业机器人已经取得了突飞猛进的发展。现在，日本机器人主要用于汽车制造业和电子机械产业，而电子机械产品中的电子零件封装、半导体封装、无尘室、组装等领域占了日本机器人销售额的一半。现在日本拥有机器人的总量为美国的7倍。1.1.2特点工业机器人具有以下显著特征：（1） 通用性：在执行不同作业任务时，一般的工业机器人都具有良好的通用性（特别设计的专用机器

20、人除外）。例如：为了让同一部工业机器人执行不同的任务，我们可只更换其末端执行机构（机械手爪，作业工具等）；（2） 可编程：柔性启动化是生产自动化的下一发展目标。为了让工业机器人在小批量多品种且具有均衡高效率的柔性制造任务中发挥更好的功能，我们需要根据其工作环境的需要对其进行相应的编程和再编程，这是柔性制造系统中的重要组成部分。（3） 拟人化：除了在机械结构上工业机器人有类似人的移动机构（下肢）、腰部、大臂、小臂、手腕、手爪等之外，在控制系统上还有类似人脑的计算机。而且，新兴的智能化机器人还具有许多类人生物传感器，例如，视觉、声觉、嗅觉传感器，皮肤接触传感器，力传感器，负载传感器以及语言功能等等

21、。正是因为有了传感器，工业机器人对周围环境的适应能力才有了很大提高。（4） 涉及学科较复杂广泛：工业机器人涉及的知识面非常广泛，概括来讲主要为机械学科和微电子学科的结合，即机电一体化技术。第三代智能机器人不仅能够通过各种传感器获得外界信息，而且还具有逻辑推理、图像识别、言语理解等人工智能，这些都与微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用息息相关。所以，机器人技术的发展必将推动其他领域的发展，越来越成为衡量一个国家工业化水平发展的重要依据。1.1.3构造分类工业机器人由控制系统、驱动系统和主体三个基本部分构成。其中机座和执行机构（包括手部、腕部、臂部）构成了机器人的主体；动力装置与传动机构组成了

22、机器人的驱动系统；控制系统主要是根据输入程序对驱动系统和主体发出各种指令集进行控制。工业机器人按照不同的分类方式可分为不同的种类：按臂部运动形式：工业机器人按照臂部运动形式可分为四类，直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。按执行机构运动的控制机能：可分为两类，点位型和连续轨迹型。点位型指的是控制其执行机构由一点到另一点的精确定位，通常适用于上下料机构，一般电焊、搬运、装卸等；连续型可实现按照输入程序指定的轨迹连续作业，通常适用于涂装、；连续焊接等。按程序输入方式：可分为编程输入型和示教输入型

23、两类。编程输入型指可通过串口或以太网通信方式将计算机中已编好程序文件传送至机器人控制柜；而示教输入型指的就是示教再现型工业机器人。智能型工业机器人指能够在复杂环境下工作，且具备触觉、力觉或简单视觉以及识别功能或进一步增加自适应、学习等功能的复杂机器人。附图：图1-1 机器人一般构成图1-2机器人各部分间相互关系1.1.4 应用在现代工业生产中，工业机器人不仅能够代替人类做很多单调、频繁、重复的长时间作业任务，还能有效承担高风险，极端恶劣环境下的作业，例如在原子能领域，完成有害核废料的搬运或处理工作。20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的

24、独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。1.2 国内外发展状况1.2.1 国外发展1954年，美国人戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利要点为借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，使其实现动作的记录和再

25、现，被称为示教在现机器人，现有机器人基本上都是该控制方式。1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司Unimation公司，并参与设计了第一台Unimate机器人。这是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人，手臂控制由一台专用计算机完成。它采用分离式固体数控元件，并装有存储信息的磁鼓，能够记忆和完成180个工作步骤。与此同时，另一家美国公司AMF公司也开始研制工业机器人。它主要用于机器之间的物料运输，采用液压驱动。该机器人的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。一般认为，这两种机器人是世界上最早的工业机器人。随

