机械手毕业设计

在当本大年夜范畴制造业中，企业为进步临盆效力，保证产品德量，广泛看重临盆过程的主动化程度，工业机械人作为主动化临盆线上的重要成员，逐步被企业所认同并采取。工业机械人的技巧水平和应用程度在必定程度上反应了一个国度工业主动化的程度，今朝，工业机械人重要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等反复性同时劳动强度极大年夜的工作，工作方法一样采取示教再现的方法。

本文将设计一台四自由度的工业机械人，用于给冲压设备输送物料。起首，本文将设计机械人的底座、大年夜臂、小臂和机械手的构造，然后选择合适的传动方法、驱动方法，搭建机械人的构造平台；在此差不多上，本文将设计该机械人的操纵体系，包含数据采集卡和伺服放大年夜器的选择、反馈方法和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及操纵软件的设计，重点加强操纵软件的靠得住性和机械人运行过程的安稳性，最终实现的目标包含：关节的伺服操纵和制动问题、及时监测机械人的各个关节的活动情形、机械人的示教编程和在线修改法度榜样、设置参考点和回参考点。

关键词：机械人，示教编程，伺服，制动

ABSTRACT

In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the

production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the

automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by

enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.

In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.

KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake

目 录

第1章 绪论…………………………………………………………………… 1 1.1 机械人概述…………………………………………………………… 2 1.2 机械人的汗青、近况………………………………………………… 2 1.3 机械人的成长趋势…………………………………………………… 4 第2章 机械人实验平台介绍及机械手的设计……………………………… 5 2.1自由度及关节………………………………………………………… 5 2.2 基座及连杆…………………………………………………………… 5

2.2.1 基座…………………………………………………………… 5 2.2.2 大年夜臂……………………………………………………………

6

2.2.3 小臂…………………………………………………………… 6 2.3 机械手的设计………………………………………………………… 7 2.4 驱动方法……………………………………………………………… 9 2.5 传动方法……………………………………………………………… 11 2.6 制动器………………………………………………………………… 12 第3章 操纵体系硬件……………………………………………………… 13 3.1 操纵体系模式的选择………………………………………………… 14 3.2 操纵体系的搭建……………………………………………………… 14

3.2.1 工控机………………………………………………………… 15 3.2.2 数据采集卡………………………………………………………15

3.2.3 伺服放大年夜

器………………………………………………………16

3.2.4 端子板……………………………………………………………16 3.2.5电位器及其标定………………………………………………… 18 3.2.6电源……………………………………………………………… 21 第4章 操纵体系软件…………………………………………………………21 4.1预期的功能……………………………………………………………21

4.2 实现方法…………………………………………………………… 22

4.2.1时显示各个关节角及活动范畴操纵 ……………………… 22 4.2.2直流电机的伺服操纵…………………………………………22 4.2.3电机的自锁……………………………………………………22 4.2.4示教编程及在线修改法度榜

样……………………………………25

4.2.5设置参考点及回参考点………………………………………26

第5章 总结…………………………………………………………………… 26

5.1 所完成的工作…………………………………………………………26 5.2 设计体会…………………………………………………………… 27 5.3 误差分析…………………………………………………………… 27 5.4 能够连续摸索的偏向…………………………………………………

28

致 谢……………………………………………………………………………29 参考文献……………………………………………………………………… 30

第1章 绪论

1.1 机械人概述

在现代工业中，临盆过程的机械化、主动化已成为凸起的主题。化工等连续性临盆过程的主动化已全然获得解决。但在机械工业中，加工、装配等临盆是不连续的。专用机床是大年夜批量临盆主动化的有效方法；程控机床、数控机床、加工中间等主动化机械是有效地解决多品种小批量临盆主动化的重要方法。但除切削加工本身外，还有大年夜量的装卸、搬运、装配等功课，有待于进一步实现机械化。机械人的显现并获得应用，为这些功课的机械化奠定了优胜的差不多。

“工业机械人”（Industrial Robot）：多半是指法度榜样可变（编）的自力的主动抓取、搬运工件、操尴尬难象的装配（国内称作工业机械人或通用机械人）。

机械人是一种具有人体上肢的部分功能，工作法度榜样固定的主动化妆置。机械人具有构造简单、成本低廉、修理轻易的优势，但功能较少，适应性较差。今朝我国常把具有上述特点的机械人称为专用机械人，而把工业机械人称为通用机械人。

简而言之，机械人确实是用机械代替身手，把工件由某个处所移向指定的工作地位，或按照工作要求以把持工件进行加工。

机械人一样分为三类。第一类是不须要人工操作的通用机械人，也即本文所研究的对象。它是一种自力的、不从属于某一主机的装配，能够依照义务的须要编制法度榜样，以完成各项规定操作。它是除具备通俗机械的物理机能之外，还具备通用机械、经历智能的三元机械。第二类是须要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它来源于原子、军事工业，先是经由过程操作机来完成特定的功课，后来成长到用无线电讯号操作机械人来进行探测月球等。工业中采取的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械人，重要从属于自念头床或主动临盆线上，用以解决机床高低料和工件传送。这种机械人在国外平日被称之为

