柑橘采摘机机械臂结构设计（全套图纸）（可编辑）

柑橘采摘机机械臂结构设计（全套图纸）（可编辑） 柑橘采摘机机械臂结构设计(全套图纸) 本科毕业设计(论文)通过答辩 摘 要 在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生 产过程的自动化程度,工业柑橘采摘机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐 渐被企业所认同并采用。 工业柑橘采摘机器人的技术水平和应用程度在一定程度 上反映了一个国家工业自动化的水平,目前,工业柑橘采摘机器人主要承担着焊 接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取 示教再现的方式。 本文将设计一台五自由度的工业柑橘采摘机器人,用于给采摘水果。首先, 本文将设计柑橘采摘机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构,然后选择合适 的传动方式、驱动方式,搭建柑橘采摘机器人的结构平台;在此基础上,本文将 设计该柑橘采摘机器人的控制系统,包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈 方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计,重点加强 控制 软件的可靠性和柑橘采摘机器人运行过程的安全性,最终实现的目标包括: 关节 的伺服控制和制动问题、实时监测柑橘采摘机器人的各个关节的运动情况、 柑橘 采摘机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词:柑橘采摘机器人,示教编程,伺服,制动本科毕业设计(论文)通过答 辩 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?wayIn?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? robotOn? 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? runningThe? 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?re ference?point?and? returning?to?reference?pointKEY?WORDS: robot,?playback,?servocontrol,?brake本科毕业设计(论文)通过答辩 目 录 第1章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.1 柑橘采摘机器人概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3 1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 1.3 柑橘采摘机器人的发展趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5 第2章 柑橘采摘机器人机械手的设计„„„„„„„„„„5 2.1自由度及关节„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.2 基座及连杆„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7 2.2.1 基座„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8 2.2.2 大臂„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.2.3 小臂„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 10 2.3 机械手的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2.4 驱动方式„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 2.5 传动方式„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 2.6 制动器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 第3章 控制系统硬件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 16 3.1 控制系统模式的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.2 控制系统的搭建„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3.2.1 工控机„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 3.2.2 数据采集卡„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.2.3 伺服放大器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3.2.4 端子板„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 3.2.5电位器及其标定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 3.2.6电源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 第4章 控制系统软件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 4.1预期的功能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 4.2 实现方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 „„„„„„„„26本科毕业 设计(论文)通过答辩 4.2.2直流电机的伺服控制„„„„„„„„„„„„„„„„„27 4.2.3电机的自锁„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28 4.2.4示教编程及在线修改程序„„„„„„„„„„„„„„„29 4.2.5设置参考点及回参考点„„„„„„„„„„„„„„„„30 第5章 总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 32 5.1 所完成的工作„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„33 5.2 设计经验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 5.3 误差分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36 5.4 可以继续探索的方向„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 38 致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 40本科毕业设计(论文)通过答辩 第1 章 绪论 1.1 柑橘采摘机器人概述 在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续 性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不 连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法;程控机床、数控机床、加工 中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削 加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机械化。 柑橘采摘机器人的出现并得到应用,为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业柑橘采摘机器人” (Industrial Robot):多数是指程序可变(编)的 独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置(国内称作工业柑橘采摘机器人或 通用柑橘采摘机器人)。 柑橘采摘机器人是一种具有人体上肢的部分功能, 工作程序固定的自动化装 置。