26、着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉与触觉就是典型的代表。这些技术的发展推动了机器人概念的延伸。20世纪80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称之为智能机器人。水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术扩散和渗透到各个领域，便形成了各式各样的新机器机器人化机器。当前，与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。美国的机器人技术一直处于世界领先水平。在19671974年的几年时间里，由

27、于政府对机器人发展重视度不够，且机器人处于发展初期，价格昂贵，适用性不强，所以发展缓慢。此后，由于美国机器人协会、制造工工程师协会积极主动的进行机器人技术推广工作，且美国为了高效生产，适应市场多变的需求，以机器人为核心的柔性自动化生产线恰好有这些优点，所以机器人技术得以迅猛发展。日本机器人的发展经过了20世纪60年代的摇篮期，70年代的实用化时期，以及80年代的普及、提高期3个基本阶段。在1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国引进机器人。1968年，日本川崎重工业公司与美国Unimation公司缔结国际技术合作协议，引进机器人。1970年，日本机器人实现国产化。从此，日本进入了开发和应用机

28、器人时期。几年后，美国反而要向日本进口机器人。1983年，美国从日本进口机器人占进口机器人总数的78%。日本政府和企业一直充分信任机器人，大胆使用机器人。在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量、降低产品成本方面，机器人发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，是日本汽车及电子产品生产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大幅降低，从而使日本汽车能够以廉价的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场。据统计，2007年日本机器人的销售额为5850亿日元，其中出口额达到3730亿日元。日本推动机器人发展的主要原因是向海外发展

29、的日本企业数量逐渐增加，同时海外的汽车制造商也开始积极地引进日本机器人。现在，日本机器人主要用于汽车制造业和电子机械产业，而电子机械产品中的电子零件封装、半导体封装、无尘室、组装等领域占了日本机器人销售额的一半。现在日本拥有机器人的总量为美国的7倍。1.2.2 国内发展我国工业机器人起步于上世纪1970年初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。1970年我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高

30、技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途

31、的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。1.3 工业机器人发展趋势智能化、仿生化是工业机器人的最高阶段，随着材料、控制等技术不断发展，实验室产品越来越多的产品化，逐步应用于各个场合。伴随移动互联网、物联网的发展，多传感器、分布式控制的精密型工业机器人将会越来越多，逐步渗透制造业的方方面面，并且由制造实施型向服务型转化。就目前总的发展形势来看，工

32、业机器人会有以下发展趋势：(1)通过提高运动速度和运动精度，减少不必要的空间和质量的占用；通过工业机器人功能部件模式化和标准化的加速，达到将其不同模块统筹协调的目的；（2）为适应不同场合作业任务的要求，必须设计研发出各种新型结构的工业机器人，例如：为了达到精度要求而研发出微动机构，为了达到机动灵活的目的而研发出多指灵巧手或移动是工业机器人；（3）为了让其更好地适应多变的外部环境，以期获取更多外部信息，就需研发各种类型的传感器和检测元器件，包括视觉、触觉、听觉、味觉传感器以及距离检测、压力监测、加速度检测、陀螺仪等装置，而且微机控制越来越成为主流的控制方式。2 工业机器人试验平台及机械手设计本设

33、计的主要目的就是利用手头上一部已经报废掉了的喷涂机器人，在此基础上进行适当的改造和创新，重新设计出一台物料搬运机器人。其中重点部分就是机械手的设计。2.1机械手设计2.1.1机械手简介机械手是工业机器人的重要组成部分，是其直接执行机构，又称为末端操作器，它是机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷头、焊具、扳手、喷枪等）并进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。随着近年来工业自动化水平的迅速发展，机械手正逐渐发展成为一门新兴的学科，并且发展地越来越快，成为自动化领域中常见的控制对象。其不仅被广泛地应用于诸如喷漆、装配、焊接、冲压、锻造等行业，而且在高温、有毒、

