【文章內容簡介】 程學院?？粕厴I(yè)論文 7 器人技術》及《機電一體化系統(tǒng)設計》課程及機械電子工程專業(yè)的綜合教學實驗設備，不僅可以讓學生在輕松愉快的氛圍中充分理解相關課程的專業(yè)知識 ，而且可以激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣，讓他們樹立系統(tǒng)工程概念，培養(yǎng)其獨立開展科學研究的能力。因此，本教學機器人的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學有著十分重要的意義。 機器人及其相關技術概述 國內外機器人發(fā)展現(xiàn)狀 機器人從 20 世紀 50 年代誕生以來，在短短的 50 多年里得到了迅速的發(fā)展，經歷了第一代工業(yè)機器人的研究、實用化和普及，第二代感知功能機器人的研究、實用化，以及第三代智能機器人的研究等各個階段。 現(xiàn)代工業(yè)機器人起源于數控機床和遠程控制器。 1954 年，美國 Gee． Devol 首先把遠程控制器的 桿結構與數控銑床的伺服軸結合起來，研制出了第一臺通用機械手。這種機械手可以通過讓其沿一系列點運動，將運動位置以數字形式存儲起來，動作執(zhí)行時，使伺服系統(tǒng)驅動機械手各關節(jié)軸來再現(xiàn)這些位置，從而讓機械手完成一些簡單的工作。正是由于這個機械手具有了編程示教再現(xiàn)功能，因此許多人把它作為現(xiàn)代工業(yè)機器人產生的標志。在隨后的生產應用中，為了適應各種不同用途需要 ，相繼出現(xiàn)了直角坐標、關節(jié)坐標、極坐標等許多種不同結構的機器人。 與第一代示教再現(xiàn)型機器人不同，第二代機器人是具有感覺功能的適應控制機器人。這種機器人帶有傳感器，能感 知環(huán)境和對象的情況以控制自身動作的變化。在機器人視覺、觸覺研究的同時，機器人其他感覺功能的開發(fā)也已經開始，對機器人的接近覺、聽覺以及會話等功能都進行了研究，并取得了一定的成果。這種有感知功能的機器人已被廣泛應用于工業(yè)生產中的汽車制造、電子、機械等行業(yè)，從事焊接、油漆、裝配、包裝、零件加工、搬運等專業(yè)性工作。目前，這類工業(yè)機器人占總數的 70％以上，全球正在工作的工業(yè)機器人共有 74 萬，我國有 3000 臺左右。 智能機器人被人們稱為第三代機器人，是能利用感覺和識別功能做決策行動的機器人。從七十年代后期開始，人們對智 能機器人的規(guī)劃生成系統(tǒng) (問題解決系統(tǒng)，路徑搜索等 )，環(huán)境的理解系統(tǒng) (感覺智能，包括視覺，觸覺等 )，知識獲得與利用系統(tǒng) (知識工程和專家系統(tǒng)等 )，人機接口系統(tǒng)，運動系統(tǒng)等問題展開了更加廣泛深入地研究。智能機器人的研究是一個艱巨而又廣泛的問題，隨著研究的不斷深入，相關科學的飛速發(fā)展，智能機器人在不久的將來一定會出現(xiàn)。國外專家預測，機器人產業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的新的大型高技術產業(yè) 。 據 UNECE(聯(lián)合國歐洲經濟委員會 )和 IFR(國際機器人聯(lián)合會 )統(tǒng)計，從 20 世紀 70年代起，世界機器人產業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好 勢頭。進入 90 年代，機器人產品發(fā)展速度加快，年銷售量增長率平均在 10％左黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 8 右； 2021 年增長率達到了創(chuàng)記錄的 20％，其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，增長43％。 我國的機器人研究開發(fā)工作始于上世紀 70 年代初，到現(xiàn)在已經歷了 30 多年的歷程。前 10 年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。 1985 年后開始列入國家有關計劃，發(fā)展比較快。特別是在“七五”、“八五”、‘‘九五”機器人技術國家攻關和“ 863高技術發(fā)展計劃的重點支持下，我國的機器人技術取得了重大發(fā)展 。 在機器人基礎技術方面：諸如機器人機構的運動 學、動力學分析與綜合研究，機器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內外部傳感器的研究與開發(fā)，具有多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術、遙控機器人的控制技術等均取得長足進展，并在實際工作中得到應用。 在機器人操作機研制方面：已開發(fā)出一些先進的操作機和特種機器人 ,如自動導引車 AGV，壁面爬行機器人，重復定位精度為177。 瑚的裝配機器人；可潛入海底 6000m 的水下機器人，移動遙控機器人，主從操作機器人等，有些已達實用化水平并用于實際工程。在機器人的應用工程方面：目前國內已建立了多條弧焊機器人生產線， 裝配機器人生產線，噴涂生產線和焊裝生產線。