【正文】 成本普遍較高，在某種程度上限制了該項技術(shù)的廣泛應(yīng)用，因此，研制經(jīng)濟(jì)型、實用化、高可靠性機器人系統(tǒng)具有廣泛的社會現(xiàn)實意義和經(jīng)濟(jì)價值。綜述近幾年機器人技術(shù)研究和發(fā)展的狀況，結(jié)合塑料一次擠出成型機和塑料抓取機械手的研制過程中出現(xiàn)的問題。在充分發(fā)揮機、電、軟、硬件各自特點和優(yōu)勢互補的基礎(chǔ)上，對物料抓取機械手整體機械結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計，提出了一套經(jīng)濟(jì)型設(shè)計方案。采用直角坐標(biāo)和關(guān)節(jié)坐標(biāo)相結(jié)合的框架式機械結(jié)構(gòu)形式，這種方式能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作靈活性。傳動裝置的作用是將驅(qū)動元件的動力傳遞給機器人機械手相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，以實現(xiàn)各種必要的運動，傳動方式上采用結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大的蝸輪蝸桿傳動和將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的螺旋傳動。機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計往往受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時也要考慮價格因素的影響以及能夠達(dá)到的技術(shù)水平。由于步進(jìn)電機能夠直接接收數(shù)字量，響應(yīng)速度快而且工作可靠并無累積誤差，常用作數(shù)字控制系統(tǒng)驅(qū)動機構(gòu)的動力元件，因此，在驅(qū)動裝置中采用由步進(jìn)電機構(gòu)成的開環(huán)控制方式，這種方式既能滿足控制精度的要求，又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)性、實用化目的，在此基礎(chǔ)上，對步進(jìn)電機的功率計一算及選型問題經(jīng)行了分析。步行機構(gòu)因其相對于普通輪式機構(gòu)有許多獨特的優(yōu)越性，在較多的特殊領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前不斷由新型多組步行機構(gòu)面世，他們大多智能化程度較高，機構(gòu)和控制復(fù)雜。人們對步行機構(gòu)的研究常常要借助于對動物的仔細(xì)觀察和運動機理的分析。我們注意到，昆蟲在平坦無阻的地形表面快速行進(jìn)時，多以交替的三角步態(tài)運動，即六足分為兩組，身體以后的前后足及對側(cè)的中足各作為一組，形成一個穩(wěn)定的三角支撐。兩組腿交替的擺動和支撐，實現(xiàn)昆蟲的快速運動。本文所提出的簡易足式機器人具有6個支撐足，模仿了昆蟲的行走步態(tài)，能夠在平地上前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎，在遇到障礙時能自行避開。1機構(gòu)設(shè)計分析設(shè)計是從實際或者假想的需要開始的。對于現(xiàn)有的設(shè)備可能需要在耐用性，效率，重量，速度或者成本等方面做進(jìn)一些改進(jìn)工作；也可能要新的設(shè)備完成以前由人來做的工作，例如計算或者裝配。當(dāng)目標(biāo)完全或部分被確定以后，下一個設(shè)計步驟是對能夠完成所需要功能的機構(gòu)及其布局進(jìn)行總?cè)赵O(shè)計。對于此項工作，徒手畫的草圖是很有價值的，它不僅可以記錄下我們的想法，而且還有助于與別人進(jìn)行討論，特別是和自己的大腦進(jìn)行交流，從而促進(jìn)創(chuàng)新想法的產(chǎn)生。當(dāng)一些零件的大致形狀和幾個尺寸被確定后，就可以開始認(rèn)真的分析工作。分析工作的目的是要在重量最輕，成本最低的情況下，獲得令人滿意，即優(yōu)良的工作性能，并且還要安全耐用。對于每個關(guān)鍵承載界面，應(yīng)該尋求最佳的比例和尺寸，同時要對這幾個零件的受力進(jìn)行平衡。要對材料和處理方式進(jìn)行選擇。只有根據(jù)力學(xué)原理進(jìn)行分析才能達(dá)到這些重要目的。