【正文】 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。 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(lèi)似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)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(lèi)是專(zhuān)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(xiàn)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(chēng)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。控制系統(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(zhuān)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(lèi)。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)（Manipulator）。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱(chēng)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(lài)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。 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(xiàn)盒子外面，有一個(gè)引入線(xiàn)出口和一個(gè)引出線(xiàn)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)。 。 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(lèi)型。 很高較高基于上述驅(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 Nmcm 傳動(dòng)方式由于一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加力矩，提高帶負(fù)載能力。齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來(lái)傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)。機(jī)械制動(dòng)器：機(jī)械制動(dòng)器有螺旋式自動(dòng)加載制動(dòng)器、盤(pán)式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。因此這種制動(dòng)器被稱(chēng)為無(wú)勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。但對(duì)于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類(lèi)型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。缺點(diǎn)在于：這種方法不如機(jī)械制動(dòng)器工作可靠，斷電的時(shí)候?qū)⑹ブ苿?dòng)作用。到目前為止，一般機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可以大致分為兩類(lèi)：基于VME總線(xiàn)（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)）的系統(tǒng)和基于PC總線(xiàn)的系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的搭建 控制系統(tǒng)框圖 工控機(jī)在此選用研華工業(yè)控制機(jī),主頻233MHz,內(nèi)存128兆，32位數(shù)據(jù)總線(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集卡在本設(shè)計(jì)中我們主要用到研華公司的PCL812PG和PCL726，其參數(shù)如下。在伺服控制器前面，有5個(gè)旋鈕調(diào)節(jié)器用來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的五個(gè)參數(shù)，下邊有10個(gè)DIP開(kāi)關(guān)，用來(lái)選擇控制器工作狀態(tài)。 端子板電路，為防止直流電機(jī)產(chǎn)生的噪聲影響電路的正常運(yùn)行，使用了光電耦合器4N25。它對(duì)外有三個(gè)引出端，其中兩個(gè)為固定端，另一個(gè)是中心抽頭。電位器安裝在機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)輸出軸上，所以在關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，電位計(jì)的輸出電壓和關(guān)節(jié)角是一一對(duì)應(yīng)的，存在著一定的函數(shù)關(guān)系。電位器1的標(biāo)定，如圖 ：圖 電位器1的標(biāo)定關(guān)節(jié)角1與電位計(jì)1的函數(shù)關(guān)系： a=電位器2的標(biāo)定 圖 電位器2的標(biāo)定如圖 ：關(guān)節(jié)角2與電位計(jì)2的函數(shù)關(guān)系： a= 電位器3的標(biāo)定 圖 電位器3的標(biāo)定如圖 ：關(guān)節(jié)角3與電位計(jì)3的函數(shù)關(guān)系： a= 電位器4的標(biāo)定 圖 電位器4的標(biāo)定如圖 ：關(guān)節(jié)角4與電位計(jì)4的函數(shù)關(guān)系： a= 電位器5的標(biāo)定 圖 電位器5的標(biāo)定如圖 ：電機(jī)5與電位計(jì)5的函數(shù)關(guān)系： a= 注： 電源電位器和伺服放大器都需要一定的電壓，穩(wěn)定的電壓對(duì)于保證電位計(jì)反饋信號(hào)的真實(shí)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。 預(yù)期的功能 ，并且可以防止各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度超出預(yù)定的關(guān)節(jié)角范圍內(nèi)；；；； ，使機(jī)器人在空間有一個(gè)固定的參考位置，可以回參考點(diǎn)。 研華公司的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序中，附帶許多與板卡相關(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(xiě)。 直流電機(jī)的伺服控制對(duì)于大功率的直流電機(jī)，一般采用PWM控制來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，這樣可以提高電路及電機(jī)的運(yùn)行效率，而本文中的電機(jī)功率并不是很大，為方便期間，采用了線(xiàn)性控制方法來(lái)調(diào)速。但是，在不同的位置，重力對(duì)大臂或小臂的力矩不同，應(yīng)提供給電機(jī)的電壓也不同，如何選取電機(jī)的電壓呢？提供給電機(jī)的電壓小了，不足以抵抗重力的力矩；提供給電機(jī)的電壓大了，會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使大臂或小臂上升；所以，最好能通過(guò)程序來(lái)自適應(yīng)選擇這個(gè)制動(dòng)電壓，方法有多種，下面是本文的設(shè)計(jì)過(guò)程。 此后，針對(duì)這種反彈現(xiàn)象對(duì)程序作過(guò)多次修改，結(jié)果都不太理想，所以就嘗試換一種方法。選擇結(jié)果：kp=,