“Mechanical Hand”，它是为主机办事的，由主机驱动。除少数外，工作法度榜样一样是固定的，是以是专用的。

机械人按照构造情势的不合又可分为多种类型，个中关节型机械人以其构造紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大年夜，甚至能绕过基座四周的一些障碍物

等如许一些特点，成为机械人中应用最多的一种构造情势，世界一些有名机械人的本体部分都采取这种机构情势的机械人。

要机械人像人一样拿取器械，最简单的全然前提是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分构成的抓取和移念头构——履行机构；像肌肉那样使手臂活动的驱动－传动体系；像大年夜脑那样批示手动作的操纵体系。这些体系的机能就决定了机械人的机能。一样而言，机械人平日确实是由履行机构、驱动－传动体系和操纵体系这三部分构成，如图 1-1 所示。

手部执行机构腕部臂部机器人腰部基座部（固定或移动）驱动-传动系统电、液或气驱动装置单关节伺服控制器控制系统关节协调及其它信息交换计算机

图1-1 机械人的一样构成

关于现代智能机械人而言，还具有智能体系，主假如感到装配、视觉装配和说话辨认装配等。今朝研究重要集中在付与机械人“眼睛”，使它能辨认物体和躲避障碍物，以及机械人的触觉装配。机械人的这些构成部分并不是各自自力的，或者说并不是简单的叠加在一路，从而构成一个机械人的。要实现机械人所期望实现的功能，机械人的各部分之间必定还存在着互相接洽关系、互相阻碍和互相制约。它们之间的互相关系如图1-2 所示。

位形检测驱动传动装置控制系统（一）控制系统（二）执行机构工作对象智能系统 图1-2 机械人各构成部分之间的关系

机械人的机械体系重要由履行机构和驱动－传动体系构成。履行机构是机械人赖以完成工作义务的实体，平日由连杆和关节构成，由驱动－传动体系供给动力，按操纵体系的要求完成工作义务。驱动－传动体系重要包含驱念头构和传动体系。驱念头构供给机械人各关节所须要的动力，传动体系则将驱动力转换为知足机械人各关节力矩和活动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机械人分为机械体系、驱动体系和操纵体系三大年夜部分。个中的机械体系又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的履行机构部分。

1.2 机械人的汗青、近况

机械人起首是从美国开端研制的。1958年美国结合操纵公司研制出第一台机械人。它的构造特点是机体上安装一反转展转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，操纵体系是示教型的。

日本是工业机械人成长最快、应用最多的国度。自1969年从美国引进两种典范机械人后，大年夜力从事机械人的研究。

今朝工业机械年夜部分还属于第一代，重要依附人工进行操纵；操纵方法则为开环式，没有辨认才能；改进的偏向主假如降低成本和进步精度。 第二代机械人正在加紧研制。它设有微型电子运算机操纵体系，具有视觉、

触觉才能，甚至听、想的才能。研究安装各类传感器，把感到到的信息进行反馈，使机械人具有感到机能。

第三代机械人（机械人）则能自力地完成工作过程中的义务。它与电子运算机和电视设备保持接洽，并慢慢成长成为柔性制造体系FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单位FMC(Flexible Manufacturing Cell)

中的重要一环。

跟着工业机械人研究制造和应用范畴赓续扩大年夜，国际性学术交换活动十分爽朗，欧美各国和其他国度学术交换活动开展专门多。国际工业机械人会议ISIR决定每年召开一次会议，评论辩论和研究机械人的成长及应用问题。 今朝，工业机械人重要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，不管数量、品种和机能方面还不克不及知足工业临盆成长的须要。应用工业机械人代替身工操作的，主假如在危险功课（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工功课的情形。

在国外机械制造业中，工业机械人应用较多，成长较快。今朝重要应用于机床、模锻压力机的高低料，以及点焊、喷漆等功课，它可按照事先制订的功课法度榜样完陈规定的操作，但还不具备传感反馈才能，不克不及敷衍外界的变更。如产生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械人本身的破坏。

跟着现代化科学技巧的飞速成长和社会的进步，针关于上述各个范畴的机械人体系的应用和研究对体系本身也提出越来越多的要求。制造业要求机械人体系具有更大年夜的柔性和更强大年夜的编程情形，适应不合的应用处合和多品种、小批量的临盆过程。运算机集成制造（CIM）要求机械人体系能和车间中的其它主动化设备集成在一路。研究人员为了进步机械人体系的机能和智能程度，要求机械人体系具有开放构造和集成各类外部传感器的才能。然而，今朝商品化的机械人体系多采取封闭构造的专用操纵器，一样采取专用运算机作为上层主控运算机，应用专用机械人说话作为离线编程对象，采取专用微处理器，并将操纵算法固化在EPROM中，这种专用体系专门难（或弗成能）集成外部硬件和软件。修改封闭体系的价值是专门昂贵的，假如不进行从新设计，多半情形下技巧上是弗成能的。解决这些问题的全然方法是研究和运器具有开放构造的机械人体系。 美国工业机械人技巧的成长，大年夜致经历了以下几个时期：

（1）1963-1967年为实验定型时期。1963-1966年， 全能主动化公司制造的

工业机械人供用户做工艺实验。1967年，该公司临盆的工业机械人定型为1900型。

（2）1968-1970年为实际应用时期。这一时代，工业机械人在美国进入应用时期，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机械人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机械人，并用21构成电焊小汽车车身的焊接主动线；