這些分析包括根據(jù)靜力學(xué)原理分析反作用力和充分利用摩擦力，根據(jù)動力學(xué)原理分析慣性，加速度和能量；根據(jù)彈性力學(xué)和材料力學(xué)分析應(yīng)力和變形；根據(jù)流體力學(xué)來分析潤滑和流體傳動。最后，完成基于功能要求和可靠性所進(jìn)行的設(shè)計，且要制作一臺樣機。如果試驗結(jié)果令人滿意，而且該裝置將要進(jìn)行批量生產(chǎn)，就應(yīng)該對最初提出的設(shè)計方案做一些修改，使其能以較低的成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。在以后的制造和使用期內(nèi)，如果產(chǎn)生了新的想法或者根據(jù)試驗和經(jīng)驗所做的進(jìn)一步分析結(jié)果表明，可以有更好的替代方案，則很可能對原設(shè)計方案進(jìn)行修改。銷售吸引力，客戶的滿意程度和制造成本均與設(shè)計有關(guān)，而設(shè)計能力則與工程創(chuàng)新的實現(xiàn)是密切相關(guān)的。六足移動機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)簡圖。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)較為簡單，由于軀干部分及六足、拉桿和直流電動機組成。如1和3由拉桿a連接；足4和足6由拉桿f連接，它們可繞軀干上各自的軸心在水平面內(nèi)擺動一定的角度；足2和足5也由拉桿連接，可繞軀干上的軸心在 垂直平面內(nèi)擺動一定的角度。這樣，足1和足3以及拉桿a和軀體形成一個平面平行四連桿機構(gòu)；足4和足6以及拉桿f和軀體形成另一個平面平行四連桿機構(gòu)。該六足移動機構(gòu)使用三套電機驅(qū)動，其中一套電機驅(qū)動足1和足3，第二套電機驅(qū)動足4和足6，第三套電機驅(qū)動驅(qū)動足2和足5，相對以往的各種步行機構(gòu)，該機構(gòu)的主要特點是：結(jié)構(gòu)簡單，步態(tài)新穎，控制容易實現(xiàn)。分別驅(qū)動三套電機運動可以實現(xiàn)機構(gòu)在地面以不同步態(tài)行走，實現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。步行機構(gòu)的行走方式分為靜態(tài)行走和動態(tài)行走兩類。靜態(tài)行走方式是指步行機構(gòu)在行走過程中始終有三只以上的足同時著地；動態(tài)行走方式是指除此以外的其余行走方式。更準(zhǔn)確的說，靜態(tài)行走是指步行機構(gòu)在行走過程中，其重心總是處于穩(wěn)定支撐平面內(nèi)。支撐平面是指支撐足之間所組成的多邊形。為獲得較好的穩(wěn)定性，本文設(shè)計中將六足分為兩組，身體一側(cè)的前足、后足及另一側(cè)的中足作為一組，形成一個穩(wěn)定的三角支撐。兩組足交替的擺動和支撐，實現(xiàn)機構(gòu)的移動。理論上而言，六足機構(gòu)可供選擇的步態(tài)較多，但也應(yīng)遵循一般的準(zhǔn)則：（1）所選步態(tài)應(yīng)符合動物的行走習(xí)慣。經(jīng)驗和理論分析表明，動物的行走方式是自然界中最合理的，這些行走方式不僅能使步行機構(gòu)平衡，而且能使所消耗的能量減少到最低程度。（2）所選步態(tài)應(yīng)使控制盡可能的簡單，和動物的行走不同，步行機構(gòu)的行走必須加入以人為的控制，如果所選步態(tài)存在控制上的困難甚至難以實現(xiàn)，顯然意義是不大的。綜合考慮這兩條準(zhǔn)則以及機構(gòu)的整體構(gòu)成，對機構(gòu)的行走步態(tài)作如下規(guī)劃。圖11六足機構(gòu)前進(jìn)時的行走步態(tài)分析六足機構(gòu)前進(jìn)時的行走步態(tài)，如圖11所示。六足機構(gòu)開始運動后，第一步，足2和足5擺動一個角度，使軀體左側(cè)抬起，足足3和足5懸空，足足4和足6著地，并形成一個三角支撐區(qū)域。若行走過程中，該機構(gòu)的重心始終位于該三角形內(nèi)，則六足機構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，不至于摔倒。第二步，著地的足4和足6相對軀體向后擺動一定的角度，實現(xiàn)軀體相對地面向前的第一步移動。第三步，懸空的足1和足3向前擺動一個角度。第四步足2和足5反方向擺動一個角度，使軀體右側(cè)抬起，足足4和足6懸空，足足3和足5著地。