【正文】 人以其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。這些系統(tǒng)的性能就決定了機器人的性能。圖11 機器人的一般組成對于現(xiàn)代智能機器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。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(gòu)成一個機器人的。它們之間的相互關(guān)系如圖12 所示。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅(qū)動機構(gòu)提供機器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機器人各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。 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。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領(lǐng)域不斷擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。 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(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 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。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。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)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(chǎn)過程。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：（1）19631967年為試驗定型階段。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。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。19701972年，工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。據(jù)當時統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。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。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。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(shù)的發(fā)展比較慢。 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。 圖1該機器人具有四個自由度 ，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；還有一個用于夾持物料的機械手。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。接線盒子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。手指是直接與工件接觸的部件。該設計采用兩個手指， 機械手手指形狀 傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。 機械手機構(gòu)簡圖 ，O為電機輸出軸，曲柄OA、連桿AB、滑塊B和支架構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)；滑塊B、連桿BC、搖桿CE和支架構(gòu)成滑塊搖桿機構(gòu)。 。 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。 虛擬樣機場景下面更進一步計算出所需要的電機力矩。mm，這為電機的挑選提供了一定的依據(jù)。機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。 很大，壓力范圍為50～140Pa大，壓力范圍為48～60Pa，最大可達Pa 很高較高功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設計要求，本文選用直流伺服電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。m Nm Nm最大轉(zhuǎn)矩mcm9200rpmcm由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構(gòu)來增加力矩，提高帶負載能力。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設計，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的運動。齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。齒輪帶的傳動比計算公式為 齒輪帶的平均速度為 齒形帶傳動制動器及其作用：制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛瑥亩惯\動的機械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩類。機械制動器： 機械制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機，伺服電機本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件。因此這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。電氣制動器 電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。但對于直流電機、同步電機和感應電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當?shù)闹苿与娐贰Ａ硗?，由于各方面限制，不方便在原有機構(gòu)上添加機械制動器，所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩Ｊ紫刃枰x擇和硬件平臺，控制系統(tǒng)硬件平臺對于系統(tǒng)的開放性、實現(xiàn)方式和開發(fā)工作量有很大的影響。到目前為止，一般機器人控制系統(tǒng)的硬件平臺可以大致分為兩類：基于VME總線（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開放標準總線）的系統(tǒng)和基于PC總線的系統(tǒng)?；赑C機控制系統(tǒng)一般包括單PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP運動控制卡的控制模式，PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式靈活，成本低廉，有利于本文設計中的廢物利用，在程序和算法上可以自主編制各類算法，適合本課題研究的需要。 控制系統(tǒng)框圖在此選用研華工業(yè)控制機,主頻233MHz,內(nèi)存128兆，32位數(shù)據(jù)總線。其性能價格比優(yōu)越，兼容性好，有利于軟硬件維護和升級。芯片篩選要比一般個人計算機嚴格；整機內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于工業(yè)加強型，具有較強的防震和抗干擾性能；在本設計中我們主要用到研華公司的PCL812PG和PCL726，其參數(shù)如下。 16路單端12位模擬量輸入 采樣速率可編程，最快達30KHz 16路數(shù)字量輸出PCL726主要特點： 12位分辨率雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換器 多種電壓范圍：+/10V，+/5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA電流環(huán)。在伺服控制器前面，有5個旋鈕調(diào)節(jié)器涌來調(diào)節(jié)電機的五個參數(shù)，下邊有10個DIP開關(guān)，用來選擇控制器工作狀態(tài)。端子板的主要作用有兩個：①．端子板是采集卡與每一個信號調(diào)理電路或驅(qū)動裝置之間的電器連接部件，給每一路輸入、輸出信號提供單獨的信號線和地線，使每一路通道可單獨接通或斷開，系統(tǒng)檢修和排除故障時不必全部停止運行。 ，為防止直流電機產(chǎn)生的噪聲影響電路的正常運行，使用了光電耦合器4N2