【文章內(nèi)容簡介】 變磁阻式 )和保持轉(zhuǎn)矩 (永磁式 )的能力，有利于控制系 統(tǒng)的定位。但步進電機基本上不具有過載能力，啟動頻率受到限制，且需要專門的電源。功率偏大時，體積較大，并且其空間分辨率較低，只適于傳動功率不大的關節(jié)或小型機器人。 因此，通常采用的驅(qū)動器主要有 ： 電動機 (包括伺服電機、步進電機、直接驅(qū)動電機 )，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。其中，電動機尤其是伺服電機是最常用的機器人驅(qū)動器。例如：水下機器魚一般采用直流電機作為驅(qū)動電源，帶動曲柄機構產(chǎn)生拍動來推動機器魚向前運動；仿人機器人一般采用用詞是直流伺服電機作為驅(qū)動系統(tǒng)帶動手哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 10 部、腰部及腿部關節(jié)的 運動。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]。 本教學機器人主要是用于教學和科研的，它將作為一個機電一體化的產(chǎn)品展示給學生，對比以上各種驅(qū)動方式的特點和各種驅(qū)動方式的特點和本機器人所需求的性能特點，因此可以排除用氣動驅(qū)動和液壓驅(qū)動的可能，即采用電動機驅(qū)動的方式。而在機器人使用的電動機是多種多樣的，包括如下類型： (1)直流電動機 ； (2)可逆交流電動機 ； (3)無刷直流電動機 ； (4)步進電機 。 因此在采用電機驅(qū)動是又需要考慮以下三種驅(qū)動方式 ： 步進電機驅(qū)動 ，直流電機驅(qū)動和交流電機驅(qū)動。下面分別對這三 種驅(qū)動方式做一些比較： 驅(qū)動采用直流電動機時，具有優(yōu)良的速度控制性能，具體的說來，有下列優(yōu)點： (1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩； (2)調(diào)速范圍寬，且運行速度平穩(wěn)； (3)具有快速響應能力，可以適應復雜的速度變化； (4)電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響 [6]。 綜合考慮到以上多種因素包括本機器人的性能需求，各種電機運動精度，控制精度和它們的特點，最后擬定機器人采用直流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)。 機器人總體結構方案的確定 前 文已經(jīng)確定好本機器人為六自由度 數(shù)的關節(jié)型機器人，這里可以現(xiàn)擬定機器人本體的總體結構方案并確定好大致比例尺寸。 教學機器人的本體是指其機體結構和機械傳動系統(tǒng)，也就是機器人的支撐基礎和執(zhí)行機構。關節(jié)機器人的主要特點是模仿人類腰部到手臂的基本結構，本教學機器人的本體結構主要包括關節(jié)機器人的基座 (即底部和腰部的固定支撐 )結構及腰部關節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、大臂 (即大臂支撐架 )結構及大臂關節(jié)轉(zhuǎn)動哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 11 裝置、小臂 (即小臂支撐架 )結構及小臂關節(jié)轉(zhuǎn)動裝置和手腕 (即手腕支撐架 )及手腕關節(jié)轉(zhuǎn)動裝置和末端執(zhí)行器 (即手爪 )等主要結構。 基座是鋁制鑄件。其 內(nèi) 裝有一個驅(qū)動電機，一個 減速器和一個編碼器，此電機控制腰部關節(jié)的運動。在腰部殼體上是連接的是大臂，肩關節(jié)將腰部立柱和大臂連接起來，而控制肩部關節(jié)轉(zhuǎn)動的電機和減速器及編碼器安裝在腰部立柱殼體內(nèi)。這使得機器人的結構比較緊湊。在大臂末端連接的是小臂，連接它們的是肘關節(jié)。這個關節(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。小臂中安裝有兩個驅(qū)動電機及其相應的傳動系統(tǒng)，兩個驅(qū)動電機分別驅(qū)動手腕部分的旋轉(zhuǎn)關節(jié)和俯仰關節(jié)的運動。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。 總體結構方案圖如下所示： 圖 總體結構示意圖 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 12 傳 動系統(tǒng)及傳感檢測系統(tǒng)方案的選擇 前面已經(jīng)選擇好電機類型并擬定了教學機器人的運動速度和加速度，由于直流電機的轉(zhuǎn)速很快，而要求的轉(zhuǎn)速很低，因此每個驅(qū)動各關節(jié)運動的電機必須聯(lián)接上減速器。并且要精確控制電機的各種運動，就必須加上編碼器等傳感系統(tǒng)來控制。至于減速器和編碼器的具體型號選擇需要在確定好機器人的尺寸并通過計算方可確定，這在下面將做具體介紹。 機器人的傳動系統(tǒng)不僅僅指減速器，還包括軸承 、 軸 、 齒輪 、 蝸輪蝸桿等一系列的傳動結構所組成的傳動體系。