【正文】 從課題的選擇到項目的最終完成，賀老師都始終給予我細心的指導(dǎo)和強大的支持。本課題的選題及研究過程都是在賀秋偉老師精心指導(dǎo)下完成的。畢竟“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，學(xué)習(xí)的范圍不限于書本，學(xué)習(xí)的范圍太 廣泛了，正所謂“學(xué)無止境”。 致謝 通過這次畢業(yè)設(shè)計，我感覺自己不僅理論知識很匱乏，而且不善于將理論用于實踐。 總體評價 由于自身學(xué)識有限，設(shè)計過程中不免會有不妥甚至錯誤之處，但總的來講，該工業(yè)機器人的實驗 還是成功的。 誤差分析 在這里重點對誤差來源進行 分析，以便確定誤差性質(zhì)，進而改進。 5 總結(jié) 設(shè)計經(jīng)驗 1）、底座形狀一定要設(shè)計合理； 2）、如果有條件，最好配備機械制動器； 3）、電位器要正確安裝，且其輸出電壓值不穩(wěn)定，有機械振動： 4）、關(guān)節(jié)角范圍要設(shè)置合理。 參考點的設(shè)置 為了使該機器人在程序啟動或退出時停留在預(yù)定參考點上，可以在函數(shù)中對其進行設(shè)置，且在程序運行中也可設(shè)置。為了便于修改位置，此次設(shè)計選取鏈表對這些結(jié)構(gòu)體進行動態(tài)存儲： 記錄結(jié)束后，點擊運行所記錄位置，運行過程中，機器人各關(guān)節(jié)都會運作，且運行的程序會以高亮度顯示出來。其程序流程如下圖所示： 圖 41 程序流程圖 經(jīng)實驗驗證，符合控制要求。 程序設(shè)計方法不唯一，經(jīng)過多次實驗和驗證，我們可以選擇效果最優(yōu)的程序控制方案。 提供電壓過大或過小都不能達到制動的目的，太小不足以平衡重力矩，太大反而會使其瞬間上升。為了使其在電機停轉(zhuǎn)后停止在預(yù)設(shè)位置，我們可以考慮給其關(guān)節(jié)處電機施加適當(dāng) 的電壓，這樣在其反向電流產(chǎn)生的阻力矩下，大臂和小臂就會保持平衡。 電機自鎖 由于此自動送料機器人各個關(guān)節(jié)均沒有安裝機械制動器，斷電后不能有效制動，因此我們需要通過軟件編程對其進行自鎖控制，特別針對肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)。 對于第一個關(guān)節(jié)來說，與之相關(guān)函數(shù)有 OnT1Button 、 OnF1Button 以及OnZ1Button，代表的含義分別為電機的停轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和 正傳，其運行速率靠電壓調(diào)節(jié)。其具體步驟如圖所示： 圖 41 函數(shù)的調(diào)用 直流電機伺服控制 為了提高電路與直流電機運作的效率，通常情況下使用 PWM 來調(diào)節(jié)較大功率直流電機的運行速率。 各關(guān)節(jié)運動控制及監(jiān)測 在相應(yīng)函數(shù)中設(shè)置定時器，再調(diào)用庫函數(shù)，根據(jù)電位器測得電壓和電位器標(biāo)定函數(shù)關(guān)系式 ，計算各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)角度，并記錄。 此次設(shè)計選取的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序中自帶了我們所需的所有數(shù)據(jù)和函數(shù)，大大地提高了編程的效率。 實現(xiàn)手段 由圖 35 可得出以下結(jié)論：工程控制計算機是通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出或者獲取各種信號（數(shù)字信號、模擬信號）來實現(xiàn)對工業(yè)機器人控制的目的。這就需要對其控制軟件進行設(shè)計。因此我們選擇可供給 0 至 32 伏特輸出， 0 至 2 安培輸出的雙路穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，其型號為 DH1715A3。其具體標(biāo)定如下圖所示： 圖 33 電位器 2 的標(biāo)定 圖 34 電位器 4 的標(biāo)定 最后根據(jù)各圖像，計算出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，標(biāo)定工作完成。電位器理論上是線性元件，然而由于滑動磨損及噪音的影響，實際上其輸出函數(shù)并不是一條直線，即存在偏移。