又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压主动线上的448台冲床都用工业机械人传递工件。

（3）1970年至今一向处于推广应用和技巧成长时期。1970-1972年，工业机械人处于技巧成长时期。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机械人会议。据当时统计，美国大年夜约200台工业机械人，工作时刻共达60万小时以上，与此同时，显现了所谓了高等机械人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）制造了用小型运算机操纵50台机械人的体系。又如，全能主动公司制成了由25台机械人构成的汽车车轮临盆主动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”体系的高辨认才能微型机械人。

其他国度，如日本、苏联、西欧，大年夜多是从1967，1968年开端以美国的“Versatran”和“Unimate”型机械工资底本开端进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得灵敏成长。经由过程引进技巧、仿造、改革立异。专门快研制出国产化机械人，技巧程度专门快赶上美国并跨过其他国度。经由大年夜约10年的有用化时代今后，从1980年开端进入广泛的普及时代。

我国因此开端研制工业机械人仅比日本晚5-6年，然则因为各种缘故，工业机械人技巧的成长比较慢。今朝我国已开端有筹划地从国外引进工业机械人技巧，经由过程引进、仿造、改革、立异，工业机械人将会获得快速的成长。

1.3机械人成长趋势

跟着现代化临盆技巧的进步，机械人设计临盆才能进一步获得加强，专门当机械人的临盆与柔性化制造体系和柔性制造单位相结合，从而改变今朝机械制造的人工操作状况，进步了临盆效力。

就今朝来看，总的来说现代工业机械人有以下几个成长趋势：

a)进步活动速度和活动精度，削减重量和占用空间，加快机械人功能部件的标准化和模块化，将机械人的各个机械模块、操纵模块、检测模块构成构造不合的机械人；

b)开创各类新型构造用于不合类型的场合，如开创微念头构用以包管精度；

开创多关节多自由度的手臂和手指；开创各类行走机械人，以适应不合的场合；

c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工尴尬难象四周的外界情形信息、地位信息、状况信息以完成模式辨认、状况检测。并采取专家体系进行问题求解、动作筹划，同时，越来越多的体系采取微机进行操纵。

第2章 实验平台介绍及机械手的设计

该设计的目标是为了设计一台物料搬运机械人，应用现有差不多报废的焊接机械人，本文的中构造设计重要偏向于对原有机构的改革和机械手的设计。

2.1自由度及关节

机械人具有四个自由度 ，即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，都为迁移转变关节；还有一个用于夹持物料的机械手。

2.2基座及连杆

2.2.1 基座

基座是全部机械人本体的支撑。为包管机械人运行的稳固性，采取两块“Z”字形实心铸铁作支撑。

基座上面是接线盒子，所有电机的驱动旌旗灯号和反馈旌旗灯号都从中进出。接线盒子别处，有一个引入线出口和一个引出线出口。

2.2.2 大年夜臂

大年夜臂长度230mm，具体尺寸如图2.1所示：

图2.1 大年夜臂外形

2.2.3 小臂

小臂长度240mm，具体尺寸如图2.2所示：

图2.2 小臂外形

2.3机械手的设计

工业机械人的手又称为末尾履行器，它使机械人直截了当用于抓取和握紧（吸附）专用对象（如喷、扳手、焊具、喷优等）进行操作的部件。它具有仿照人手动作的功能，并安装于机械人手臂的前端。因为被握工件的外形、尺寸、

重量、材质及别处状况等不合，是以工业机械人末尾操作器是多种多样的，大年夜致可分为以

下几类： （1） 夹钳式取料手 （2） 吸附式取料手 （3） 专用操作器及转换器 （4） 仿生多指灵活手

本文设计对象为物料搬运机械人，并不须要复杂的多指人工指，只须要设计能从不合角度抓取工件的钳形指。

手指是直截了当与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是经由过程手指的张开与闭合来实现的。该设计采取两个手指，其外形如图2.3所示

图2.3 机械手手指外形

传念头构是向手指传递活动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。依照手指开合的动作特点分为反转展转型和平移形。本文采取反转展转型传念头构。图2.4为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，别的一半关于中间线对称）。

图2.4 机械手机构简图

在图2.4中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。经由过程两个机构串联，使电机最终驱动DE的往返摆动，从而实现手指的开合活动。 图2.4中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限地位。