34、高放射性等恶劣环境中也经常看到机械手的身影。由于机械手能够有效地提高生产效率，改善劳动条件，减轻人类的劳动量，因此在工业自动化领域，机械手越来越受到人们的重视。2.1.2 机械手分类因为被握工件材质、质量、形状、尺寸以及表面粗糙度等因素的差异，所以工业机器人机械手的种类是很繁多的，我们可以大概地将其分为以下几种：（1） 吸附式取料手；（2） 夹钳式取料手；（3） 仿生多指灵巧手；（4） 专用转换器及操作器；（5） 其他类机械手。2.1.3具体结构设计本次设计对象为自动送料工业机器人，只需设计出能从各个角度位置抓取物件的钳形手爪，并不需要设计出结构复杂的仿生多指灵巧手。工业机器人机械手指直接与物

35、件相接触。通过手指的开闭来实现松开和加紧物件。本次设计使用两根手指，其结构外形如下图所示：图2-1 该工业机器人机械手指形状为了实现加紧和松开物料的目的，传动机构须向机械手指传送动力或运动。我们可以根据其张开、闭合的特征将其运动分为平移型和回转型两种。此次设计采用回转型传动机构。在此，我们将其初步机械手结构图设计出来，如下图所示：图2-2 机械手结构简图在图2-2中，O点为电机的输出轴，其中滑块B、连杆AB、曲柄OA以及支架构成了简单的曲柄滑块机构；而连杆CE、BC、滑块B以及支架则构成了摇杆滑块机构。最终电机能够驱使连杆DE往复摆动就是通过以上两个机构的串联实现的，从而达到手指开闭的目的。图

36、2-2中的蓝线与黑线代表该机构运动的极限位置。另外，为了给手指的加紧提供足够的预紧力，也为了使手指更加顺利地加紧和松开物料，特意在两根手指之间连接了一根弹簧。因此，在考虑选取电机时，一定要让电机具有足够的功率来克服弹簧的弹力，这样才能使手指顺利松开和加紧，且提供足够的夹紧力。为了形象真实的的表示机械手指的工作状况，我们可以选用适当的软件给予仿真处理，本次设计选取的软件为虚拟样机ADAMS软件。之所以选择ADMS，是因为其方便易用，容易上手。机械手各机构工况分析如下图所示：图 2-3 ADAMS仿真虚拟场景接下来就是更重要的数据计算了，我们可以利用该软件求出所需电机的力矩等参数。图 2-4 所需

37、电机力矩变化示意图由图2-4，我们可以得知，初始阶段电机克服弹簧的弹力是最大的，因此所选取的电机力矩须大于550 Nmm，数据结果可能会有误差，但还是有很大参考价值的。2.2工业机器人基座与连杆设计2.2.1基座的设计基座是工业机器人的重要组成部分，是其主要的支撑部件。在此，我们采用两块儿“Z”型球墨铸铁作为支撑，以期达到稳定的目的。电机所有的驱动、反馈信号都从基座上方的接线盒中出入。因此需要在接线盒外部设计出两个出口，分别为引入线出口和引出线出口。基座简图如下：图 2-5 基座简图2.2.2大臂设计统筹机器人总体尺寸，达到整体的协调，故将大臂长度设计为230mm，其具体参数如下图所示：图2-

38、6 大臂简图2.2.3小臂设计与大臂设计规则相似，将小臂尺寸定为240mm，其具体参数如下图所示：图2-7 小臂简图2.3工业机器人自由度及关节的设计之前我们已经设计出了工业机器人的机械手、基座、大臂和小臂等部件，为使该机器人能够整体协调作业且高效完成物料搬运任务，故将其设计为四个自由度：腕关节、肘关节、肩关节和腰关节，且都为转动关节。另外末端为执行机构搬运机械手。为了形象地表示其整体结构，我们不妨用UG将其三维模型创建出来，这样整个机器人的结构就基本上确定下来了。如下图所示：图2-8 该机器人三维模型2.4选择合适的驱动方式此工业机器人共有四个自由度，即四个转动关节，外加末端执行机构机械手，