其電路如下圖所示： 圖 32 端子板電路簡圖 電位器實際上就是一種可調(diào)電阻，安裝于該機器人的各個關(guān)節(jié)輸出軸，可根據(jù)其輸出電壓與關(guān)節(jié)角的一一對應(yīng)關(guān)系，求出相應(yīng)的方程。由于采集卡不便與每個傳感器直接相連，被測信號須經(jīng)過端子板的調(diào)理進入采集卡，因此端子板作用是舉足輕重的?？紤]到其穩(wěn)定性、可控性及成本，我們可以利用一臺已經(jīng)報廢的工業(yè)機器人上的 Maxon 伺服電機驅(qū)動器，其具體參數(shù)詳見說明書。 對于數(shù)據(jù)采集卡，選擇研 華 16 路數(shù)字量輸出的 PCL812PG 和 6 路獨立 D/A 輸出 的PCL726，其集體參數(shù)詳見說明書。接下來根據(jù)控制需求及成本確定合適的型號即可。 此次設(shè)計選擇 PC+數(shù)據(jù)采集卡控制系統(tǒng)，因為該種控制系統(tǒng)成本較低，且控制方式靈活，有利于自主編程，相對較符合本設(shè)計研究的需要。 微機控制系統(tǒng)通常有以下幾種模式： a）、單 PC 控制模式； b）、 Double PC 控制模式 。 通常情況下，機器人的控制系統(tǒng)硬件平臺分為兩種，即基于 PC 總線和基于 VME 總線的系統(tǒng)。由于控制系統(tǒng)的硬件對系統(tǒng)的各個方面有著決定性的影響，因此第一步我們先要選擇硬件平臺。但也存在缺陷，因為沒有機械制動器，所以斷電后不能有效制動。為了方便起見，我們可以采用軟件以實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)的電氣制動，而不必要在其原有機構(gòu)上增加機械制動器。 該自動送料機器人在以下兩種狀況下會使用到制動器： a)、一定條件下瞬間停止，并采取安全措施時； b）、突發(fā)斷電時，使用制動器以阻止接下來的自然運動，避免其損壞其它裝置。被稱之為無勵磁動作型電磁制動器。 機械制動器： 機械制動器種類繁多，包括電磁制動器、閘瓦式制動器、盤式制動器、螺旋式自動加載制動器等。同樣的，伺服電機就是一種可以把電能轉(zhuǎn)化為機械能以實現(xiàn)驅(qū)動，同時也可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能以實現(xiàn)制動的能量轉(zhuǎn)化裝置。通常分為兩種類型：電氣制動器與機械制動器。 齒形帶傳動也屬于同步帶傳動，可將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，通常用于平行軸間運動或力矩的傳遞，此次設(shè)計中，肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)的傳動采用的就是該傳動方式。綜合考慮該機器人的工況條件，對其傳動機構(gòu)提出以下幾點要求： a)、壽命較長，成本較低； b）、結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量較小； c）、傳動剛度要求足夠大； d）、回差盡可能小，以便獲得更高的控制精度。 m m 最大轉(zhuǎn)矩 — — m N m N cm 各個關(guān)節(jié)電機型號及其參數(shù)如下表所示： 表 21 工業(yè)機器人各驅(qū)動電機參數(shù) 電機參數(shù) 機械手爪 腕關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié) 肩關(guān) 節(jié) 腰關(guān)節(jié) 型 號 MULTIPLEX STELLSERVO MULTIPLEX STELLSERVO MAXON 2332 MAXON 2332 MAXON 2332 轉(zhuǎn)子慣量 — — 驅(qū)動方式的確定 既然以上三種驅(qū)動方式各 有千秋，那個我們就需要整體把握該自動送料機器人的具體要求： a）、驅(qū)動裝置質(zhì)量要求足夠輕，輸出功率、效率要求足夠高； b）、力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值要求足夠大，即響應(yīng)速度要快，可以實現(xiàn)頻繁啟動，正反切換； c）、靈敏度高，誤差要小； d）、噪音小，綠色無污染； e）、結(jié)構(gòu)適當(dāng)，成本較低； f）、便于操作維修，安全可靠。 缺點： （ 1） 由于其氣體壓縮性比較大，造成控制精度低，低速時難以達到高精度控制的目的； （ 2） 對設(shè)備的抗壓性要求較高； （ 3） 噪音較大，對環(huán)境有一定影響。 適用范圍： 通常情況下，適用于低速重載工業(yè)機器人。 