國內的機器人技術研發(fā)力量已經具備了大型機器人工程設計和實施的能力，整體性能已達到國際同類產品的先進水平，而整體價格僅為國外同類產品的三分之二甚至一半，具有很好的性能價格比和市場競爭力。 綜上所述，我國機器人發(fā)展己跨過了起步階段，走上了進步和發(fā)展的道路。今后的任務是把機器人技術推廣到更多的工業(yè)自動化生產領域和其他更廣泛的應用領域，大力開展跨國區(qū)域交流合作，與國際接軌，早日躋身于世界先進行列。 機器人自動控制技術 一 個完善的機器人系統(tǒng)，必須由一個完善的 機械系統(tǒng)和相應的控制器組成。 一個完善的機械系統(tǒng)是機器人完成各種作業(yè)的必要條件：臂機構能把 末端操作器伸到作業(yè)中任意的預定位置，腕機構能保持任意的預定姿態(tài)， 末端操作器能完成諸如夾持、釋放等操作。機器人控制器 的功能是控制機械系統(tǒng)的運動和操作，以滿足作業(yè)要求。在各種作業(yè)中， 機器人的運動主要表現(xiàn)為末端操作器沿預定的路徑移動并保持預定的姿勢，在運動中或在預定的某些位置上完成作業(yè)規(guī)定的操作 。 為實現(xiàn)機器人的上述各種功能，每個機器人都配有相應的控制器。機器人控制器由一組硬件和軟件組成，相當于機器人的“大腦”。作為機 器人系統(tǒng)不可分割的一部分，機器人控制系統(tǒng)的工作原理、結構和機器人的功能、精度要求有密切關系。 隨著計算機科學和自動化水平的不斷提高，人們在各種領域內大量采用計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的應用使得科學研究、工農業(yè)生產、工藝實踐的效率大大提高，同時也大幅度提高了產品和成果的質量。 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 9 可編程序控制器 (Programmable Logic Controller，簡稱 PLC)是應控制領域的要求而出現(xiàn)的。具有功能強、可靠性高、容易維護、應用靈活、體積小能耗低等優(yōu)點，適用于開關量邏輯控制、運動控制、順序控 制和過程控制，可以進行數據處理，可以組成控制網絡，是具有完整控制功能和數據處理功能的工業(yè)控制計算機。本文所要研究的機械手動作過程就是順序運動，自動運行時完成夾取工件、手臂升降、手臂伸縮及腰部回轉幾個動作，按照控制任務一步一步進行，所以采用 PLC 作為控制器非常合適。通過研究比對，本文采用三菱公司的 FX2N系列 PLC進行機器人控制系統(tǒng)的設計，完成控制功能。 FX2N 系列 PLC 是近年來三菱公司推出的高性能小型 PLC，它有靈活多變的系統(tǒng)配置，還有許多特殊功能模塊可以選用，功能強大，使用方便。 課題的目標和主要研 究內容 論文研究目標 本文以慧魚創(chuàng)意組合模型為平臺，設計并開發(fā)了一種教學工業(yè)機器人 —— 三自由度機械手，并進行了機器人的系統(tǒng)研究。該機械手的機械結構可以實現(xiàn)反復拆裝，無限組合；控制系統(tǒng)確定為以 PLC 為核心，控制機械手完成一系列復雜動作：如手爪張合，腰部回轉，水平手臂伸縮和垂直手臂升降等動作。監(jiān)控軟件采用高級語言 visual Basic 開發(fā)，編制監(jiān)控界面和通信程序，控制方便簡單。 論文主要研究內容 (1)教學機器人總體設計 確定機器人的任務要求，根據任務初步擬定機器人的技術參 數、運動形式、驅動方案、傳動方案、控制系統(tǒng)方案等。 (2)機器人機械結構設計 按照模塊化的設計方法，將機器人分為手部結構、手臂和立柱三部分，分別對各個結構的關鍵部件進行設計并校核，通過實驗使用慧魚零件搭建機械手的結構。 (3)控制系統(tǒng)的設計 本課題是一個典型的“計算機控制系統(tǒng)’’。從系統(tǒng)總體的角度而言，它應包括 硬件和軟件兩大部分。 從硬件角度考慮，機械手控制系統(tǒng)以開關量為主，因此采用 PLC作為控制核心，主控計算機作為上位機。通過研究 PLC 的工作原理，選用合適的傳感器作為輸入信號，電 動機作為輸出信號，配置 PLC 輸入輸出端子，對 PLC 的輸入輸出電路進行了詳細說明，最后安裝調試；上位機的主要任務是對現(xiàn)場采集來的信號進行顯示、處理和動態(tài)監(jiān)視，對機械手的每個動作進行開關操作。 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 10 軟件設計包括 PLC 梯形圖、狀態(tài)轉移圖的設計和上位機監(jiān)控軟件的開發(fā)。通過編寫 PLC 手動運行和自動運行的梯形圖程序，完成機械手的動作；上位機監(jiān)控軟件的開發(fā)是通過對 PLC 網絡拓撲結構和三菱 PLC 通信控制方法及通信協(xié)議等內容的研究，使用Ⅶ編制監(jiān)控界面和通信程序，遠程操作機械手的運動，實現(xiàn)把個人計算機建設成 PLC控制系統(tǒng)終端 的目的 。 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 11 第二章 教學機器人的總體設計 本課題所研究的教學型機器人即機械手系統(tǒng)是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。