【正文】 ??? 90~30 3 )90(3 ?? ?0 2a 0 ?? 90~0 4 )0(4 ?? ?90 0 4d ??? 90~120 5 )0(5 ?? ??90 0 0 ??? 90~90 6 )0(6 ?? ?90 0 0 ??? 180~180 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 連桿坐標(biāo)系建立如圖 32所示。計算結(jié)果為 60T =???????????? ??100010010010421100ddaa 這與教學(xué)機器人的初始位姿情況完全一致，經(jīng)過手算和 MATLAB驗證，計算完全正確。 SimMechanics 仿真模型見圖 。 設(shè)置 手臂的初始位置為各關(guān)節(jié)臂桿處于豎直狀態(tài)，手臂的動作為腰部關(guān)節(jié)做 30 度的旋轉(zhuǎn)然后大臂小臂分別向下轉(zhuǎn)動90度和 30度的范圍，使手爪處于目標(biāo)物件處，最后腰部再旋轉(zhuǎn) 60度使手爪能將目標(biāo)物體置于指定位置。針對本教學(xué)機 器人的各項要求，本章主要完成機器人的機構(gòu)設(shè)計。 ???????? ???? 7777 ji ljlijji lijliji jijijji ij JglmJglmT ?? (42) im ， lim —— 如表 ； ijl —— 極限位置時，第 i關(guān)節(jié)質(zhì)心所在的鉛垂線距第 j關(guān)節(jié)軸線的距離； ijJ —— 極限位置時，第 i關(guān)節(jié)質(zhì)量對第，關(guān)節(jié)軸線的轉(zhuǎn)動慣量， 2ijiij rmJ ? ， 其中， ijr 第 i關(guān)節(jié)質(zhì)心到第 j關(guān)節(jié)軸線的距離； lijJ —— 極限位置時，第 i號臂板對第 j關(guān)節(jié)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 (當(dāng) 4,2?i 時，lijJ 為 0) ， 2lijlilij rmJ ? ，其中 lijr 為第 i號臂板到第 j關(guān)節(jié)軸線的距離 ； j? —— 極限位置時，第 j關(guān)節(jié)的角加速度。顯然在此位置是，關(guān)節(jié) 3所受到的轉(zhuǎn)矩為最大。電機的額定扭矩乘以減速比再乘以效率后應(yīng)該大于哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 32 關(guān)節(jié)極限力矩，并有一定余量。當(dāng)基座固定時，轉(zhuǎn)動箱體旋轉(zhuǎn)形成所要的運動。 第三關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。 本教學(xué)機器人運動速度較慢而且平穩(wěn)，無大的沖擊，但是從 結(jié)構(gòu)可以看出關(guān)節(jié) 5的輸出軸較為細長而且承受較大的彎矩，因此有必要進行強度校核。 mmNTMM e ?????? )( 2222 ? (7)校核軸徑 軸徑 mmmmMdb ][ 3313??????? (8)判斷危險截面 初步分析可知，顯然在截面 A處承受力矩、彎矩較大，有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下面對其進行校核。 。 根據(jù)末端手臂的自重及負載情況，先簡化其模型如下圖所示。 (5)許用應(yīng)力 許用應(yīng)力值用插入法，由機械設(shè)計查得 [ b1?? ]=60MPa， 則折合系數(shù)為 ][ ][ 01 ??? ? bb??? (6)畫當(dāng)量彎矩圖 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 mNT ???? ? 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩圖見圖 (h)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 37 1手掌殼體 2連桿 1 3連桿 2 4手指 5指墊 6螺釘 7彈簧 8銷釘 9法蘭盤 圖 手爪裝配圖 關(guān)鍵零件的校核 為了保證軸的正常工作，要對軸的工作能力進行計算，即對軸的強度、 剛度和振動穩(wěn)定性等方面進行計算。采用的是哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 33 瑞士的 AMAX電機，減速器，編碼器，置于大臂臂板尾端以 利于平衡，而傳動方式則是在電機和減速器軸端連接聯(lián)軸器，通過傳動軸傳遞力矩，利用錐齒輪傳動進行傳動。當(dāng)電機軸轉(zhuǎn)動時，柔輪相對剛輪以一定的傳動比傳 遞電機軸的轉(zhuǎn)速。現(xiàn)將各參數(shù)歸納如 表 所示。按式 (42)計算得： 5T = (3)第 4關(guān)節(jié) 如圖 4． 1，第 4關(guān)節(jié)受：負載周向扭轉(zhuǎn)力和加速度附加扭矩 (4__5臂板、第5關(guān)節(jié)、第 6關(guān)節(jié)偏心力忽略 )。 