液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的優(yōu)點： （ 1） 輸出功率很大，便于重載啟動； （ 2） 控制精度高，可達到連續(xù)軌跡控制； （ 3） 響應(yīng)速度很高，反應(yīng)靈敏，可達到無級調(diào)速； （ 4） 結(jié)構(gòu)緊湊，可直接驅(qū)動，且可對執(zhí)行機構(gòu)模擬化、標(biāo)準化； （ 5） 維修使用較方便； （ 6） 防爆性能較好。 缺點： （ 1） 控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，不便于維修，成本較高； （ 2） 通常情況下，電機需要配備減速裝置，難以直接驅(qū)動； （ 3） 若使用直流有刷電機，其換向時會產(chǎn)生火花，如遇可燃氣體易爆炸。此 3 種驅(qū)動模式各有特點，也各有所長。如下圖所示： 圖 28 該機器人三維模型 選擇合適的驅(qū)動方式 此工業(yè)機器人共有四個自由度，即四個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，外加末端執(zhí)行機構(gòu)機械手，總共需提供 5 個動力機構(gòu)。另外末端為執(zhí)行機構(gòu)搬運機械手。因此需要在接線盒外部設(shè)計出兩個出口，分別為引入線出口和引出線出口。在此，我們采用兩塊兒“ Z”型球墨鑄鐵作為支撐，以期達到穩(wěn)定的目的。 mm，數(shù)據(jù)結(jié)果可能會有誤差，但還是有很大參考價值的。機械手各機構(gòu)工況分析如下圖所示： 圖 23 ADAMS 仿真虛擬場景 接下來就是更重要的數(shù)據(jù)計算了，我們可以利用該軟件求出所需電機的力矩等參數(shù)。 為了形象真實的的表示機械手指的工作狀況，我們可以選用適當(dāng)?shù)能浖o予仿真處理，本次設(shè)計選取的軟件為虛擬樣機 ADAMS 軟件。另外，為了給手指的加緊提供足夠的預(yù)緊力，也為了使手指更加順利地加緊和松開物料，特意在兩根手指之間連接了一根彈簧。最終電機能夠驅(qū)使連桿 DE 往復(fù)擺動就是通過以上兩個機構(gòu)的串聯(lián)實現(xiàn)的，從而達到手指開閉的目的。此次設(shè)計采用回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。本次設(shè)計使用兩根手指，其結(jié)構(gòu)外形如下圖所示： 圖 21 該工業(yè)機器人機械手指形狀 為了實現(xiàn)加緊和松開物料的目的，傳動機構(gòu)須向機械手指傳送動力或運動。 工業(yè)機器人機械手指直接與物件相接觸。 機械手分類 因為被握工件材質(zhì)、質(zhì)量、形狀、尺寸以及表面粗糙度等因素的差異，所以工業(yè)機器人機械手的種類是很繁多的，我們可以大概地將其分為以下幾種： （ 1） 吸附式取料手； （ 2） 夾鉗式取料手； （ 3） 仿生多指靈巧手； （ 4） 專用轉(zhuǎn)換 器及操作器； （ 5） 其他類機械手。其不僅被廣泛地應(yīng)用于諸如噴漆、裝配、焊接、沖壓、鍛造等行業(yè)，而且在高溫、有毒、高放射性等惡劣環(huán)境中也經(jīng)?？吹綑C械手的身影。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。其中重點部分就是機械手的設(shè)計。 就目前總的發(fā)展形勢來看，工業(yè)機器人會有以下發(fā)展趨勢： (1)通過提高運動速度和運動精度 ，減少不必要的空間和質(zhì)量的占用；通過工業(yè)機器人功能部件模式化和標(biāo)準化的加速，達到將其不同模塊統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的目的； （ 2）為適應(yīng)不同場合作業(yè)任務(wù)的要求，必須設(shè)計研發(fā)出各種新型結(jié)構(gòu)的工業(yè)機器人，例如：為了達到精度要求而研發(fā)出微動機構(gòu)，為了達到機動靈活的目的而研發(fā)出多指靈巧手或移動是工業(yè)機器人； （ 3）為了讓其更好地適應(yīng)多變的外部環(huán)境，以期獲取更多外部信息，就需研發(fā)各種類型的傳感器和檢測元器件，包括視覺、觸覺、聽覺、味覺傳感器以及距離檢測、壓力監(jiān)測、加速度檢測、陀螺儀等裝置，而且微機控制越來越成為主流的控制方式。 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 智能化、仿生化是工業(yè)機器人的最高階段，隨著材料、控制等技術(shù)不斷發(fā)展，實