【正文】 反轉， 1 14 接測速計（本文中未用）， 10 之間是一個光耦合器，輸入“準備好”信號。 PCL812PG 主要特點 ： 16 路單端 12 位模擬量輸入 ； 2 路 12 位模擬量輸出 ； 采樣速率可編程，最快達 30KHz； 帶 DMA 或中斷的 A/D ； 16 路數字量輸出 。與普通個人計算機相比工業(yè)控制 PC 機有以下優(yōu)點：芯片篩選要比一般個人計四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 18 算機嚴格；芯片驅動能力較強； 整機內部結構屬于工業(yè)加強型，具有較強的防震和抗干擾性能；對環(huán)境（如溫度、濕度、灰塵等）的要求要比一般計算機低得多。底板有 9 個 ISA插槽， 4 個 PCI 插槽，帶 VGA 顯示器。因此本文選定 PC+數據采集卡的控制方式。近年來，隨著 PC 機性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價格卻大幅度降低，以 PC 機為核心的控制系統已廣泛被機器人控制領域所接受。一般常用的控制系統硬件平臺應滿足：硬件系統基于標準總線機構，具有可伸縮性；硬件結構具有必要的實時計算能力；硬件系統模塊化，便于添加或更改各種接口、傳感器和特 殊計算機等；低成本。四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 17 第 3 章 控制系統硬件 控制系統模式的選擇 構建機器人平臺的核心是建立機器人的控制系統。 采用電氣制動器，其優(yōu)點在于：在不增加驅動系統質 量的同時又具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機器人上安裝機械制動器會使質量有所增加，故應盡量避免。 本文中，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的肩關節(jié)和肘 關節(jié)在停止轉動的時候，會因為重力因素而下落。換言之，伺服電機是一種能量轉換裝置，可將電能轉換為機械能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。又因為這種制動器常用于安全制動場合，所以也 稱為 安全制動器。從原理上講，這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開，這時制動器不起制動作用，而當電源斷開線圈中無勵磁電流時，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。其中最典型的是電磁制動器。 在機器人機構中，需 要使用制動器的情況如下： ，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。 齒形帶傳動原理如圖 所示。為減小機構運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。對機器人的傳動機構的一般要求有： ，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕； ，即由驅動器的輸出軸到連桿關節(jié)的轉軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動； 差要小，即由正轉到反轉時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； 、價格低。cm m 額定轉速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高轉速 9200rpm 9200rpm 9200rpm 四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 15 轉子慣量 m m Nm N 表 機器人驅動電機參數 電機參數 腰關節(jié) 肩關節(jié) 肘關節(jié) 腕關節(jié) 手爪 型號 MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELLSERVO MULTIPLEX STELLSERVO 額定電壓 18v 18v 18v 6v 6v 額定轉矩 N 基于上述驅動系統的特點和機器人驅動系統的設計要求，本文選用直流伺服電機驅動的方式對機器人進行驅動。功率 /質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現直接驅動。 機器人常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。 mm，這四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 13 為電機的挑選提供了一定的依據。 圖 虛擬樣機場景 下面更進一步計算出所需要的電機力矩。 另外，在選用電機的時候，要使電機的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。 圖 中的粗線和細 線表示機構運行的兩個極限位置。 圖 機械手機構簡圖 在圖 中， O 為電機輸出軸，曲柄 OA、連桿 AB、滑塊 B 和支架構成曲柄滑塊機構；滑塊 B、連桿 BC、搖桿 CE 和支架構成滑塊搖桿機構。本文采用回轉型傳動機構。該設計采用兩個手指，其外形如圖 所示 圖 機械手手指形狀 傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實 現夾緊和松 開動作的機構。 手指是直接與工件接觸的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線 出口。為保證機器人運行的穩(wěn)定性，采用兩塊“ Z”字形實心鑄鐵作支撐。 自由度及關節(jié) 圖 機器人結構示意圖 該機器人有四個自由度，即腰關節(jié) 、肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)，都為轉動關節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。并采用專家系統進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統采用微機進行控制。 機器人發(fā)展趨勢 隨著現代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產效率。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚 56 年，但是由于種種原因，工業(yè)機器 人技術的發(fā)展比較慢。很快研制出國產化機器人，技術水平很快趕上美國并超過其他國家。就日本來說， 1967 年，日本豐田織機公司 引進美國的“ Versatran” ,川崎重工公司引進“ Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統的高識別能力微型 機器人。據當時統計，美國大約 200 臺工業(yè)機器人，工作時間共達 60 萬小時以上，與此同時，出現了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（ Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50 臺機器人的系統。 19701972 年，工業(yè)機器人處于技術發(fā)展階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司 1968 年訂購了 68 臺工業(yè)機器人； 1969 年該公司又自行研制出 SAM 新工業(yè)機器人，并用 21 臺機器人 組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司 32 條沖壓自動線上的 448 臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。 1967 年，該公司生產的工業(yè)機器人定型為 1900 型。 美國工業(yè)機器人技術的發(fā)展，大致經歷了以下幾個階段： 年為試驗定型階段。修改封閉系統的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數情況下技術上是不可能的。研究人員為了提高機器人系統的性能和智能水平，要求機器人系統具有開放結構和集成各種外部傳感器的能四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 7 力。制造業(yè)要求機器人系統具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產過程。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它設有微型電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。 目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。 1958 年美國聯合控制公司研制出第一臺機器人。其中四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 6 的機械系統又叫操作機 (Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構部分。驅動機構提供機器人各關節(jié)所需要的動力，傳動系統則將驅動 力轉換為滿足機器人各關節(jié)力矩和運動所要求的驅動力或力矩。執(zhí)行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅動－傳動系統提供動力，按控制系統的要求完成工作任務。它們之間的相互關系如圖 所示。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機器人的。 執(zhí) 行 機 構機器人控 制 系 統驅 動 傳 動 系 統手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動 ）電 、 液 或 氣 驅 動 裝 置單 關 節(jié) 伺 服 控 制 器關 節(jié) 協 調 及 其 它 信 息 交 換計 算 機 圖 機器人的一般組成 對于現代智能機器人而言，還具有智能系統，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。這些系統的性能就決定了機器人的性能。 機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中關節(jié)型機器人以其結構緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結構形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人。這種機器人在國外通常被稱之為“ Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（ Manipulator）。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。 機器人一般分為三類。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機器 人稱為通用機器人。 機器人是一種具有人體上肢的部