關(guān)節(jié)極限力矩由重力負載 (包括設(shè)計的任務(wù)負載重量 )和加速度負載組成。 最后建立了機械手和機械爪的機構(gòu)仿真模型，并模擬了機器人工作的末端軌跡。下面介紹本教學(xué)機器人的關(guān)節(jié)位置控制。因此，本模型選用 SimMechanics 工具箱作為 其建模和仿真工具 [21]。 633161 TTT? =??????????????1000111111111111zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaon (33) 其中， xn1 =(c2c3s2s3)*(c4c5c6s4s6)(c2s3+s2c3)*s5c6 yn1 =(s4c5c6+c4s6) zn1 =(s2c3+c2s3)*(c4c5c6s4s6)+(s2s3+c2c3)*(s4c5c6+c4s6) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 xo1 =(c2c3s2s3)*(c4c5s6s4c6)+(c2s3+s2c3)*s5s6 yo1 =s4c5s6c4c6 zo1 =(s2c3+c2s3)*(c4c5s6s4c6)+(s2s3+c2c3)*(s5s6) xa1 =(c2c3s2s3)*c4s5+(c2s3+s2c3)*(c5) ya1 =s4s5 za1 =(s2c3c2s3)*c4s5+(s2s3+c2c3)*(c5) xp1 =(c2c3s2s3)*a3+(c2s3+s2c3)*d4+a1 zp1 =0 zp1 =(s2c3+c2s3)*a3+(s2s3+c2c3)*(d4) 于是，可求得教學(xué)機器人的總變換矩陣為 611060 TTT? =????????????1000zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaon (34) 其中， xn =c1*(c1c2s2s3)*(c4c5c6s4s6)+s5c6c1*(c2s3s2c3)+s1*(s4c5c6+c4s6) yn =s1(c2c3s2s3)*(c4c5c6s4s6)s1*(c2s3+s2c3)*s5c6c1*(s4c5c6+c4s6) zn =(s2c3+c2s3)*(c4c5c6s4s6)+(s2s3+c2c3)*(s4c5c6+c4s6) xo =c1(c2c3s2s3)*(c4c5s6s4c6)+c1*(c2s3s2c3)*(s5s6)+s1*(s4c5s6+c4c6) yo =s1*(c2c3s2s3)*(c4c5s6s4c6)s1(c2s3+s2c3)*(s5s6)+(c1)*(s4c5s6+c4c6) zo =(s2c3+c2s3)*(c4c5s6s4c6)+(s2s3+c2c3)*(s5s6) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 xa =c1*(c2c3s2s3)*c4s5+c1(c2s3+s2c3)*(c5)+s1s4s5 ya =s1(c2c3s2s3)*c4s5+c1*(c2s3s2c3)*(c5)c1s4s5 za =(s2c3+c2s3)*c4s5+(s2s3+c2c3)*(c5) xp =c1(c2s3+s2c3)*(d4)+c1*(c2a2+a1) yp =s1*(c2s3+s2c3)(d4)+s1(c2a2+a1) zp =(s2s3+c2c3)*(d4)+s2a2+d1 上式即為本教學(xué)機器人的總變換矩陣 60T ，即位姿運動方程描述了末端連桿坐標(biāo)系 ??6 相對于基座標(biāo)系 ??0 的位姿。這里只討論位移關(guān)系。 機器人的位姿與運動的描述 從機構(gòu)學(xué)的角度來看 ， 關(guān)節(jié)型機器人的機械本體實際上是一個由轉(zhuǎn)動和移動關(guān)節(jié)連接起來的開鏈?zhǔn)竭B桿系統(tǒng) ， 每個獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)決定著機器人的一個自由度。 電機專用控制芯片 LM628／ LM629的區(qū)別在于 LM628具有能驅(qū)動 8位或 12位 DAC的 8位輸出口，而 LM629 具有直接驅(qū)動 H 橋的 8 位 PWM 輸出口。 圖 總體控制結(jié)構(gòu)圖 本教學(xué)機器人的控制核心是一個 PC機， 以 PC機 作為上位機 ， 用于實現(xiàn)關(guān)節(jié)運動的軌跡規(guī)劃、命令傳送 ， 以及關(guān)節(jié)位置信息反饋，下位機 采用AT89C51單片機作為機械各個關(guān)節(jié)位置定位的半閉環(huán)控制核心，由 AT89C51單片機進行關(guān)節(jié)的運動控制，實現(xiàn)與上位機 的信息交換，獲取關(guān)節(jié)運動指令信息，并及時將位置信息反饋至 上位機。 圖 增量編碼器用作速度傳感器 教學(xué)機器人的控制方案 控制系統(tǒng)是教學(xué)機器人實現(xiàn)其目標(biāo)功能不可缺少的 部分。 位置傳感器 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 本教學(xué)機器人 采用光電編碼器來進行位置控制，而由于沒有移動關(guān)節(jié)，因此不采用直線型光電 編碼器。