【正文】 下幾類： 四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 11 本文設(shè)計(jì)對(duì)象為 物料搬運(yùn) 機(jī)器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)能從不同角度抓取工件的鉗形指。 基座上面是接線盒子，所有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和反饋信號(hào)都從中出入。 四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 9 第 2 章 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái) 物料搬運(yùn) 機(jī)器人，利用現(xiàn)有已經(jīng)報(bào)廢的焊接機(jī)器人，本文的中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要偏向于對(duì)原有機(jī)構(gòu)的改造和機(jī)械手的設(shè)計(jì)。目前我國(guó)已開(kāi)始有計(jì)劃地從國(guó)外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)獲得快速的發(fā)展。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由 25 臺(tái)機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動(dòng)線。 年至今一直處于 推廣應(yīng)用和 技術(shù)發(fā)展階段。 19631966 年，萬(wàn)能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在 EPROM 中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工操作的，主要是在危險(xiǎn)作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作 業(yè)的環(huán)境。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 第二代機(jī)器人正在加緊研制。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。 位 形 檢 測(cè)控 制 系 統(tǒng) （ 二 ）驅(qū) 動(dòng)傳 動(dòng)裝 置執(zhí) 行機(jī) 構(gòu)工 作 對(duì) 象智 能 系 統(tǒng)控 制 系 統(tǒng) （ 一 ） 圖 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系 機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。 要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 5 等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu) —— 執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像 肌肉那樣 使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控 制系統(tǒng)。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。 簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)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。 “工業(yè)機(jī)器人”（ Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國(guó)內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人）。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。工業(yè)機(jī)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(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)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(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運(yùn)送物料。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種 轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是 由單片機(jī)或 dsp 等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。 機(jī)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(dòng)化裝置。 機(jī)器人一般分為三類。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（ Manipulator）。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱之為“ Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。其中四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 6 的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī) (Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。 日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。 隨著工業(yè)機(jī)器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。 1967 年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為 1900 型。 19701972 年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型 機(jī)器人。很快研制出國(guó)產(chǎn)化機(jī)器人，技術(shù)水平很快趕上美國(guó)并超過(guò)其他國(guó)家。 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 自由度及關(guān)節(jié) 圖 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 該機(jī)器人有四個(gè)自由度，即腰關(guān)節(jié) 、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。接線盒子外面，有一個(gè)引入線出口和一個(gè)引出線 出口。 手指是直接與工件接觸的部件。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 圖 中的粗線和細(xì) 線表示機(jī)構(gòu)運(yùn)行的兩個(gè)極限位置。 圖 虛擬樣機(jī)場(chǎng)景 下面更進(jìn)一步計(jì)算出所需要的電機(jī)力矩。 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種類型。 基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本文選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。m Nm cm 為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。 在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，需 要使用制動(dòng)器的情況如下： ，防止運(yùn)動(dòng)部分下滑而破壞其他裝置。從原理上講，這種制動(dòng)器就是用彈簧力制動(dòng)的盤式制動(dòng)器，只有勵(lì)磁電流通過(guò)線圈時(shí)制動(dòng)器打開(kāi)，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開(kāi)線圈中無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)，在彈簧力的作用下處于制動(dòng)狀態(tài)的常閉方式。換言之，伺服電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，同時(shí)也能通過(guò)其反過(guò)程來(lái)達(dá)到制動(dòng)的目的。 采用電氣制動(dòng)器，其優(yōu)點(diǎn)在于：在不增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì) 量的同時(shí)又具有制動(dòng)功能，這是非常理想的情況，而在機(jī)器人上安裝機(jī)械制動(dòng)器會(huì)使質(zhì)量有所增加，故應(yīng)盡量避免。一般常用的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)應(yīng)滿足：硬件系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)總線機(jī)構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實(shí)時(shí)計(jì)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(jì)算機(jī)等；低成本。因此本文選定 PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制方式。與普通個(gè)人計(jì)算機(jī)相比工業(yè)控制 PC 機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：芯片篩選要比一般個(gè)人計(jì)四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 18 算機(jī)嚴(yán)格；芯片驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)； 整機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于工業(yè)加強(qiáng)型，具有較強(qiáng)的防震和抗干擾性能；對(duì)環(huán)境（如溫度、濕度、灰塵等）的要求要比一般計(jì)算機(jī)低得多。 伺服放大器 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 過(guò)程 中，主要是對(duì) 伺服電機(jī) 的驅(qū)動(dòng)，本文中利用報(bào)廢機(jī)器人上的maxon 電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，因此同樣選用 maxon 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（ maxon motor control4QDC Servo Control LSC 30/2）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖 所示，這是專門針對(duì) maxon 電機(jī)設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)放大控制器，具有很強(qiáng)的控制功能和穩(wěn)定性，電源電壓 12~30v 之間， 2 接線端子接伺服電機(jī)，直接給 電機(jī)供電， 3， 4 接線端與電源相連， 8 接控制電壓，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)入這兩個(gè)接線端來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)， 1 14 接測(cè)速計(jì)（本文中未用）， 10 之間是一個(gè)光耦合器，輸入“準(zhǔn)備好”信號(hào)。 端子板的主要作用有兩個(gè)： ，給每一路輸入、輸出信號(hào)提供單獨(dú)的信號(hào)線和地線，使每一路通道可單獨(dú)接通或斷開(kāi)，系統(tǒng)檢修和排除故障時(shí)不必全部停止運(yùn)行。在機(jī)電一體化技術(shù)中，光電耦合電路是重要的接口電路。轉(zhuǎn)動(dòng)或 調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其中心抽頭與固定端之間的電阻將發(fā)生變化。 從理論上來(lái)講，電位器應(yīng)該是線性的測(cè)量元件，但由于電位器的滑動(dòng)噪聲以及滑線電阻的工作過(guò)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。 本文采用 DH1715A3 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。 實(shí)現(xiàn)方法 以模塊化程序設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，以預(yù)期要實(shí)現(xiàn)的 功能 作為各個(gè)模塊，設(shè)計(jì)控制軟件。 本文采用了 Visual C++作為編程工具。 以關(guān)節(jié) 1 為例 ， 與該 模塊 相關(guān)的函數(shù)有 O