【正文】 要采用DH法建立連桿坐標(biāo)系進(jìn)行分析求解 。 (b) 圖 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 (a) (b) 圖 仿真模型運行 仿真結(jié)果的運行和分析 在建立仿真模型之后，為了更清楚的表達(dá)教學(xué)機(jī)器人的功能實現(xiàn)，可進(jìn)行編程模擬機(jī)器人的抓取動作。視圖如下。 各連桿變換矩陣相乘，得教學(xué)機(jī)器人的總變換矩陣為 60T = )( 110 ?T )( 221 ?T )( 332 ?T )( 443 ?T )( 554 ?T )6(65 ?T (32) 式 (32)表明，總變換矩陣顯然是關(guān)節(jié)變量 2,1?? ， … 6? 的函數(shù)。連桿坐標(biāo)系的 關(guān)系可由四個齊次變換 iA 矩陣來描述，此關(guān)系為 ： 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 iA = ? ? ? ? ? ?iiiiii dzT r a n saxT r a n sxR o t ,1,1, ??? ? ?iizRot ?, = ??????????????????????10000 11111i111iiiiiiiiiiiiiiiidcasasasaccacscacascasc???????? (32) 式 (32)即關(guān)節(jié)型機(jī)器人的廣義連桿變換齊次矩陣 ， 利用適當(dāng)數(shù)量的該矩陣乘積 ， 就可以描述具有任意復(fù)雜程度的連桿坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換。 為了研究操作臂連桿 之間的唯一關(guān)系，可在每個連桿上固接一個坐標(biāo)系，然后描 述這些坐標(biāo)系之間的關(guān)系。 以上三種方案各有特點，經(jīng)過比較，電機(jī)專用控制芯片組成的伺服系統(tǒng)具有硬件電路簡單、軟件實現(xiàn)容易、價格適中等優(yōu)點，因此，教學(xué)機(jī)器人關(guān)節(jié)運動控制采用電機(jī)專用控制芯片來實現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的伺服控制。同時，要兼顧到各關(guān)節(jié)的運動范圍和臂板之間運動空間的相互重迭、相互干擾等 [1416]。 模擬方法，在這種方式下，關(guān)鍵是需要一個 F/V變換器，它必須有盡量小的溫度漂移和良好的零輸入輸出特性，用它把編碼器的脈沖頻率輸出轉(zhuǎn)換成語轉(zhuǎn)速成正比的模 擬電壓，它檢測的是電動機(jī)軸上的瞬時速度 [12]?？梢姍C(jī)器人的位置或速度控制通常是在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行的，這樣從工程的觀點看，機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本單元是機(jī)器人單關(guān)節(jié)位置、速度控制，因此用于檢測關(guān)節(jié)位置或速度的傳感器也成為關(guān)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)組件的基本單元。由于制造工藝和結(jié)構(gòu)尺寸及 其形式的不同傳動精度也大不相同。這個關(guān)節(jié)的驅(qū)動由大臂中安裝的點集合傳動系統(tǒng)來驅(qū)動控制。 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案的確定 前 文已經(jīng)確定好本機(jī)器人為六自由度 數(shù)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，這里可以現(xiàn)擬定機(jī)器人本體的總體結(jié)構(gòu)方案并確定好大致比例尺寸。其中，電動機(jī)尤其是伺服電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動器。重復(fù)定位精度是指在相同的位置指令之下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)運動若干次，其位置的分散情況。 圖 三自由度手腕結(jié)構(gòu)形式 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 有效負(fù)載和速度 有效負(fù)載是指機(jī)器人在工作時臂端可能搬運的物體質(zhì)量或所能承受的力，他表示了機(jī)器人的負(fù)載能力。對于串聯(lián)的運動連桿，關(guān)節(jié)數(shù)目等于要求的自由度數(shù)目。關(guān)節(jié)型機(jī)器人也符合人類和動物都具有關(guān)節(jié)型軀體特點的自然選擇規(guī)律?？偟膩砜次覈F(xiàn)在的教學(xué)機(jī)器人還是雖然各有特點，但是哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 也存在一些問題，一些技術(shù)還是不夠成熟，而且模式還是比較單一，還有待進(jìn)一步研究提高。 此外，還有 廣州市天河雙龍電子有限公司開發(fā)的 雙龍仿真教學(xué)機(jī)器 人SLBASIC 。但是，這類教學(xué)機(jī)器人往往以軟件教學(xué)和培訓(xùn)為主，且對用戶而言開放性不足，同時，昂貴的價格也限制了推廣 [1]。如德國機(jī)器人公司 (robotworker)生產(chǎn)的直角坐標(biāo)機(jī)工業(yè) /教學(xué)機(jī)器人，日本安川公司生產(chǎn)的 MOTOMAN－ UPJ 工業(yè) /教學(xué)機(jī)器人等等。 國外教學(xué)機(jī)器人概況 國外的機(jī)器人教學(xué)開始于 20 世紀(jì) 60、 70 年代，最早是在大學(xué)里的機(jī)械、自動化專業(yè)開設(shè)機(jī)器人課程，隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的拓寬，教學(xué)機(jī)器人作為一種實用有效的教學(xué)工具開始出現(xiàn)并應(yīng)用于機(jī)器人教學(xué)過程中，同時也緊隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展步伐。