第五步，著地的足1和足3相對軀體向后擺動一個角度，實現(xiàn)軀體相對地面向前的第二步移動。第六步，懸空的足4和足6相對軀體向前擺動一個角度。如此(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)往復(fù)循環(huán)。后退時的步態(tài)依次類推。模擬了該六足機構(gòu)前進(jìn)的連續(xù)運動步態(tài)?？梢钥闯觯摍C構(gòu)的行走方向并不是直線，如果先邁右腿則機構(gòu)最終向左偏移。而且，當(dāng)機構(gòu)邁出第一步后，整個軀干與原來的位置會形成一個夾角ψ，機構(gòu)的前進(jìn)距離為m。邁出第二步后，機構(gòu)的姿態(tài)回到原位，前進(jìn)距離為n，向左偏移距離為s。圖12 六足機器人轉(zhuǎn)彎示意圖如圖12所示，為六足機構(gòu)右轉(zhuǎn)時的行走步態(tài)。六足機構(gòu)開始運動后，第一步，足2和足5擺動一個角度，使軀體左側(cè)抬起，足足3和足5懸空，足足4和足6著地，并形成一個三角形支撐區(qū)域。第二步，著地的足4和足6相對軀體向后擺動一定的角度，實現(xiàn)軀體相對地面向前的第一步轉(zhuǎn)動。如圖所示，此時軀體的位姿已相對上一位姿轉(zhuǎn)動一個角度α。第三步，懸空的足1和足3相對軀體向后擺動一定的角度。第四步足2和足5反方向擺動一個角度，實現(xiàn)軀體相對地面向前的第二步轉(zhuǎn)動。如圖所示此時軀體的位姿已相對上一位姿又轉(zhuǎn)動了一個角度α。懸空的足4和足6相對軀體向前擺動一個角度。如此(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)往復(fù)循環(huán)，便可實現(xiàn)六足機構(gòu)向左轉(zhuǎn)動。右轉(zhuǎn)則以次類推。在整個周期中包含6步，一個周期可實現(xiàn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動2α角。 穩(wěn)定性分析采用穩(wěn)定角來評定步行機構(gòu)時的穩(wěn)定性簡單明了。先進(jìn)行如下定義：（1）支撐域 由構(gòu)成支撐圖形的支撐足之間所組成的多邊形，這些連線稱為支撐域的支撐邊界（2）支撐邊界的穩(wěn)定角θ 指步行機構(gòu)機體質(zhì)心與該邊界所成平面同過該邊界的鉛垂面所成的角度。前、后、左、右穩(wěn)定角分別對應(yīng)前、后、左、右邊界鉛垂面方向的夾角。任一支撐域的穩(wěn)定角等于該域內(nèi)所有支撐邊界穩(wěn)定角的最小值。步行機構(gòu)是否穩(wěn)定可以用穩(wěn)定角來判斷：①穩(wěn)定角 θ＞0，步行機構(gòu)處于靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)；②穩(wěn)定角θ =0，步行機構(gòu)處于臨界靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)；③穩(wěn)定角θ＜0 時，步行機構(gòu)靜態(tài)不穩(wěn)定。2 控制系統(tǒng)昆蟲行走時，前后足向前擺動，中間兩足左右擺動。系統(tǒng)在工作狀態(tài)的任一時刻應(yīng)該能夠檢測到各足的位置，本機構(gòu)中采用航模直流伺服電機。電位器內(nèi)置在航模電機齒輪箱中，電位器的旋轉(zhuǎn)軸與電機的輸出軸是同軸的。系統(tǒng)自帶電源，工作時，單片機按預(yù)先編制的程序控制電機的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)時，電位器滑動端的電壓也隨之變化，該電壓被引入單片機的A\D轉(zhuǎn)換單元，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后為一個數(shù)字量。程序中可以設(shè)定該數(shù)字量的上下限來控制電機向兩個方向旋轉(zhuǎn)的極限位置。傳感器還包括兩個行程開關(guān)和一個反射式紅外傳感器，行程開關(guān)可以看作該六足機構(gòu)的觸角，當(dāng)該觸角碰到障礙物時，會觸發(fā)一個脈沖，使單片機產(chǎn)生中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序；反射式紅外傳感器也是同樣的用途，只是不用接觸到摩擦物。這樣，該機構(gòu)就可以按預(yù)先編制好的程序和傳感器接受到的信號情況自主行走?？