【文章內(nèi)容簡介】 的電機(jī)力矩。 圖 力矩變化情況 從圖 中看到，起始階段須克服的 彈簧力最大，電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須大于 550N178。 mm，這四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 13 為電機(jī)的挑選提供了一定的依據(jù)。 驅(qū)動(dòng)方式 該機(jī)器人一共具有四個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，連同末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，一共需要五個(gè)動(dòng)力源。 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。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)見表 : 表 三種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)對(duì)照 內(nèi)容 驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電 機(jī) 驅(qū)動(dòng) 輸出功率 很大，壓力范圍為50～ 140Pa 大，壓力范圍為 48～60Pa 較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性 ，控制精度較高，輸出功率大，可無級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜 響應(yīng)速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動(dòng)機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除 DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn) 防爆性能好，高于1000kPa(10 個(gè)大氣壓 )時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性 設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境的防爆性能較差 對(duì)環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染 排氣時(shí)有噪聲 無 四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 14 在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人和托運(yùn)機(jī)器人 適用于中小 負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)器人本體的氣動(dòng)平衡及裝配機(jī)器人氣動(dòng)夾具 適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)器人，如 AC伺服噴涂機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復(fù)雜 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，通常對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有： ，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； ，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量比要大，能夠進(jìn)行頻繁地起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)切換； ，位移偏差和速度偏差要?。? ； ； ，噪聲要小； ，尤其要盡量減少占地面積。 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)。表 為選定的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)及其相關(guān)參數(shù)。 表 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù) 電機(jī)參數(shù) 腰關(guān)節(jié) 肩關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié) 腕關(guān)節(jié) 手爪 型號(hào) MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELLSERVO MULTIPLEX STELLSERVO 額定電壓 18v 18v 18v 6v 6v 額定轉(zhuǎn)矩 Nm Nm Nm Nm Nm 最大轉(zhuǎn)矩 m m m 額定轉(zhuǎn)速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高轉(zhuǎn)速 9200rpm 9200rpm 9200rpm 四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 15 轉(zhuǎn)子慣量 cm cm cm 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，需要通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來增加力矩，提高帶負(fù)載能力。對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般要求有： ，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕； ，即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)； 差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； 、價(jià)格低。 本文所選用的電機(jī)都采用了電機(jī)和齒輪輪系一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu) 緊湊，具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，但是不能通過電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)。為減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的沖擊和振動(dòng)，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動(dòng)。 齒形帶傳動(dòng)是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運(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)。 齒形帶傳動(dòng)原理如圖 所示。 齒輪帶的傳動(dòng)比計(jì)算公式為 : (21) 齒輪帶的平均速度 av 為 : (22) 2112 zznni ??2211 ntzntzv a ??????四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 16 圖 齒形帶傳動(dòng) 制動(dòng)器 制動(dòng)器及其作用：制動(dòng)器是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的能量變?yōu)闊崮茚尫?，從而使運(yùn)動(dòng) 的機(jī)械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機(jī) 械制動(dòng)器和電氣制動(dòng)器 兩類。 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。 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、盤式制動(dòng)器、閘瓦式制動(dòng)器和電磁制動(dòng)器等幾種。其中最典型的是電磁制動(dòng)器。在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常使用伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)本身的特性決定了電磁制動(dòng)器是不可缺少的部件。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)磁電流通過線圈時(shí)制動(dòng)器打開，這時(shí)制動(dòng)器不起制動(dòng)作用，而當(dāng)電源斷開線圈中無勵(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。因此這種制動(dòng)器被稱為無勵(lì)磁動(dòng)作型電磁制動(dòng)器。又因?yàn)檫@種制動(dòng)器常用于安全制動(dòng)場(chǎng)合，所以也 稱為 安全制動(dòng)器。 電氣制動(dòng)器 :電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為 機(jī)械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。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)也能通過其反過程來達(dá)到制動(dòng)的目的。但對(duì)于直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等各種不同類型的電機(jī)，必須分別采用適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)電路。 本文中，該機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未安裝機(jī)械制動(dòng)器，因此機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)和肘 關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橹亓σ蛩囟侣?。另外，由于各方面限制，不方便在原有機(jī)構(gòu)上添加機(jī)械制動(dòng)器，所以只能 通過軟件來實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和肘 關(guān)節(jié)的電氣制動(dòng)。 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。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。四自由度搬運(yùn)物料工業(yè)機(jī)器 人的設(shè)計(jì) 17 第 3 章 控制系統(tǒng)硬件 控制系統(tǒng)模式的選擇 構(gòu)建機(jī)器人平臺(tái)的核心是建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇 硬件平臺(tái)，控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)對(duì)于系統(tǒng)的開放性、實(shí)現(xiàn)方式和開發(fā)工作量有很大的影響。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。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：基于 VME 總線（ Versamodel Eurocard 由 Motorola 公司 1981 年推出的第一代 32 位工業(yè)開放標(biāo)準(zhǔn)總線 ）的系統(tǒng)和基于 PC 總線的系統(tǒng)。近年來，隨著 PC 機(jī)性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價(jià)格卻大幅度降低，以 PC 機(jī)為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機(jī)器人控制領(lǐng)域所接受。 基于 PC 機(jī)控制系統(tǒng)一般包括單 PC 控制模式， PC+PC 的控制模式， PC+分布式控制器的控制模式， PC+DSP 運(yùn)動(dòng)控制卡的控制模式， PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制模式，由于 基于采集卡的控制方式靈活，成本低廉，有利于本文設(shè)計(jì)中的廢物利用，在程序和算法上可以自主編制各類算法，適合本課題研究的需要。因此本文選定 PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制方式。 控制系統(tǒng)的搭建 圖 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。底板有 9 個(gè) ISA插槽， 4 個(gè) PCI 插槽，帶 VGA 顯示器。其性能價(jià)格比優(yōu)越，兼容性好，有利于軟硬件維護(hù)和升級(jí)。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。 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。 PCL812PG 主要特點(diǎn) ：