39、总共需提供5个动力机构。电机驱动、液压驱动和气压驱动是工业机器人最常见的几种驱动方式。此3种驱动模式各有特点，也各有所长。2.4.1电机驱动电机驱动的优点：（1） 输出功率较大；（2） 控制精度较高，且反应灵敏，可实现高速、高精度连续轨迹控制；（3） 伺服特性好，伺服电机易于标准化控制，结构性能好，噪声低，无密封问题；（4） 设备自身无爆炸、火灾风险；（5） 对环境基本上没有影响，绿色环保。缺点：（1） 控制系统较为复杂，不便于维修，成本较高；（2） 通常情况下，电机需要配备减速装置，难以直接驱动；（3） 若使用直流有刷电机，其换向时会产生火花，如遇可燃气体易爆炸。适用范围：通常适用于中小型负

40、载、速度较高且有较高控制精度的工业机器人。2.4.2液压驱动液压驱动的优点：（1） 输出功率很大，便于重载启动；（2） 控制精度高，可达到连续轨迹控制；（3） 响应速度很高，反应灵敏，可达到无级调速；（4） 结构紧凑，可直接驱动，且可对执行机构模拟化、标准化；（5） 维修使用较方便；（6） 防爆性能较好。缺点：（1） 存在较大密封问题，易泄漏；（2） 若用液压油作为传动媒介，容易发生火灾；（3） 对环境有污染。适用范围：通常情况下，适用于低速重载工业机器人。2.4.3气压驱动气压驱动的优点：（1） 结构简单，维修使用方便，成本较低；（2） 结构紧凑，体积较小，可直接驱动；（3） 密封问题小，防

41、爆能力较高；（4） 响应速度较高，反应灵敏。缺点：（1） 由于其气体压缩性比较大，造成控制精度低，低速时难以达到高精度控制的目的；（2） 对设备的抗压性要求较高；（3） 噪音较大，对环境有一定影响。适用范围：通常适用于控制精度较低的中小负载工业机器人。2.4.4驱动方式的确定既然以上三种驱动方式各有千秋，那个我们就需要整体把握该自动送料机器人的具体要求：a）、驱动装置质量要求足够轻，输出功率、效率要求足够高；b）、力矩与转动惯量的比值要求足够大，即响应速度要快，可以实现频繁启动，正反切换；c）、灵敏度高，误差要小；d）、噪音小，绿色无污染；e）、结构适当，成本较低；f）、便于操作维修，安全可靠

42、。根据以上驱动要求，统筹兼顾各个方面，此次设计我们不妨选择直流伺服电机驱动方式。各个关节电机型号及其参数如下表所示：表2-1 工业机器人各驱动电机参数电机参数机械手爪腕关节肘关节肩关节腰关节型号MULTIPLEX STELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVOMAXON2332MAXON2332MAXON2332转子惯量18.4gcmcm18.4gcmcm18.4gcmcm最高转速9200rpm9200rpm9200rpm额定电压6v6v18v18v18v额定转速5460rpm5460rpm7980rpm7980rpm7980rpm额定转矩10.3 Nm10.3 Nm18.2

43、Nm18.2 Nm18.2 Nm最大转矩67.4Nm67.4 Nm67.4Nm2.5选择合适的传动方式通常情况下，采用电机驱动方式输出力矩比较小，为了增强其负载能力，必须增加相应的传动机构来增大力矩。综合考虑该机器人的工况条件，对其传动机构提出以下几点要求：a)、寿命较长，成本较低；b）、结构紧凑，质量较小；c）、传动刚度要求足够大；d）、回差尽可能小，以便获得更高的控制精度。根据以上传动要求，再统筹兼顾各种传动方式的特点，此次设计采用齿形带传动的方式，这样能够有效减少运动过程中各个机构的冲击和振动，增加平稳度，而且能够保证其控制精度的要求。齿形带传动也属于同步带传动，可将回转运动转化为直线运