因此控制傳動精度也是結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮到的一個重要因素。在手腕部分只有一個電機可以減輕末端的重量減小機器人的負載。關(guān)節(jié)機器人的主要特點是模仿人類腰部到手臂的基本結(jié)構(gòu)，本教學(xué)機器人的本體結(jié)構(gòu)主要包括關(guān)節(jié)機器人的基座 (即底部和腰部的固定支撐 )結(jié)構(gòu)及腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、大臂 (即大臂支撐架 )結(jié)構(gòu)及大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 裝置、小臂 (即小臂支撐架 )結(jié)構(gòu)及小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置和手腕 (即手腕支撐架 )及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置和末端執(zhí)行器 (即手爪 )等主要結(jié)構(gòu)。常見的 輪式 移動機器人也采用直流伺服電機來驅(qū)動 [2， 6]。如重力變形對定位誤差影響較大，但對重復(fù)性沒有影響，因為重力變形引起的誤差是重復(fù)出現(xiàn)的 [4]。這是因為由于驅(qū)動輸出功率的限制，從啟動到達到最大穩(wěn)定速度或從最大穩(wěn)定速度降到停止，總需要一定的時間 [4]。一般的六自由度機器人不具有封閉解。 自由度的確定及結(jié)構(gòu)布置 為了精確地控制機器人使之完成確定的工作任務(wù) ，機器人應(yīng)當(dāng)有一定的自由度數(shù)。本文設(shè)計了一種關(guān)節(jié)性的式教學(xué)機器人，目標(biāo)是預(yù)計安裝在 AGV小車上使其具有搬運目標(biāo)物體只制定地點的作業(yè)功能，并能通過其展示機械結(jié)構(gòu)、運動特征和功能關(guān)系的示教功能，而且要求體積小，重量輕造價低，調(diào)控容易、重復(fù)性好。雙龍仿真教學(xué)機器人在電腦屏幕上運行，用雙龍模塊化 SLBASIC(BASIC是計算機初學(xué)者語言 )解釋型語言程序控制。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京科技大學(xué)等都相繼開發(fā)出不同功能、結(jié)構(gòu)形式的教學(xué)機器人。由于其尺寸小重量輕 (五自由度的為23kg，六自由度的為 25kg)、控制精度高 (采用交流伺服電機閉環(huán)控制 )、能耗小 (電機功率小于等于 80W)，因此被廣泛用于工業(yè)用途。其控制系統(tǒng)主要由一個 M6806 微處理器，一塊 I / O 接口卡和九塊傳感－驅(qū)動電路板組成，軟件采用匯編語言編程。近年，國內(nèi)不少大學(xué)和公司已經(jīng)開發(fā)出各種型號的教學(xué)機器人。 17 機器人的位姿與運動描述 ............................................................. 17 關(guān)節(jié)型機器人的廣義連桿變換齊次矩陣 ..................................... 17 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 運動學(xué)正解 ..................................................................................... 18 連桿坐標(biāo)系和連桿參數(shù) ....................................................... 18 連桿變換矩陣 ....................................................................... 20 工作空間分析 ................................................................................. 23 教學(xué)機器人的仿真 ......................................................................... 24 仿真模型的建立 ................................................................... 25 仿真結(jié)果的運行和分析 ....................................................... 26 本章小結(jié) ......................................................................................... 27 第 4 章 教學(xué)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè) 計 分析了機器人的工作空間， 基于 MATLAB/ Simulink建立了 教學(xué)機器人 的機構(gòu)模型，進行