【文章內(nèi)容簡介】 體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 10 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高 。且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本 機(jī)器人 擬采用氣壓傳動(dòng)， 氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器 :介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題 . （ 2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小 (一般不卜澆塞僅為油路的千分之一 )，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。 (3)動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要 即可建立起所需的壓力和速度。氣動(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。 (4)能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控 制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為 :由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難 (尤其在高速情況下，似乎更難想象 )。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的 機(jī)器人 ，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠 ，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對氣動(dòng) 機(jī)器人 、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。 課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下 : (1)機(jī)器人 為通用 機(jī)器人 ，因此相對于專用 機(jī)器人 來說，它的適用面相對較廣 . 11 (2)選取 機(jī)器人 的座標(biāo)型式和自由度 (3)設(shè)計(jì)出 機(jī)器人 的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括 :手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時(shí)候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。 (4)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課題將設(shè)計(jì)出 機(jī)器人 的氣壓傳動(dòng)系 統(tǒng)，包括氣動(dòng)元器件的選取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，并繪出氣動(dòng)原理圖。 (5)對氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。 (6)機(jī)器人 的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本 機(jī)器人 擬采用可編程序控制器 (PLC)對 機(jī)器人 進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC 型號(hào)，根據(jù) 機(jī)器人 的工作流程編制出 PLC 程序，并畫出梯形圖。 12 第二章 四度 工業(yè) 機(jī)器人 方案設(shè)計(jì) 對氣動(dòng) 機(jī)器人 的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾 放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任 意位置都能自動(dòng)定位等特性。 機(jī)器人 的座標(biāo)型式與自由度 按 機(jī)器人 手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本 機(jī)器人 在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的 機(jī)器人 具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度 13 圖 21 機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)示意圖 機(jī)器人主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 21所示。 圖 22 機(jī)器人組成方框圖 (一 )執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 位置檢測裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 14 因此適宜夾 持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 V 形面的和曲面的 :手指有外夾式和內(nèi)撐式 。指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位 (即姿勢 ) 手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物 件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置 .工業(yè)機(jī)器人的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等 )與驅(qū)動(dòng)源 (如液壓、氣壓或電機(jī)等 )相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降 (或俯仰 )運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)器人的立 I因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。 行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)器人需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工 業(yè)機(jī)器人的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 (二 )驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)器人采用氣壓傳動(dòng)方式。 15 (三 )控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工 業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機(jī)械擋塊定位 )系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)器人的指令信息 (如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間 )，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)?？