44、动，通常用于平行轴间运动或力矩的传递，此次设计中，肘关节、肩关节和腰关节的传动采用的就是该传动方式。其传动原理如下图所示：图2-9 齿形带传动原理其传动比计算公式类似齿轮轮系间传动公式：则其平均速度为：2.6选择合适的制动器制动器就是将机械运动过程中的机械能转化为内能，通过热量的释放使机械能减少，从而降低运动速度降低或停止运动装置。通常分为两种类型：电气制动器与机械制动器。电气制动器：电动机不仅可以将电能转化为机械能，而且在一定条件下还可以将机械能转化为电能。同样的，伺服电机就是一种可以把电能转化为机械能以实现驱动，同时也可以将机械能转化为电能以实现制动的能量转化装置。对于不同种类的机电应采用

45、合适的制动电路。机械制动器：机械制动器种类繁多，包括电磁制动器、闸瓦式制动器、盘式制动器、螺旋式自动加载制动器等。最具有代表性的就是电磁制动器，其工作原理为：当有励磁电流通过电机线圈时，由弹簧力制动的盘式制动器处于打开状态，不具有制动效果；当电源断开，线圈中没有励磁电流时，制动器在弹力作用下处于常闭状态，具有制动能力。被称之为无励磁动作型电磁制动器。又由于安全制动场合经常用到该制动器，因此也被称为安全制动器。该自动送料机器人在以下两种状况下会使用到制动器：a)、一定条件下瞬间停止，并采取安全措施时；b）、突发断电时，使用制动器以阻止接下来的自然运动，避免其损坏其它装置。此次设计，该机器人的肘关

46、节和肩关节在停转后，会受重力作用继续向下运动，因为该机器人没有装备机械制动器。为了方便起见，我们可以采用软件以实现肘关节、肩关节的电气制动，而不必要在其原有机构上增加机械制动器。这样做的优点有：不必在机器人原有机构上增加机械制动器，这样就避免了质量的增加，而且可以有效制动。但也存在缺陷，因为没有机械制动器，所以断电后不能有效制动。3控制系统硬件的组成3.1选择合适的控制系统模式设计有效的控制系统是该自动送料工业机器人的核心之所在。由于控制系统的硬件对系统的各个方面有着决定性的影响，因此第一步我们先要选择硬件平台。通常情况下，控制系统应该满足以下几点要求：a)、价格合理，成本较低；b）、系统模块

47、化程度较高，以便增加或者改变传感器、接口以及微型计算机等设备；c）、必须具备实时数据计算和分析能力；d）、系统可伸缩性大。通常情况下，机器人的控制系统硬件平台分为两种，即基于PC总线和基于VME总线的系统。随着微型计算机的迅猛发展，其控制效果得到了显著改善，硬件配置也不断提高，而成本却越来越低，因此基于PC总线的控制系统逐渐成为主流的工业机器人控制系统。微机控制系统通常有以下几种模式：a）、单PC控制模式；b）、Double PC控制模式;c）、PC+数据采集卡模式；d）、PC+DSP运动控制卡模式；e）、PC+分布式控制器模式。此次设计选择PC+数据采集卡控制系统，因为该种控制系统成本较低，

48、且控制方式灵活，有利于自主编程，相对较符合本设计研究的需要。3.2建立合适的控制系统模型该控制系统由工控机、数据采集卡、伺服放大器、端子板、电位器以及电源构成。接下来根据控制需求及成本确定合适的型号即可。对于工业控制PC机，考虑到其兼容性、硬件维护与升级以及成本等因素，我们可以选择研祥集团EVOC工控机，其具体参数详见说明书。对于数据采集卡，选择研华16路数字量输出的PCL812PG和6路独立D/A输出的PCL726，其集体参数详见说明书。对于伺服系统，核心就是伺服电机的选取。考虑到其稳定性、可控性及成本，我们可以利用一台已经报废的工业机器人上的Maxon伺服电机驱动器，其具体参数详见说明书。

49、接线与调试如下图所示：图3-1 Maxon伺服电机驱动器接下来选择合适的端子板。由于采集卡不便与每个传感器直接相连，被测信号须经过端子板的调理进入采集卡，因此端子板作用是举足轻重的。在端子板电路接线的设计中，考虑到电机对其它电路的影响，我们特意使用了光电耦合器，这也是机电一体化技术中的重要元器件。其电路如下图所示：图3-2 端子板电路简图电位器实际上就是一种可调电阻，安装于该机器人的各个关节输出轴，可根据其输出电压与关节角的一一对应关系，求出相应的方程。由于该机器人各关节运动角度均小于360度，因此我们可以选择单圈电位器，成本较低且满足其控制要求。电位器理论上是线性元件，然而由于滑动磨损及噪音