一些公司也瞄準(zhǔn)這一市場，進(jìn)行了有針對性的研發(fā)。6 教學(xué)機(jī)器人基本技術(shù)參數(shù)的確定 ................................................... 6 .................................................. 6 自由度的確定及結(jié)構(gòu)布置 ..................................................... 6 ...................................................................... 7 精度要求 ................................................................................. 8 驅(qū)動方式的選擇 ............................................................................... 9 機(jī)器人總體方案的確定 ................................................................. 10 傳動系統(tǒng)及傳感檢測系統(tǒng)方案的選擇 ......................................... 12 教學(xué)機(jī)器人的控制方案 ................................................................. 13 ................................................................ 14 本教學(xué)機(jī)器人的控制方案 ................................................... 14 關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)設(shè)計 ............................................................... 15 本章小結(jié) ......................................................................................... 16 第 3 章 教學(xué)機(jī)器人的運動分析 設(shè)計了機(jī)器人 裝配圖和零件圖，并對驅(qū)動電機(jī)、編碼器和減速器等進(jìn)行了計算選型 ，設(shè)計校核了關(guān)鍵零部件 。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由 機(jī)械臂和 手 爪兩部分組成， 手爪與機(jī)械臂通過法蘭盤 聯(lián)接 ，可以安裝不同的手爪以實現(xiàn)不同的工作任務(wù)。 目前，隨著機(jī)器人相關(guān)課程教學(xué)改革的逐步深入，一些機(jī)器人相關(guān)的課程開設(shè)，國內(nèi)一些高校加大了這方面的投入，或購買工業(yè)機(jī)器人加以改造，或進(jìn)行了專門的研制。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 一個重要內(nèi)容。而在目前，國外很多著名的機(jī)器人生產(chǎn)公司更多采用的是教學(xué) /工業(yè)兩用機(jī)器人的方式，以達(dá)到實用和教學(xué)培訓(xùn)兩用的目的。 總體而言，目前國外教學(xué)機(jī)器人更多采用的是工業(yè) /教學(xué)機(jī)器人的方式，從而使教學(xué)機(jī)器人具備現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人類型多、精度高、可控性好等優(yōu)點。 該機(jī)器人的控制器使用 PC機(jī)為平臺，其全開放的控制軟硬件系統(tǒng)，可以方便地用于機(jī)器人控制技術(shù)研究、開發(fā)工作，使用者能夠在此平臺上開發(fā)研究自己的控制算法，也可進(jìn)行仿真動作確認(rèn)算法的正確性，還可進(jìn)行實機(jī)驗證；對機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的研究者，該機(jī)器人提供了很好的軟件控制接口，可以實現(xiàn)各種實時的插補(bǔ)級別的運動控制與補(bǔ)償，實現(xiàn)靈活的動作規(guī)劃與控制 [3]。教學(xué)機(jī)器人由于融合了造型技術(shù)、機(jī)械、電子、傳感器、計算機(jī)軟件、硬件等眾多先進(jìn)技術(shù)，可為各相關(guān)技術(shù)課程教學(xué)提供很好的教學(xué)平臺，作為這種先進(jìn)技術(shù)的實物載體，在教學(xué)中的位置也越來越重要，值得加大研發(fā)力度。關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在相同的體積條件下比非關(guān)節(jié)型的機(jī)器人具有大得多的相對空間 (即手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比 )和絕對工作空間 (即手腕端部可抵達(dá)的最大空間體積 )。 在確定了機(jī)器人的自由度數(shù)之后，必須合理的布置各關(guān)節(jié)來實現(xiàn)這些自由度。本機(jī)器人系 統(tǒng)擬定采用圖中 (b)所示的 RBR結(jié)構(gòu)。操作機(jī)臂端的位置誤差為 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 位置誤差 =1/2系統(tǒng)分辨率 +機(jī)械系統(tǒng)誤差 影響機(jī)器人運動精度的因素還有很多，本教學(xué)機(jī)器人擬定位置誤差為，定位精度和重復(fù)精度是機(jī)器人的兩個精度指標(biāo)．