所謂的機電一體化系統(tǒng)是指在系統(tǒng)的主功能、信息處理功能和控制功能等方面引進了電子技術，并把機械裝置、執(zhí)行部件、計算機等電子設備以及軟件等有機結合而構成的系統(tǒng)，即機械、執(zhí)行、信息處理、接口和軟件等部分在電子技術的支配下，以系統(tǒng)的觀點進行組合而形成的一種新型機械系統(tǒng)。 機電一體化系統(tǒng)由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分為驅動系統(tǒng)、 機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人 —— 環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)，如圖 2l 所示。該機械手的設計就是依據機電一 體化系統(tǒng)的組成原則進行的 。 圖 21機器人的系統(tǒng)組成 機器人任務要求和技術參數 機械手以雙工作臺流水線上的工件為作業(yè)對象，完成上料和下料動作。上料主要完成：工件夾取 —— 垂直手臂上升 —— 腰部旋轉 —— 水平手臂伸出 —— 手臂下降 ——手爪張開這一系列動作，將工件從儲存處送到流水線的傳送帶上。下料完成：手臂下降 —— 手爪夾取 —— 腰部旋轉 —— 手爪張開一系列動作，將加工好的工件從流水線的傳送 帶上夾取到指定位置。該機器人的特點是動作靈活、通用性強、結構較緊湊，能靈活抓取工件。根據其用途和特點其技術參數如表 21所示： 表 2l機器人技術參數 自由度數目 3 定位精度 1mm 負載能力（含末端執(zhí)行器） 黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 12 幾何尺寸 200mm*270mm*350mm 運動范圍 腰部轉動 180 手臂伸縮 120mm 手臂升降 160mm 最大展開半徑 220mm 本體重量 8kg 驅動系統(tǒng) 直流電機 機器人運動形式的確定 機器人手臂部分的主要功能是使機械手達到空間的 指定位置，一般需要有三個自由度。由各關節(jié)按不同的配置方法可組合成結構類型各異的機器人，其坐標形式 也各不相同，最常見的機器人結構類型主要有下列幾種。 (1)直角坐標型：通過沿 x— y— z三個互相垂直的直角坐標的移動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。特點是定位精度高，結構簡單，三個關節(jié)運動相互獨立，其間沒有耦合，但是這種形式機器人占地面積大，操作靈活型差。 (2)圓柱坐標型：由一個升降直線運動關節(jié)，一個圓周旋轉運動關節(jié)和一個水平直線運動關節(jié)組合而成。這種結構優(yōu)點是動作過程中負荷變動少，容易控制，缺點 是動作區(qū)域狹窄。 (3)球坐標型：由二個回轉運動關節(jié)和一個直線移動關節(jié)分別作為方向旋轉關節(jié)、俯仰旋轉關節(jié)和徑向直線運動關節(jié)組合而成。特點是占地面積小，工作空間較大，但是移動關節(jié)不易防護。 (4)多關節(jié)型：這類機器人由兩個肩關節(jié)和一個肘關節(jié)進行定位，由兩個或三個腕關節(jié)定向。其中一個肩關節(jié)繞鉛直軸旋轉，另一個肩關節(jié)實現(xiàn)俯仰，這兩個肩關節(jié)軸線正交。肘關節(jié)平行于第二個肩關節(jié)軸線。這種結構動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內手臂的干涉最小，結構緊湊，占地面積小。但是結構比較復雜。 (5)SCARA型：這種機器人由兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)組成。回轉關節(jié)控制前后、左右運動；移動關節(jié)實現(xiàn)上下運動。特點是結構輕便、響應快。最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業(yè) 。 針對本系統(tǒng)中機器人的任務要求，為了使它具有一定的操作靈活性、較好的使用性和普及型，在結構設計上采用圓柱坐標型。機器人工作空間如圖 22所示。 自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目，其中不包括手爪 (末端操作器 )的開合自由度，手指的開合所具有的自由度不包含在內，因為這個自由度僅用于抓取工具，而對于工具的定位和定向不起作用。該教學機 器人系統(tǒng)設計為三個自由度，分別為立柱回轉 (周向 )，手臂升降運動 (軸向 )和手臂伸縮運動 (徑向 )。機器人結構簡圖黑龍江工程學院?？粕厴I(yè)論文 13 如圖 23所示。 圖 22機器人工作空間 圖 23 機器人結構簡圖 機器人驅動方案的對比分析及選擇 通常，機器人的驅動方式有以下幾類： (1)氣壓驅動使用壓力通常在 O 4～ 0 6Mpa，最高可達 1Mpa。氣壓驅動主要優(yōu)點是氣源方便 (一般工廠都由壓縮空氣站供應壓縮空氣 )，驅動系統(tǒng)具有緩沖作用，結構簡單，成本低：缺點是功率質量比小， 裝置體積大，氣源裝置存在噪聲問題，定位精度也不高。 (2)液壓驅動系統(tǒng)的功率質量比大，驅動平穩(wěn)，同時液壓驅動調速比較簡單，能在很大范圍內實現(xiàn)無級調速；缺點是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。