为便于手指的顺利合拢，能够在两个手指之间设置一个弹簧，如许还能够供给恰当的夹紧力。

别的，在选用电机的时刻，要使电机的功率足以克服弹簧的紧缩和张开，同时供给足够加紧物体的力。

下面更进一步运算出所须要的电机力矩。

肇端时期须克服的弹簧力最大年夜，电机转矩必须大年夜于550N·mm， 这为电机的遴选供给了必定的依照。

2.4驱动方法

该机械人一共具有四个自力的迁移转变关节，连同末尾机械手的活动，一共须要五个动力源。

机械人常用的驱动方法有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各类驱动方法的特点见表2.1：

表2.1三种驱动方法的特点对比 内容 输出功率 液压驱动 专门大年夜，压力范畴为50～140Pa 操纵机能 应用液体的弗成紧气体紧缩性大年操纵精度高，功率较缩性，操纵精度较夜，精度低，阻尼大年夜，能准确信位，高，输出功率大年后果差，低速不易反响灵敏，可实现高夜，可无级调速，操纵，难以实现高速、高精度的连续轨反响灵敏，可实现速、高精度的连续迹操纵，伺服特点好，连续轨迹操纵 响应速度 专门高 轨迹操纵 较高 操纵体系复杂 专门高 驱动方法 气动驱动 大年夜，压力范畴为48～60Pa 电机驱动 较大年夜 构造恰当，履行机构造恰当，履行机伺服电念头易于标准构可标准化、仿照构可标准化、仿照化，构造机能好，噪化，易实现直截了化，易实现直截了声低，电念头一样需构造机能及当驱动。功率/质量当驱动。功率/质量设备减速装配，除DD体积 比大年夜，体积小，比大年夜，体积小，电念头外，难以直截构造紧凑，密封问构造紧凑，密封问了当驱动，构造紧凑，题较大年夜 安稳性 题较小 无密封问题 防爆机能较好，用防爆机能好，高于设备自身无爆炸和火液压油作传动介1000kPa(10个大年警危险，直流有刷电质，在必定前提下夜气压)时应留意念头换向时有火花，有火警危险 设备的抗压性 对情形的防爆机能较差 对情形的阻液压体系易漏油，碍 对情形有污染 排气时有噪声 无 有用于重载、低速有用于中小负载驱有用于中小负载、要驱动，电液伺服体动、精度要求较低求具有较高的地位操在工业机械系有用于喷涂机械的有限点位法度榜纵精度和轨迹操纵精人中应用范人、点焊机械人和样操纵机械人，如度、速度较高的机械畴 托运机械人 冲压机械人本体的人，如AC伺服喷涂机气动均衡及装配机械人、点焊机械人、械人气动夹具 弧焊机械人、装配机械人等 成本 修理及应用 液压元件成本较高 便利，但油液对情形温度有必定要求

机械人驱动体系各有其优缺点，平日对机械人的驱动体系的要求有：

1）．驱动体系的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效力也要高； 2）．反响速度要快，即要求力矩质量比和力矩迁移转变惯量比要大年夜，能够或许进行频繁地起、制动，正、反转切换； 3）．驱动尽可能灵活，位移误差和速度误差要小； 4）．安稳靠得住； 5）．操作和爱护便利； 6）．对情形无污染，噪声要小；

7）．经济上合理，专门要尽量削减占地面积。

基于上述驱动体系的特点和机械人驱动体系的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方法对机械人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相干参数。

表2.2机械人驱动电机参数 电机参数 腰关节 MAXON2332 18v 肩关节 MAXON2332 18v 肘关节 MAXON2332 18v 腕关节 MULTIPLEX STELL-SERVO 6v 手爪 MULTIPLEX STELL-SERVO 6v 成本低 便利 成本高 较复杂 型号 额定电压 额定转矩 18.2 N·m 18.2 N·m 18.2 N·m 10.3 N·m 最大年夜转矩 67.4N·m 67.4N·m 67.4N·m 7980rpm 9200rpm 18.4gcm·cm 7980rpm 9200rpm 18.4gcm·cm 5460rpm 10.3 N·m 5460rpm 额定转速 7980rpm 最高转速 转子惯量

9200rpm 18.4gcm·cm 2.5传动方法

因为一样的电机驱动体系输出的力矩较小，须要经由过程传念头构来增长力矩，

进步带负载才能。对机械人的传念头构的一样要求有：

（1）构造紧凑，即具有雷同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （2）传动刚度大年夜，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在雷同的扭矩时角度变形要小，如许能够进步整机的固有频率，并大年夜大年夜减轻整机的低频振动；

（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，如许能够获得较高的地位操纵精度；

（4）寿命长、价格低。

本文所选用的电机都采取了电机和齿轮轮系一体化的设计，构造紧凑，具有专门强的带负载才能，然则不克不及经由过程电机直截了当驱动各个连杆的活动。为减小机构运行过程的冲击和振动，同时不降低操纵精度，采取了齿形带传动。

齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的活动或将反转展转活动转换成直线活动，在本文中重要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动道理如图2.7所示。

齿轮带的传动比运算公式为

in2z1 n1z2齿轮带的平均速度va为

vaz1tn1z2tn2

图2.7 齿形带传动

2.6制动器

制动器及其感化：

制动器是将机械活动部分的能量变为热能开释，从而使活动的机械速度降低或者停止的装配，它大年夜致可分为机械制动器和电气制动起两类。 在机械人机构中，学要应用制动器的情形如下： ① 专门情形下的刹时停止和须要采取安稳方法 ② 停电时，防止活动部分下滑而破坏其他装配。 机械制动器：

机械制动器有螺旋式主动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。个中最典范的是电磁制动器。

在机械人的驱动体系中常应用伺服电念头，伺服电机本身的特点决定了电磁制动器是弗成缺乏的部件。从道理上讲，这种制动器确实是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流畅过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动感化，而当