刂撇糠质钦麄€機械系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵和核心，它在結(jié)構(gòu)和功能上的劃分和實現(xiàn)直接關(guān)系到機器人系統(tǒng)的可靠性、實用性，也影響和制約機械手系統(tǒng)的研制成本和開發(fā)周期。在控制主機的選用上，采用結(jié)構(gòu)緊湊、擴(kuò)展功能強和可靠性高的PC工業(yè)控制計算機作為主機，配以PCL839卡主要承擔(dān)系統(tǒng)功能初始化、數(shù)據(jù)運算與處理、步進(jìn)電機驅(qū)動以及故障診斷等功能。同時對PCL839卡的結(jié)構(gòu)特點、功能原理和其高定位功能等給與了分析。硬件是整個控制系統(tǒng)以及極限位置功能賴以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則是計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，軟件設(shè)計的目的是以最優(yōu)的方式將各部分功能有機的結(jié)合起來，使系統(tǒng)具有較高的運行效率和較強的可靠性。在物料抓取機械手軟件的設(shè)計上，采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，分為系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和故障狀態(tài)檢測與處理等幾部分。主控計算機和各控制單元之間全部由PCL839卡聯(lián)系，并且由該卡實現(xiàn)抗干擾等問題，減少外部信號對系統(tǒng)的影響。3實驗根據(jù)前述原理和設(shè)計方案，制作了六足移動機器人的樣機，其基本機構(gòu)尺寸為：軀干加上觸角總長290mm；寬230mm；高110mm。該樣機自帶電源，按預(yù)先編制好的程序和傳感器接受的信號情況自主行走。對樣機的測試結(jié)果顯示六足機器人可以平穩(wěn)地在硬地面上行走，自行躲避障礙。在完成機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對物料抓取機械手運動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了分析。運動學(xué)分析是路徑規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)，對操作臂進(jìn)行了運動學(xué)正、逆問題的分析可以完成操作空間位置和速度向驅(qū)動空間的映射，采用齊次坐標(biāo)變換法得到了操作臂末端位置和姿態(tài)隨關(guān)節(jié)夾角之間的變換關(guān)系，采用幾何法分析了操作臂的逆向運動學(xué)方程求解問題，對控制系統(tǒng)設(shè)計提供了理論依據(jù)。機器人動力學(xué)是研究物體的運動和作用力之間的關(guān)系的科學(xué)，研究的目的是為了滿足是實時性控制的需要，本文采用牛頓歐拉方法對物料抓取機械手動力學(xué)進(jìn)行了分析，計算出了關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩，為步進(jìn)電機的選型和動力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。步進(jìn)電機的啟停頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其最高運行頻率，為了提高工作效率，需要步進(jìn)電機高速運行并快速啟停時，必須考慮它的升，降速控制問題。電機的升降速控制可以歸結(jié)為以某種合理的力一式控制發(fā)送到步進(jìn)電機驅(qū)動器的脈沖頻率，這可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件方法來實現(xiàn)。本文提出了一種算法簡單、易于實現(xiàn)、理論意義明確的步進(jìn)電機變速控制策略:定時器常量修改變速控制方案。該方法能使步進(jìn)電機加速度與其力矩——頻率曲線較好地擬合，從而提高變速效率。而且它的計算量比線性加速度變速和基于指數(shù)規(guī)律加速度的變速控制小得多。通過實驗證明了該方法的有效性。最后，對論文主要研究內(nèi)容和取得的技術(shù)成果進(jìn)行了總結(jié)，提出了存在的問題和不足，同時對機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了展望。