柑橘采摘机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势,但功能较少, 适应性较差。 目前我国常把具有上述特点的柑橘采摘机器人称为专用柑橘采摘机 器人,而把工业机械人称为通用柑橘采摘机器人。 简而言之,柑橘采摘机器人就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指 定的工作位置,或按照工作要求以操纵工件进行加工。 柑橘采摘机器人一般分为三类。 第一类是不需要人工操作的通用柑橘采摘机 器人,也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可 以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理 性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的, 称为操作机(Manipulator)。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成 特定的作业,后来发展到用无线电讯号操作柑橘采摘机器人来进行探测月球等。 工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业柑橘采摘机器人,主要 附属于自动机床或自动生产线上,用以解决机床上下料和工件传送。这种柑 橘采 摘机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand” ,它是为主机服务的,由主机 驱动。除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。 柑橘采摘机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型, 其中关节型柑橘采 摘机器人以其结构紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座 周围的一些障碍物等这样一些特点, 成为柑橘采摘机器人中使用最多的一种结构 形式, 世界一些著名柑橘采摘机器人的本体部分都采用这种机构形式的柑橘采摘 机器人。 要柑橘采摘机器人像人一样拿取东西, 最简单的基本条件是要有一套类似于 指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构??执行机构;像肌肉那样使手 臂运动的驱动-传动系统;像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能 就决定了柑橘采摘机器人的性能。一般而言,柑橘采摘机器人通常就是由执行机 构、驱动-传动系统和控制系统这三部分组成,如图 1-1 所示。本科毕业设 计(论文)通过答辩 图?1?1?柑橘采摘机器人的一般组成 对于现代智能柑橘采摘机器人而言,还具有智能系统,主要是感觉装置、视 觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予柑橘采摘机器人“眼睛” , 使它能识别物体和躲避障碍物,以及柑橘采摘机器人的触觉装置。柑橘采摘机器 人的这些组成部分并不是各自独立的,或者说并不是简单的叠加在一起,从而构 成一个柑橘采摘机器人的。要实现柑橘采摘机器人所期望实现的功能,柑橘采摘 机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的 相互关系如图1-2 所示。 图?1?2?柑橘采摘机器人各组成部分之间的关系 柑橘采摘机器人的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。 执行机 构是柑橘采摘机器人赖以完成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动 -传动系统提供动力,按控制系统的要求完成工作任务。驱动-传动系统主要包 括驱动机构和传动系统。驱动机构提供柑橘采摘机器人各关节所需要的动力,传 动系统则将驱动力转换为满足柑橘采摘机器人各关节力矩和运动所要求的驱动 力或力矩。有的文献则把柑橘采摘机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三 大部分。其中的机械系统又叫操作机Manipulator,相当于本文中的执行机构 部分。 1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状本科毕业设计(论文)通过答辩 柑橘采摘机器人首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制 出第一台柑橘采摘机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂,端部装有电 磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。 日本是工业柑橘采摘机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国 引进两种典型柑橘采摘机器人后,大力从事柑橘采摘机器人的研究。 目前工业柑橘采摘机器人大部分还属于第一代,主要依靠人工进行控制;控 制方式则为开环式,没有识别能力;改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代柑橘采摘机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具 有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息 进行反馈,使柑橘采摘机器人具有感觉机能。 第三代柑橘采摘机器人(柑橘采摘机器人)则能独立地完成工作过程中的任 务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统 FMSFlexible Manufacturing System 和 柔 性 制 造 单 元 FMCFlexible Manufacturing Cell 中的重要一环。 随着工业柑橘采摘机器人研究制造和应用领域不断扩大, 国际性学术交流活 动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业柑橘采摘机 器人会议 ISIR 决定每年召开一次会议,讨论和研究柑橘采摘机器人的发展及应 用问题。 目前,工业柑橘采摘机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方 面,无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业柑橘 采摘机器人代替人工操作的,主要是在危险作业(广义的) 、多粉尘、高温、噪 声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中,工业柑橘采摘机器人应用较多,发展较快。目前主要 应用于机床、模锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先制订 的作业程序完成规定的操作,但还不具备传感反馈能力,不能应付外界的变化。 如发生某些偏离时,就将引起零部件甚至柑橘采摘机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步, 针对于上述各个领域的柑 橘 采摘机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。 制造业要求柑 橘采摘机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境, 适应不同的应用场合和 多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造(CIM)要求柑橘采摘机器人系统 能和车间中的其它自动化设备集成在一起。 研究人员为了提高柑橘采摘机器人系 统的性能和智能水平, 要求柑橘采摘机器人系统具有开放结构和集成各种外部传 感器的能力。然而,目前商品化的柑橘采摘机器人系统多采用封闭结构的专用控 制器,一般采用专用计算机作为上层主控计算机,使用专用柑橘采摘机器人语言 作为离线编程工具,采用专用微处理器,并将控制算法固化在EPROM中,这种专 用系统很难(或不可能)集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵 的,如果不进行重新设计,多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本 办法是研究和使用具有开放结构的柑橘采摘机器人系统。 