电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的感化下处于制动状况的常闭方法。是

以

这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安稳制动场合，因此也称为安稳制动器。 电气制动器

电念头是将电能转换为机械能的装配，反之，他也具有将扭起色械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装配，可将电能转换为机械能，同时也能经由过程其反过程来达到制动的目标。但关于直流电机、同步电机和感应电机等各类不合类型的电机，必须分别采取恰当的制动电路。

本文中，该机械人实验平台未安装机械制动器，是以机械人的肩关节和轴关节在停止迁移转变的时刻，会因为重力身分而下落。别的，因为各方面，不便利在原有机构上添加机械制动器，因此只能经由过程软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。

采取电气制动器，其长处在于：在不增长驱动体系质量的同时又具有制动功能，这是专门幻想的情形，而在机械人上安装机械制动器会使质量有所增长，故

应尽量幸免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作靠得住，断电的时刻将掉去制动感化。

第3章 操纵体系硬件

3.1 操纵体系模式的选择

构建机械人平台的核心是建立机械人的操纵体系。起首须要选择和硬件平台，操纵体系硬件平台关于体系的开放性、实现方法和开创工作量有专门大年夜的阻碍。一样常用的操纵体系硬件平台应知足：硬件体系基于标准总线机构，具有可伸缩性；硬件构造具有须要的及时运算才能；硬件体系模块化，便于添加或更换各类接口、传感器和专门运算机等；低成本。到今朝为止，一样机械人操纵体系的硬件平台能够大年夜致分为两类：基于VME总线（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线）的体系和基于PC总线的体系。近年来，跟着PC机机能的快速成长，靠得住性大年夜为进步，

价格却大年夜幅度降低，以PC机为核心的操纵体系已广泛被机械人操纵范畴所接收。

基于PC机操纵系同一样包含单PC操纵模式，PC+PC的操纵模式，PC+分布式操纵器的操纵模式，PC+DSP活动操纵卡的操纵模式，PC+数据采集卡的操纵模式，因为基于采集卡的操纵方法灵活，成本低廉，有利于本文设计中的废料应用，在法度榜样和算法上能够自立编制各类算法，合适本课题研究的须要。是以本文选定PC+数据采集卡的操纵方法。

3.2操纵体系的搭建

图3.1 操纵体系框图

3.2.1工控机

在此选用研华工业操纵机,主频233MHz,内存128兆，32位数据总线。底板有9个ISA插槽，4个PCI插槽，带VGA显示器。其机能价格比优胜，兼容性好，有利于软硬件爱护和进级。与通俗小我运算机比拟工业操纵PC机有以下长处：

·芯片选择要比一样小我运算机严格； ·芯片驱动才能较强；

·整机内部构造属于工业加强型，具有较强的防震和抗干扰机能； ·对情形（如温度、湿度、尘土等）的要求要比一样运算机低得多。

3.2.2数据采集卡

在本设计中我们重要用到研华公司的PCL812PG和PCL726，其参数如下。 PCL-812PG 重要特点：

16路单端12位仿照量输入

2路12位仿照量输出

采样速度可编程，最快达30KHz 带DMA或中断的A/D 16路数字量输出 PCL-726 重要特点：

6路自力D/A输出

12位辨论率双缓冲D/A转换器 16路数字量输入及16路数字量输出

多种电压范畴：+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA电流环。

3.2.3伺服放大年夜器

在驱动体系设计过程中，主假如对伺服电机的驱动，本文中应用报废机械人上的maxon电机驱动关节，是以同样选用maxon伺服电机驱动器（maxon motor

control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）进行驱动，如图3.2所示，这是专门针对maxon电机设计的伺服电机放大年夜操纵器，具有专门强的操纵功能和稳固性，电源电压12~30v之间，1、2接线端子接伺服电机，直截了当给电机供电，3，4接线端与电源相连，7、8接操纵电压，经由过程数据采集卡输出的仿照电压旌旗灯号进入这两个接线端来操纵电机的转速大年夜小和正反转，13、14接测速计（本文中未用），3、4、10之间是一个光耦合器，输入“预备好”旌旗灯号。在伺服操纵器前面，有5个旋钮调剂器涌来调剂电机的五个参数，下边有10个DIP开关，用来选择操纵器工作状况。

P1nmaxP2 I×RP3Offset IP4maxP5gainon123456710off123456710111213141516电机4kΩ电源控制电压测速计 图3.2伺服放大年夜器接线及其调剂示意

3.2.4端子板

不合的被测旌旗灯号经由过程不合的传送路线到采集卡，而采集卡在工控机

机箱内，不变直截了当连接到工业体系中的各类传感器或履行器。 端子板的重要感化有两个：

①．端子板是采集卡与每一个旌旗灯号疗养电路或驱动装配之间的电器连接部件，给每一路输入、输出旌旗灯号供给零丁的旌旗灯号线和地线，使每一路通道可零丁接通或断开，体系检修和清除故障时不必全部停止运行。

②．将每一路旌旗灯号经由各自的传送路线达到端子板后，能够依照各路旌旗灯号和传送路线的特点，在端子板上对各路旌旗灯号进行简单的疗养，如经电阻衰减、分流或经由RC低通滤波落后入采集卡。 图3.3所示为端子板电路