定位精度是指機(jī)器人末端件的實際位置與理想位置之間的差距。 因此，通常采用的驅(qū)動器主要有 ： 電動機(jī) (包括伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直接驅(qū)動電機(jī) )，液壓驅(qū)動器，氣壓驅(qū)動器，形狀記憶金屬驅(qū)動器，磁性伸縮驅(qū)動器。 綜合考慮到以上多種因素包括本機(jī)器人的性能需求，各種電機(jī)運動精度，控制精度和它們的特點，最后擬定機(jī)器人采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。在大臂末端連接的是小臂，連接它們的是肘關(guān)節(jié)。因此這里邊涉及到一個傳動精度與傳動效率的問題。無論是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)式還是混合式，控制機(jī)器人時通常需要將機(jī)器人的末端操作器在笛卡爾坐標(biāo)空間中的位姿或軌跡，再通過控制各個關(guān)節(jié)聯(lián)動實現(xiàn)末端操作器的操作。本機(jī)器人采用模擬式方法。要 實現(xiàn)有效的控制，就需要使各個關(guān)節(jié)之間相互協(xié)調(diào)，共同完成某一確定工作。 關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)設(shè)計 本教學(xué)機(jī)器人以 直流電機(jī)為驅(qū)動器，其關(guān)節(jié)伺服控制的實現(xiàn)方法有 三種 ： (1)通用控制器組成伺服系統(tǒng)； (2)電機(jī)專用控制芯片組成的伺服系統(tǒng)； (3)多軸運動控制器。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 第 3章 教學(xué)機(jī)器人的運動分析 關(guān)節(jié)型機(jī)器人實質(zhì)上是依靠各關(guān)節(jié)坐標(biāo)值的改變來運行的。 本文對此也不做詳細(xì)介紹，由參考資料 [4][7]可得出以下結(jié)論。以下類似。 確定好機(jī)器人的各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸，即可編寫程序，利用 matlab軟件生成機(jī)器人手臂的工作空間圖 [19， 20]。由 MATLAB 機(jī)構(gòu)仿真程序運行的結(jié)果來看兩大部分均能合理的運動。 本章小結(jié) 本章主要完成的是教學(xué)機(jī)器人的運動學(xué)分析， 主要是 機(jī)器人手臂的運動學(xué)正解。完整的機(jī)器人動力學(xué)方程具有如下形式： )()(),()( qGqFqqqCqqMQ ???? ????? (41)式中： q —— 關(guān)節(jié)位置向量 q? —— 關(guān)節(jié)速度向量 q? —— 關(guān)節(jié)加速度 向量 M —— 操作慣性張量 C —— 與哥氏加速度和向心加速度有關(guān)的量 F —— 與粘性摩擦和庫侖摩擦有關(guān)的量，它還與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置有關(guān) G —— 慣性負(fù)載 Q—— 關(guān)節(jié)廣義力向量 由第 3章所確定的連桿參數(shù)構(gòu)建的機(jī)器人模型如圖 4． 1所示。計算結(jié)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 果如下。第 2關(guān)節(jié)受：負(fù)載、第 6關(guān)節(jié)、第 5關(guān)節(jié)、 45臂板、第 4關(guān)節(jié)、第 3關(guān)節(jié)、 23關(guān)節(jié)臂板重力產(chǎn)生的扭矩和加速度附加扭矩。 表 各關(guān)節(jié)極限力矩和功率計算結(jié)果 關(guān)節(jié)序號 1 2 3 4 5 6 極限力矩 (Nm) 計算功率 (W) 各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 第一關(guān)節(jié) 第一關(guān)節(jié)選用的是 XBl型諧波減速器。當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動時，輸出剛輪相對輸入剛輪以一定的傳動比傳遞電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速。 1編碼器 2電機(jī) 4 3減速器 4關(guān)節(jié) 4軸 5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)殼體 6小齒輪 7大直齒輪 8支撐板 9轉(zhuǎn)軸 10電機(jī) 6 11減速器 12關(guān)節(jié) 5傳動軸 13小臂箱 體 箱體 14減速器 15電機(jī) 5 16編碼器 圖 手腕部分裝配圖 手爪的設(shè)計 本教學(xué)機(jī)器人設(shè)計的手腕部分末端接一法蘭盤，可接各種末端執(zhí)行器 (手爪 )，以執(zhí)行各種任務(wù)，這里也做出一種設(shè)計方案，主要是利用 曲柄滑塊和 連桿機(jī)構(gòu)傳動使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為張合力，同時以一個彈簧 來 張緊 ， 輔助手爪的嚙合運動 。 (1)先將階梯軸簡化為簡支梁。 (11)安全系數(shù) 彎曲安全系數(shù) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 43 3751 ?????? ?mkS ????????? 扭轉(zhuǎn)安全系數(shù) 3 6 . 1 23 . 5 90 . 2 53 . 5 90 . 9 20 . 8 31 . 3 1255τψβεkτSmτττ1τ ???????? ? 復(fù)合安全系數(shù) 2222 ????????? SSS SSS ca???? 根據(jù)校核，截面 A足夠