因此這里邊涉及到一個傳動精度與傳動效率的問題。由于制造工藝和結構尺寸及 其形式的不同傳動精度也大不相同。機器人的傳動系統(tǒng)的精度對于機器人的綜合精度的影響很大。因此控制傳動精度也是結構設計要考慮到的一個重要因素。 至于傳動系統(tǒng)的效率，不同的傳動系統(tǒng)的效率是有著很大差異的，在某些場合，效率對選擇傳動系統(tǒng)起著至關重要的作用，例如水下無纜機器人及其它電池供電的場合，對效率的要求是非常高的。另外，效率低，那么所選的驅(qū)動元件的重量、體積、驅(qū)動功率等都要加大。 操作機器人根據(jù)具體用途可以選擇不同的選擇方式，如位置控制、速度控制、力控制等。在這些控制方式中，機器人系統(tǒng)所應具有的基本傳感單元是位 置和速度傳感器。無論是旋轉(zhuǎn)關節(jié)式還是混合式，控制機器人時通常需要將機器人的末端操作器在笛卡爾坐標空間中的位姿或軌跡，再通過控制各個關節(jié)聯(lián)動實現(xiàn)末端操作器的操作?？梢姍C器人的位置或速度控制通常是在關節(jié)空間進行的，這樣從工程的觀點看，機器人控制系統(tǒng)的基本單元是機器人單關節(jié)位置、速度控制，因此用于檢測關節(jié)位置或速度的傳感器也成為關節(jié)機器人關節(jié)組件的基本單元。本關節(jié)機器人的內(nèi)部傳感器主要是進行位置和速度控制 [810]。 位置傳感器 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 13 本教學機器人 采用光電編碼器來進行位置控制，而由于沒有移動關節(jié)，因此不采用直線型光電 編碼器。而旋轉(zhuǎn)式光電編碼器又分為多種類型，根據(jù)檢測角度位置的方式分為：絕對型編碼器和增量型編碼器兩種。本機器人選擇增量式編碼器，具體的編碼器型號根據(jù)電機選擇再行確定 [11]。 速度傳感器 在機器人控制系統(tǒng)中增量式編碼器一般作為位置傳感器，但也可以用作速度傳感器。當吧一個增量式編碼器用作速度檢測元件時，有兩種方法，模擬式方法和數(shù)字式方法。本機器人采用模擬式方法。 模擬方法，在這種方式下，關鍵是需要一個 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，它檢測的是電動機軸上的瞬時速度 [12]。如下圖所示。 圖 增量編碼器用作速度傳感器 教學機器人的控制方案 控制系統(tǒng)是教學機器人實現(xiàn)其目標功能不可缺少的 部分。機器人控制系統(tǒng)分為無線通訊、關節(jié)運動控制和外圍電路三部分 [13]。 外圍電路是整個系統(tǒng)不可缺少的一部份，它保證整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行，主要包括電源電路、復位電路、擴展電路和抗干擾電路四部分 。 本教學機器人采用的是有線控制。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 14 本教學機器人的控制方案 六自由度的教學機器人機器人是一個復雜的控制對象，從體 系上講，其是一個多自由度的串聯(lián)臂機 器人。要 實現(xiàn)有效的控制，就需要使各個關節(jié)之間相互協(xié)調(diào)，共同完成某一確定工作。同時，要兼顧到各關節(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]。 總體控制方案如圖 所示。 圖 總體控制結構圖 本教學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)關節(jié)運動的軌跡規(guī)劃、命令傳送 ， 以及關節(jié)位置信息反饋，下位機 采用AT89C51單片機作為機械各個關節(jié)位置定位的半閉環(huán)控制核心，由 AT89C51單片機進行關節(jié)的運動控制，實現(xiàn)與上位機 的信息交換，獲取關節(jié)運動指令信息，并及時將位置信息反饋至 上位機。但由于 PC 機一般只有兩個接口，哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 15 因此 在上、下位機之間使用 MoXA CI134接口卡， 再使用 RS85串口進行連接 ，每個單片機控制兩個關節(jié)運動 。 第一到第五關節(jié)采用類似的控制結構，這部分主要是 控制器和執(zhí)行器，控制器包括運動控制芯片和電機驅(qū)動芯片，然后將輸出的信號傳送到執(zhí)行機構使執(zhí)行器運行，而又由傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過一系列傳感器檢測電路分別反饋到單片機和控制器。 對于第六關節(jié)僅作一些粗略的 手爪角度 調(diào)整，要求精度不高，且受到結構的限制，因此不采用傳感器進行信號反饋?？梢詮膯纹瑱C發(fā)射一個 PWM 信號來進行位置控制[17]。 關節(jié)伺服系統(tǒng)設計 本教學機器人以 直流電機為驅(qū)動器，其關節(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)電機專用控制芯片組成的伺服系統(tǒng)； (3)多軸運動控制器。 