50、的影响，实际上其输出函数并不是一条直线，即存在偏移。因此需要对各电位器进行标定，即通过测量出若干组数据，绘制出直线，用于替换实际的复杂函数。其具体标定如下图所示： 图3-3 电位器1、2的标定图3-4 电位器3、4的标定最后根据各图像，计算出相应的函数关系式，标定工作完成。要保证控制系统的正常运行，需要提供14v的电压，而要保证电位器的正常工作，则需要提供10v的电压。因此我们选择可供给0至32伏特输出，0至2安培输出的双路稳流稳压电源，其型号为DH1715A-3。至此我们基本上已经完成了控制系统模型的搭建，如下图所示：图3-5 该机器人控制系统简图4控制系统软件的选取和设计之前我们已经构建了

51、该机器人的三维结构模型与控制系统模型，接下来就需要通过计算机和数据采集卡向其发送各种指令，驱动其各个关节运动，使其能够按照人的意愿完成自动送料任务。这就需要对其控制软件进行设计。4.1预期实现动作a）、使各个关节在其运动角度范围之内完成各项动作任务，并予以实时显示与检测；b）、电机可自锁；c）、直流电机可根据控制要求完成伺服控制；d）、达到在线修改编程和示教再现目的；e）、可使该机器人以空间中的一个点为参考点完成各项作业任务，并能回到该原点。4.2实现手段由图3-5可得出以下结论：工程控制计算机是通过数据采集卡发出或者获取各种信号（数字信号、模拟信号）来实现对工业机器人控制的目的。因此就需要对

52、其进行编程，我们可以将程序设计模块化，将其要实现的功能分为多个模块，分别设计完成。此次设计选取的数据采集卡驱动程序中自带了我们所需的所有数据和函数，大大地提高了编程的效率。本次设计选取VC+为编程软件。4.2.1 各关节运动控制及监测在相应函数中设置定时器，再调用库函数，根据电位器测得电压和电位器标定函数关系式，计算各关节回转角度，并记录。再将该组数据与相应关节运动范围做比较，可判断是否超出范围，若超出区间，就弹框示警并自动停止其运动。其具体步骤如图所示：图4-1 函数的调用4.2.2 直流电机伺服控制为了提高电路与直流电机运作的效率，通常情况下使用PWM来调节较大功率直流电机的运行速率。由于

53、此次设计中的直流电机功率不大，我们可以采取线性控制的方式对其进行速度调节。对于第一个关节来说，与之相关函数有OnT1Button、OnF1Button以及OnZ1Button，代表的含义分别为电机的停转、反转和正传，其运行速率靠电压调节。为了对电机的位置进行伺服控制，使之在允许的运动角度范围之内可运行至任意输入位置，可以调用关键函数OnRun1Button。4.2.3 电机自锁由于此自动送料机器人各个关节均没有安装机械制动器，断电后不能有效制动，因此我们需要通过软件编程对其进行自锁控制，特别针对肘关节与肩关节。实验中遇到的问题与相应解决办法：在电机的驱动下大臂和小臂虽受重力却不会自由落体，但电

54、机一旦断电，由于驱动力不足其必然会自然下落。为了使其在电机停转后停止在预设位置，我们可以考虑给其关节处电机施加适当的电压，这样在其反向电流产生的阻力矩下，大臂和小臂就会保持平衡。不过还存在一个问题，因为大臂和小臂在不同位置，其需要的平衡力矩是不同的，所以施加电压不是恒定的，这样就需要根据其停留位置确定其需要施加电压的值。提供电压过大或过小都不能达到制动的目的，太小不足以平衡重力矩，太大反而会使其瞬间上升。因此我们可以通过编程实现自动选择控制电压。程序设计方法不唯一，经过多次实验和验证，我们可以选择效果最优的程序控制方案。以下是我们选择的较优方案：该方案选择常见的PID控制方式，不仅可以有效制动