图3.3端子板电路

图3.3所示的电路图中，为防止直流电机产生的噪声阻碍电路的正常运行，应用了光电耦合器4N25。在机电一体化技巧中，光电耦合电路是重要的接口电路。

个中PCL-812PG经由过程五路数字量输出来操纵电机电路的通断，PCL-726经由过程五路仿照量输出来操纵电机的正反转和运行速度，别的PCL-812PG还负责采集五个电位器的电压，以此将电机的运行角度反馈给运算机。

3.2.5电位器及其标定

电位器是一种可调电阻，也是电子电路顶用处最广泛的元器件之一。它对外有三个引出端，个中两个为固定端，另一个是中间抽头。迁移转变或调剂电位器迁移转变轴，个中间抽头与固定端之间的电阻将产生变更。

本文采取的电位器是单圈的，也确实是说各关节的活动角度小于360º，关于该

机械人差不多足够了。电位器安装在机械人的各个关节输出轴上，因此在关节

角的活动范畴内，电位计的输出电压和关节角是一一对应的，存在着必定的函数关系。

从理论上来讲，电位器应当是线性的测量元件，但因为电位器的滑动噪声以及滑线电阻的工作过程中的磨损，这种函数关系并非幻想的线性关系，而是存在必定的偏移。电位器的标定确实是依照在各个角度处测量的电压值，拟合出一条直线， 近似替代真实的函数关系。

下面等于对各个关节的进行电位计标定。 电位器1的标定，如图 3.4所示：

图 3.4电位器

关节角1与电位计1的函数关系： a=33.3105v-16.5

电位器2的标定

图 3.5

如图 3.5所示：

关节角2与电位计2的函数关系： a=33.2967v -124.2692

电位器3的标定

图 3.6

如图 3.6所示：

关节角3与电位计3的函数关系： a= 32.9333v-16.2222

电位器4的标定

图 3.7

如图 3.7所示：

关节角4与电位计4的函数关系： a= 32.6333v-75.13

电位器5的标定

图 3.8

如图 3.8所示：

电机5与电位计5的函数关系： a= 32.9000v -36.3611

注：以上标定工作差不多上在10.00v的电压下测量的

3.2.6电源

电位器和伺服放大年夜器都须要必定的电压，专门是电位计是在10.0v的前提下工作的，稳固的电压关于包管电位计反馈旌旗灯号的真实性具有重大年夜的阻碍；而伺服放大年夜器是在12v~30v范畴内工作的，电压只要在此范畴内即可。

本文采取DH1715A-3型 双路稳压稳流电源，能够供给0~32v电压输出和0~2A电流输出。

那个地点设定两路电压输出：14.0v——供给伺服放大年夜器运行，10.0v——包管电位计的正常工作。

第4章 操纵体系软件

以上完成了机械人的本体设计和操纵体系硬件的搭建，下面将经由过程设计操纵软件，使运算机经由过程数据采集卡有条不紊地向外部发送批示旌旗灯号，最终驱念头器人各个关节的活动，使之按照人的意愿“工作”。

4.1预期的功能

（1）. 及时显示各个关节角，同时能够防止各个关节的活动角度超出预定的关 节角范畴内；

（2）. 实现直流电机的伺服操纵； （3）. 实现电机的自锁；

（4）. 实现示教编程及在线修改法度榜样；

（5）. 能够设置参考点，使机械人在空间有一个固定的参考地位，能够回参考

点。

4.2 实现方法

以模块化法度榜样设计思惟为指导，以预期要实现的功能作为各个模块，设计操纵软件。

从图3.1能够看出，工控机经由过程数据采集操纵。编程的义务事实上确实是用运算机操纵数据采集卡使之发出或猎取一系列数字量、仿照量。

研华公司的数据采集卡驱动法度榜样中，附带专门多与板卡相干的函数和数据构造以供应用，极大年夜的便利了法度榜样编写。

本文采取了Visual C++作为编程对象。

4.2.1及时显示各个关节角及活动范畴操纵

在BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()函数中， 设置准时器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)，

然后在void CRobotDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)函数中，

经由过程调用bool CRobotDlg::position_now(USHORT ka1_chan)，采样电位器输出电压，经由过程前面的电位器标定函数，换算出各个关节的角度，并显示出来。

在void CRobotDlg::OnChangeAngle?Edit()函数中（?表示1，2，3，4，5）， 将换算出的角度与该关节预设的活动范畴作比较，看其是否在此区间内，不然弹出警告对话框，同时主动停止该关节的活动。

4.2.2直流电机的伺服操纵

关于大年夜功率的直流电机，一样采取PWM操纵来调剂运行速度，如许能够进步电路及电机的运行效力，而本文中的电机功率并不是专门大年夜，为便利时代，采取了线性操纵方法来调速。

以关节1为例，与该模块相干的函数有OnZ1Button(), OnF1Button(), OnT1Button()，它们分别表示用来操纵电机的正转、反转和停止，个中电机的运行速度靠输入的电压值调剂；别的一个函数OnRun1Button()是用来实现电机的地位伺服操纵，在预定的关节角范畴内，电机能够运行到任何一输入的地位停止。