紤]到機(jī)器人的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)器人進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)器人的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變 PLC 程序即可實(shí)現(xiàn)，非 常方便快捷。 (四 )位置檢測裝置 控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置 . 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本 機(jī)器人 采用氣壓傳動(dòng)方式。 機(jī)器人 的主要參數(shù) 的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān) 機(jī)器人 的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為 5公斤 運(yùn)動(dòng)速度是 機(jī)器人 主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對 機(jī)器人 速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響 機(jī)器人 動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該 機(jī)器人 最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為 sm/ 。 最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 s/90? 。平均移動(dòng)速度為 sm/ 。 平均回轉(zhuǎn)速度為 s/60? 。 機(jī)器人 動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣?與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)器人 設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝 16 置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該 機(jī)器人 手臂的伸縮行程定為 600mm,最大工作半徑約為 mm1400 。 手臂升降行程定為 mm120 。 定位精度也是基本參數(shù)之一。該 機(jī)器人 的定位精度為 mm1? 。 機(jī)器人 的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途 : 用于自動(dòng)輸送線的上下料。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) : 表 11 機(jī)器人技術(shù)參數(shù) 機(jī)構(gòu)形態(tài) 平面關(guān)節(jié)型 自由度 4 負(fù)載能力 5kg 動(dòng)作范圍 關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng) 110176。～ +110176。 關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng) 90176?！? +90176。 關(guān)節(jié)Ⅲ升降 0 ～ 150mm 關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng) 0176?！? 360176。 最大速度 關(guān)節(jié)Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng) 180o /s 關(guān)節(jié)Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng) 360o /s 關(guān)節(jié)Ⅲ升降 150mm /s 關(guān)節(jié)Ⅳ轉(zhuǎn)動(dòng) 360o /s 最大展 開半徑 400mm 高度 680mm 本體重量 48 kg 安裝環(huán)境 溫度 0 ～ +45℃ 濕度 20 ～ 80％不結(jié)露 振動(dòng) G以下 其它 避免易燃、腐蝕性氣體、液體 勿濺水、油、粉塵等 勿接近電器噪聲源 操作方式 示教再現(xiàn)／ PLC編程 電源容量 單相 220V 50Hz 8A 17 第三章 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建設(shè) 為整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)一個(gè)模型，是一個(gè)由底向上的過程。我們必須用相對清晰和一致的參考框架來表達(dá)各輪的力和約束，由于移動(dòng)機(jī)器人的獨(dú)立和移動(dòng)本質(zhì)，需要在全局和局部參考框 架之間有一個(gè)清楚的映射。在整個(gè)分析過程中，我們將機(jī)器人建模成輪子上的一個(gè)剛體，運(yùn)行在水平面上。 表示機(jī)器人最終位姿的建模方法很多 ！ 例如可以采用球坐標(biāo)定位 歐拉角定姿的方法 但是在 788 年 ！ Denavit 和 Hartenberg 在“ ASME Joumal of Applied Mechanic ” 發(fā) 表 了 一 篇 指 引 后 人 對 機(jī) 器 人 進(jìn) 行 建 模 的 標(biāo) 準(zhǔn) 方 法DenavitHartenberg（ DH） 模型是表示對機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的一種非常有效的方法 。 DH坐標(biāo)系的建立 A） 中間連桿坐標(biāo)系的建立： Zi—— 與關(guān)節(jié) i+1 的軸線重合，方向任意 Oi—— 關(guān)節(jié) i 和 i+1 軸線的公垂線與關(guān)節(jié) i+1軸線的交點(diǎn)。關(guān)節(jié) i 和 i+1 的軸線相交時(shí)， Oi選在交點(diǎn)上；關(guān)節(jié) i 和 i+1 的軸線平行時(shí)， Oi 選在使 di+1=0 處（關(guān)節(jié) i+1 和 i+2 的公垂線與關(guān)節(jié) i+1 軸線的交點(diǎn)處）。 Xi—— 與關(guān)節(jié) i和 i+1 軸線的公垂線重合，指向?yàn)?i— i+1；關(guān)節(jié) i和 i+1 的軸線相交時(shí)， Xi// （ Zi1 Zi）；關(guān)節(jié) i 和 i+1 的軸線平行時(shí)，選定 Oi， Xi為過點(diǎn) Oi 且與關(guān)節(jié) i和 i+1 的公垂線重合，指向?yàn)?i— i+1 Yi—— 與 Zi和 Xi 構(gòu)成右手系，即 Yi=Zi Xi 相交時(shí) 關(guān)節(jié)i關(guān)節(jié)i+1ZiZi1OiXi平行時(shí) 關(guān)節(jié)i+1關(guān)節(jié)iZiZi1Oi 關(guān)節(jié)i+2XiXi+1 18 圖 31轉(zhuǎn)動(dòng)連桿參攝及坐標(biāo)系 工業(yè)機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)學(xué) 依次寫出從基坐標(biāo)系到手爪坐標(biāo)系之間相鄰兩坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，它們依次連乘的結(jié)果就是末端執(zhí)行器（手爪）在基坐標(biāo)系中的空間描述，即 上式稱為運(yùn)動(dòng)方程 已知 q1,q2,? ,qn，求， 稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)正解； 已知 ，求 q1,q2,? ,qn