55、，而且避免了施加电压过大产生的反弹。其程序流程如下图所示：图4-1 程序流程图经实验验证，符合控制要求。其控制框图如下：图4-2 程序控制框图4.2.4 程序的在线修改与示教控制程序设计思路：在这个阶段，我们需要记录该机器人停止在某位置时所对应的关节角度，并用相应的结构体对其进行存储。为了便于修改位置，此次设计选取链表对这些结构体进行动态存储：记录结束后，点击运行所记录位置，运行过程中，机器人各关节都会运作，且运行的程序会以高亮度显示出来。而且我们还可以对所记录位置进行清空、删除等操作。4.2.5 参考点的设置为了使该机器人在程序启动或退出时停留在预定参考点上，可以在函数中对其进行设置，且在程

56、序运行中也可设置。回参考点的程序设置同上，这样我们就完成了对该工业机器人进行控制的所有程序的编制。5总结5.1设计经验1）、底座形状一定要设计合理；2）、如果有条件，最好配备机械制动器；3）、电位器要正确安装，且其输出电压值不稳定，有机械振动：4）、关节角范围要设置合理。5）、设计存在各种误差，虽然不能消除，但要尽可能减少误差，使其在允许范围之内。5.2 误差分析在这里重点对误差来源进行分析，以便确定误差性质，进而改进。1）、该工业机器人自身基座与工作台表面，其他关节之间的的平行度误差以及腰关节转轴垂直度误差；2）、齿轮传动存在间隙，齿形带存在切向变形；3）、装配存在误差；4）、运行时存在机械

57、振动；5）、电源工作电压不稳定，以及电位器存在滑动噪声，导致反馈电压不精确；6）、程序制动存在响应延迟，不能实现实时控制，效果不如机械制动器；7）、连杆受力变形以及关节转动都存在误差。5.3 总体评价由于自身学识有限，设计过程中不免会有不妥甚至错误之处，但总的来讲，该工业机器人的实验还是成功的。所完成的工作主要有以下几个方面：1）、利用一台报废的工业机器人，重新设计和改造执行机构，重新布线，使其满足自动送料机器人的要求：2）、选择合适的电位器并对其进行标定，绘制线性曲线，计算函数关系式；3）、驱动电路以及端子板电路的设计和接线；4）、控制软件的编程与设计。致谢通过这次毕业设计，我感觉自己不仅理

58、论知识很匮乏，而且不善于将理论用于实践。虽然有些理论知识掌握的很熟练了，但是一做具体的事情，就显得不知所措。毕竟“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，学习的范围不限于书本，学习的范围太广泛了，正所谓“学无止境”。而真正能锻炼的不是课本习题，不是考试试卷，而是实践，“实践是检验真理的唯一标准”这句话用在这里恰到好处！由于自己学识有限，在很多细节问题上肯定还有不少疏漏，还请老师和同学给予斧正。本课题的选题及研究过程都是在贺秋伟老师精心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，贺老师都始终给予我细心的指导和强大的支持。在此谨

59、向贺老师致以真诚地感谢和敬意！参考文献1、 工业机器人技术 西安电子科技大学出版社2、机电传动控制 华中科技大学出版社3、工业机器人图册 机械工业出版社4、机电一体化实用手册 科学出版社5、控制电气及应用 清华大学出版社6、C语言程序设计教程 华南理工大学出版社7、机械制造装备设计 机械工业出版社8、电工与电子技术 高等教育出版社9、机电一体化技术 西安电子科技大学出版社10、机械技术基础 机械工业出版社11、大学C+程序设计教程 高等教育出版社12、大学Visual C+程序设计案例教程 高等教育出版社13、Industrial robot technology Oxford Press14

60、、Craig, John J. Introduction to robotics15、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, Spain, April 200516、Introduction to Robotics Mechanics and Control - Third Edition - John J. Craig