4.2.3电机的自锁

前面在2.7节中讲到该机械人关节上未装制动器，因此必须经由过程软件法度榜样实现关节的自锁，专门是肩关节和肘关节的自锁。

解决思路：大年夜臂和小臂在电机运转时可不能因为重力而掉落落，在电机停止的时刻却会下落，因为电机一旦停止，就掉去了驱动力矩，是以若想让大年夜臂和小臂停止在预定地位，应当在此地位给关节电机施加一个电压，让它担当起大年夜臂或小臂，而不让其因为重力而下落。然则，在不合的地位，重力对大年夜臂或小臂的力矩不合，应供给给电机的电压也不合，若何拔取电机的电压

呢？

供给给电机的电压小了，不足以抗击重力的力矩；供给给电机的电压大年夜了，会使电机迁移转变，使大年夜臂或小臂上升；因此，最好能经由过程法度榜样来自适应选择那个制动电压，方法有多种，下面是本文的设计过程。 法度榜样设计方法一：

在调用在OnT2Button()或OnT3Button()函数时，先给电机一个0电压，使电机掉去驱动力矩，同时调用position_now(USHORT ka1_chan)函数获得此刻的关节地位，然后延时一段时刻比如0.1s，再给电机一个小电压，形成一个小的制动力矩，经由过程采样此刻地位看其是否能使关操纵动；假如不克不及，则使该电压值按照必定的步长线性增长，以增大年夜制动力矩；这经由过程一个while()轮回实现，假如采样地位不再减小，则表示大年夜臂或小臂已停止下落，可跳出轮回。

下图为法度榜样流程图：

方法一验证：

用方法一编写的法度榜样，调用OnT2Button()或OnT3Button()函数后，关于正在上升的臂能够实现专门好的制动，而关于降低的臂则弗成靠，有时刻降低的臂停止下落后会反弹又向上活动。

定性分析其缘故是因为上升的臂在电机掉去驱动力矩后，在重力感化下会慢慢下落，下落初速度为0，静止后的速度变更不大年夜，制动时刻短，轻易制动；而降低的臂掉去驱动力矩后，在重力感化下仍以本来的速度下落，静止后的速度

轮回采样一向到采样值fVoltage>=fVoltage_former 跳出轮回，表示大年夜臂或小臂差不多制动在自所推敲到大年夜臂或小臂上升时的惯性， 轮回采样一向到采样值fVoltage<=fVoltage_former 跳出轮回，表示大年夜臂或小臂差不多开端下落了 使电机电压为0，并采样现在地位，将电位器输出值存放在fVoltage_former中 调用OnT2Button()或OnT3Button()函数 变更较大年夜，制动时刻长，专门轻易使制动电压的线性增长时，跨过均衡重力所须要的电压，从而导致反弹现象的产生，其本质是因为电压的超调造成的。 此后，针对这种反弹现象对法度榜样作过多次修改，成果都不太幻想，因此就测验测验换一种方法。

法度榜样设计方法二：

方法二采取传统的PID操纵，电压超调后还能够减小，能够幸免反弹现象的产生。

下图为法度榜样流程图：

方法二验证：

因为方法二采取PID操纵，须要选择合适的比例、积分、微分系数；别的还要选择for()轮回中的延不时刻t和轮回次数n。

选择成果：kp=2.0, ki=0.02, kd=0.04，

用for函数操纵轮回次数，经由n此轮回后，跳出轮回，大年夜臂或小臂已停止下落实现制动 进入for轮回 延时tms，再次采样，取得误差量， 使e2=e1，e1= fVoltage_former- fVoltage; 误差积聚sume+=fabs(e1) 使电机输出电压v=kp*e1+ki*sume+kd*(e1-e2) 延时tms，再次采样，取得误差量 e1= fVoltage_former- fVoltage 使电机电压为0，并采样现在地位，将电位器输出值存放在fVoltage_former中 调用OnT2Button()或OnT3Button()函数 t=10, n=10;

因此最终制动时刻为n*t=100ms 总结：

关于方法二，其操纵框图如图4.1所示：

图4.1

4.2.4示教编程及在线修改法度榜样

设计方法：当机械人停止在某个地位时，能够记录下在该地位所对应的一组关节角，这一组关节角用一个构造体储备

}

float Voltage4; float Voltage5; struct position *next; struct position {

float Voltage1; float Voltage2; float Voltage3;

记录的地位同时显示在列表框中，记录地位不跨过1000个。 为了便于对这些地位作修改，本文采取链表来动态储备这些构造体。 当记录停止今后，就能够运行刚才记录的一系各地位了，因为采取链表构造

储备法度榜样，因此取用这些法度榜样专门便利，只需用一个指针从链表首部开端取法度榜样，逐交运行，至到链表末尾即可。

法度榜样运行的时刻，机械人各个关节同时活动，工作效力高；正在运行的那行法度榜样，以高亮状况显示。

别的，关于记录的地位能够做删除、清空等操作。

4.2.5设置参考点及回参考点

法度榜样启动或退出的时刻，机械人应逗留在预设的参考点上，那个参考点在初始对话框函数BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()中预先设置。在法度榜样运行时代，应用者也能够自行设置。