以上三種方案各有特點，經(jīng)過比較，電機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，教學機器人關節(jié)運動控制采用電機專用控制芯片來實現(xiàn)機器人關節(jié)的伺服控制。 末端用 LM629N的運動控制器控制， LM629N輸出的脈寬調(diào)制幅度信號和方向信號直接過功率放大后驅(qū)動直流電機，增量式光電編碼器提供閉 環(huán)控制所需的反饋信號 (A、 B、 IN)，進而提高運動控制的精度。 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。由于目前直流電機通常采用 H橋電路作為功率放大電路，采用 PWM方式調(diào)速，因此采用LM629N組成關節(jié)伺服控制系統(tǒng)如圖 。高度集成化芯片 LM629N的應用簡化了系統(tǒng)硬件電路、提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度、同時減小了控制哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 16 器的 體積和重量 [18]。 圖 關節(jié)伺服控制 方案 本章小結 教學機器人系統(tǒng) 是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。本章首先根據(jù)任務要求擬定機器人的基本技術參數(shù)，然后確定其基本的結構形式以及手腕配置形式，對其驅(qū)動方式、傳動系統(tǒng)以及傳感檢測系統(tǒng)進行比較選擇，最后，介紹控制系統(tǒng)總體框架 ，本教學機器人整體控制系統(tǒng)方案采用 PC為上位機， AT89C51為下位機的主從式控制結構，選用 AT89c51和 LM629N控制芯片，實現(xiàn)機器人 的運動控制 。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 17 第 3章 教學機器人的運動分析 關節(jié)型機器人實質(zhì)上是依靠各關節(jié)坐標值的改變來運行的。 為了研究操作臂連桿 之間的唯一關系，可在每個連桿上固接一個坐標系，然后描 述這些坐標系之間的關系。 Denavit 和 Hartenberg 提出一種同樣的方法，用以 4 4的齊次變換矩陣描述相鄰兩兩岸的空間關系，從而推導出“手爪坐標系”相對于“參考系”的等價齊次變換矩陣，建立操作比的運動方程 [4， 10]。 機器人的位姿與運動的描述 從機構學的角度來看 ， 關節(jié)型機器人的機械本體實際上是一個由轉(zhuǎn)動和移動關節(jié)連接起來的開鏈式連桿系統(tǒng) ， 每個獨立驅(qū)動的關節(jié)決定著機器人的一個自由度。為了便于描述這些連桿的相互關系 ， 在每一連桿關節(jié)上設立一個坐標系 ， 利用齊次變換就可以方便地描述這些坐標系間的相對位置和姿態(tài) 。由于在我的設計中只用了轉(zhuǎn)動關節(jié) ， 所以只討論轉(zhuǎn)動關節(jié)的情況。 由于篇幅所限，這里不 分析 原理 過程，具體 步驟 請參考資料 [4][7]。 可 得出結論： n個關節(jié)機器人從手部到基系的總齊次變換矩陣 nT 為 nn AAAAT ?321? (31) 關節(jié)型機器人的廣義連桿變換齊次矩陣 從最一般的情況來考慮 ， 可以設想關節(jié)型機器人是由一系列具有空間彎曲軸線的桿件 (即廣義連桿 )連接在一起 構成的 ， 而直線軸線的桿件只是廣義桿件的特例 ， 廣義連桿的齊次矩陣只要經(jīng)適當簡化就可以直接用于各種特例情況。 本文對此也不做詳細介紹，由參考資料 [4][7]可得出以下結論。連桿坐標系的 關系可由四個齊次變換 iA 矩陣來描述，此關系為 ： 哈爾濱工程大學本科生畢業(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)即關節(jié)型機器人的廣義連桿變換齊次矩陣 ， 利用適當數(shù)量的該矩陣乘積 ， 就可以描述具有任意復雜程度的連桿坐標系統(tǒng)之間的變換。 運動學正解 機器人操作臂運動學研究的是手臂各連桿之間的位移關系、速度關系和 加速度關系。這里只討論位移關系。 連桿坐標系和連桿參數(shù) 按照 DH方法，建立如圖 ，并得出各關節(jié)的參數(shù)值如下表所示。 表 教學機器人的連桿參數(shù) 連桿 變量 1?i? 1?i? 1?ia 1?id 變量范圍 1 )0(1 ?? ?0 0 1d ??? 90~90 2 )0(2 ?? ?90 1a 0 ??? 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 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 19 連桿坐標系建立如圖 32所示。 (a)本體機構示意圖 (b)連桿座標系統(tǒng) 圖 教學機器人本體機構示意圖及連桿坐標系統(tǒng) 1? 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 20 連桿變換矩陣 根據(jù)連桿變換的齊次矩陣式和表 ，可求得個連桿變換矩陣如下 [1921]。 10T = ? ? ? ? ? ?1,11,10,1 dzT ra n saxT ra n sxR o t ? ? ?