回参考点的法度榜样和回放示教法度榜样一样，只是回参考点只是运行到一个地位。

第5章 总结

5.1 所完成的工作

(1)对实验平台的改革

本文应用的是报废的焊接机械人，要改革成送料机械人，不只要对末尾履行机构进行从新设计，还要从新布线。

(2)对关节轴电位器进行从新标定

因为标定电压不合，标定曲线和所得的函数关系就不合，本文选用的是10v电压。

(3)设计端子板电路及驱动电路

端子板是运算机、板卡操纵旌旗灯号端与机械人电路端的“桥梁”，承担着旌旗灯号疗养、驱动放大年夜等义务。

(4)操纵软件的设计

软件是机械人的“大年夜脑思维”，软件的设计确实是将人的意志付与机械人的“大年夜脑”。

5.2 设计体会

（1） 底座设计成长方体不合理

当腰关节在不合的地位时，肩关节活动的下限不合，不便于编程；最好将底座设计成圆柱体，同时下面带有法兰支撑。 （2） 最好安装机械制动装配

仅依附法度榜样来实现制动并弗成靠，例如突然掉落电，将无法制动。 （3） 电机上应安装放电回路

电机相当于一个线圈，在电机启动或者停止刹时，会产生专门高的感应电动势，专门可能会对电路中的元器件造成破坏，因此要加上稳压或者续流元件。

（4） 电位器输出电压会在必定范畴内会有无规矩的波动

因为电位器材料电阻率分布的不平均以及电刷滑动时接触电阻的无规律变更，会引起所谓的“滑动噪声”。这导致电位器反馈电压并不精确。

（5） 关节角的偏向及电位器的安装

关节角最好相符关节角坐标系，同时电位器输出电压最好随关节角的增大年夜而增大年夜，如许便于编程。

5.3 误差分析

本文中每个关节的角度误差在±2°阁下，因为是开环机构，因此综合叠加起来，末尾误差可能会较大年夜，同时反复精度不敷。

下面扼要分析一下误差的来源：

（1） 工作台、基座的高低别处平行度误差，腰关节转轴的垂直度误差，

（2） 以及其它关节之间的平行度误差 （3） 齿轮、轴承的间隙，齿形带的变形不平均 （4） 装配误差

（5） 各关节轴的反转展转误差，各连杆的受力变形误差； （6） 运行时，机械部分的振动

（7） 电位器的滑动噪声，以及电源的不稳固都邑导致反馈电压的不精确

（8） 用法度榜样实现制动不如机械制动装配反响快

5.4 能够连续摸索的偏向

（1） 关于本文中的示教编程部分，将法度榜样稍作修改，就能实现对示教法度

榜样的储存和离线修改，进而也轻易实现离线编程。

（2） 能够用Opengl或者ADAMS订作一个虚拟场景，进而实现虚拟示教编程，

如许会加倍安稳和便利。因此手工编写的法度榜样代码也能够在此虚拟场景中运行，以验证其合理与否。

（3） 经由过程虚拟场景和收集，也能够进一步实现对机械人的长途监测和操

纵。

（4） 还能够测验测验在原有实验平台上加上视觉反馈。 （5） 操纵界面假如用LabView设计，可能会更便利些。

（6） 经由过程进一步完美操纵方法和操纵构造，能够将操纵体系的软件嵌入到

嵌入式体系上去。

致 谢

为期三个多月的卒业设计立即停止，回想全部过程，我深有感触感染。师长教师和一些技巧人员卖力地给我们讲解了其工作道理，分析了各部件的功能特点和构造，幸免了我在卒业设计过程中的盲目性。在设计过程中，我翻阅了大

年夜量的相干材料，同时将大年夜一至大年夜三上学期所学的相干专业教材卖力的复习了一边，增长了专门多理论常识。往常我对汽车的工作道理、工厂的工作情形和汽车的构造，没什么熟悉，但经由过程此次设计，我明白得了，也感触感染到了。总之，此次设计，使我将三年中所学到的差不多常识获得了一次综合应用，使学过的常识构造获得科学组合，同时也从理论到实践产生了一次质的飞跃，能够说此次设计是理论常识与实践应用之间互相过渡的桥梁。

常识的巩固因此重要，但才能的培养同样弗成忽视。我认为此次设计的完成,不仅锤炼了我搞设计的工作才能，培养了我自力思虑的才能，解决困难的方法，同时也培养了我自力﹑立异﹑力抢先辈的思惟。同时我熟悉到：不管做什么事，只要你深刻的去做，难事不难，但假如你不去居心的做，易事不易。机弗成掉，我在此次的设计中倾泻了大年夜量的心血，尽一切力量争夺将设计做到在最好。我认为我在这段时刻内所有的收成，对我往后的进修和工作会是一笔可贵的财宝。

于师长教师老是耐烦地给我讲解有关方面的常识，及时明白得我设计中碰到的难题，使我得以在短时刻内完成设计工作，同时教诲我们不管是在今后的工作照样进修中，都要保持治学严谨的立场。在本次卒业设计中，于师长教师以及其他指导师长教师付出了辛劳的劳动，在此向他们表示衷心的感激。此次设计的美满完成与同组其他人员的共同努力也是分不开的，他们给了我专门多赞助和指导，在此一并表示感激！

因为本身才能所限，时刻仓促,设计中还存在专门多不足之处，恳请各位师长教师同窗赐与批驳斧正。

参考文献

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