美国工业柑橘采摘机器人技术的发展,大致经历了以下几个阶段: (1)1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年, 万能自动化公司制造的 工业柑橘采摘机器人供用户做工艺试验。1967 年,该公司生产的工业柑橘采摘 机器人定型为1900型。 (2)1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期,工业柑橘采摘机器人在美国 进入应用阶段,例如,美国通用汽车公司1968 年订购了68台工业柑橘采摘机器本科毕业设计(论文)通过答辩 人;1969年该公司又自行研制出SAM新工业柑橘采摘机器人,并用21组成电焊 小汽车车身的焊接自动线;又如,美国克莱斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448台冲床都用工业柑橘采摘机器人传递工件。 (3)1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972 年,工业柑 橘采摘机器人处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开 了第一届全国工业柑橘采摘机器人会议。据当时统计,美国大约200台工业柑橘 采摘机器人,工作时间共达 60 万小时以上,与此同时,出现了所谓了高级柑橘 采摘机器人,例如:森德斯兰德公司(Sundstrand)发明了用小型计算机控制 50台柑橘采摘机器人的系统。又如,万能自动公司制成了由25台柑橘采摘 机器 人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识 别能力微型柑橘采摘机器人。 其他国家,如日本、苏联、西欧,大多是从 1967,1968 年开始以美国的 “Versatran”和“Unimate”型柑橘采摘机器人为蓝本开始进行研制的。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” ,并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出 国产化柑橘采摘机器人,技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约 10 年的实用化时期以后,从1980年开始进入广泛的普及时代。 我国虽然开始研制工业柑橘采摘机器人仅比日本晚5-6年, 但是由于种种原 因,工业柑橘采摘机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 地从国外引 进工业柑橘采摘机器人技术,通过引进、仿制、改造、创新,工业柑橘采摘机器 人将会获得快速的发展。 1.3 柑橘采摘机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高,柑橘采摘机器人设计生产能力进一步得到加 强,尤其当柑橘采摘机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合,从 而改变目前机械制造的人工操作状态,提高了生产效率。 就目前来看,总的来说现代工业柑橘采摘机器人有以下几个发展趋势: a提高运动速度和运动精度,减少重量和占用空间,加速柑橘采摘机器人功 能部件的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化和模块化,将柑橘采摘机器人的各个机械模块、控制模块、 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 模块组成结构不同的柑橘采摘机器人; b开发各种新型结构用于不同类型的场合,如开发微动机构用以保证精度; 开发多关节多自由度的手臂和手指;开发各类行走柑橘采摘机器人,以适应不同 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,用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完 成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划,同时,越来 越多的系统采用微机进行控制。本科毕业设计(论文)通过答辩 第2 章 实验平台介绍及机械手的设计 该设计的目的是为了设计一台柑橘采摘柑橘采摘机器人, 利用现有已经报废 的焊接柑橘采摘机器人, 本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械 手的设计。 2.2 基座及连杆 2.2.1 基座 基座是整个柑橘采摘机器人本体的支撑。 为保证柑橘采摘机器人运行的稳定 性,采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。 基座上面是接线盒子,所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒 子外面,有一个引入线出口和一个引出线出口。 2.2.2 大臂 大臂长度 230mm,具体尺寸如图 2.1所示:本科毕业设计(论文)通过答辩 图?2.1?大臂外形 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 工业柑橘采摘机器人的手又称为末端执行器, 它使柑橘采摘机器人直接用于 抓取和握紧(吸附)专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。 它具有模仿人手动作的功能,并安装于柑橘采摘机器人手臂的前端。由于被握工 件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同,因此工业柑橘采摘机器人末端 操作器是多种多样的,大致可分为以下几类:本科毕业设计(论文)通过答辩 (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) 仿生多指灵巧手 本文设计对象为柑橘采摘柑橘采摘机器人,并不需要复杂的多指人工指,只 需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。 手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件,是通过手指的张开与 闭合来实现的。该设计采用两个手指,其外形如图 2.3所示 图?2.3?机械手手指形状 传动机构是向手指传递运动和动力,以实现夹紧和松开动作的机构。根据手 指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图 2.4为初 步设计的机械手机构简图(只画出了一半,另外一半关于中心线对称)。 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?和支架构成曲本科毕业设计(论文)通过答辩 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。通过两个 机构串联,使电机最终驱动 DE的来回摆动,从而实现手指的开合运动。 图 2.4中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。 为便于手指的顺利合拢,可以在两个手指之间设置一个弹簧,这样还可以提 供适当的夹紧力。 另外,在选用电机的时候,要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开,并 且提供足够加紧物体的力。 图? 2.5?为采用虚拟样机软件? ADAMS?来分析所设计的机械手机构的工作状 况。 图?2.5?虚拟样机场景 下面更进一步计算出所需要的电机力矩。本科毕业设计(论文)通过答辩 图?2.6?力矩变化情况 从图? 2.6? 中看到,起始阶段须克服的弹簧力最大,电机转矩必须大于? 550N?mm,这为电机的挑选提供了一定的依据。 2.4 驱动方式 该柑橘采摘机器人一共具有四个独立的转动关节,连同末端机械手的运动, 一共需要五个动力源。 柑橘采摘机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类 型。这三种方法各有所长,各种驱动方式的特点见表 2.1: 表?2.1?三种驱动方式的特点对照 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电机驱动 很大,压力范围为 大,压力范围为 48~ 较大 输出功率 50~140Pa 60Pa,最大可达 Pa 利用液体的不可压缩 气体压缩性大,精度 控制精度高,功率较大, 性,控制精度较高, 低,阻尼效果差,低速 能精确定位,反应灵敏,本科毕业 设计(论文)通过答辩 控制性能 输出功率大,可无级 不易控制, 难以实现高 可实现高速、 高精 度的连 调速,反应灵敏,可 速、 高精度的连续轨迹 续轨迹控制,伺服特性 实现连续轨迹控制 控制 好,控制系统复杂 响应速度 很高 较高 很高 结构性能及体 结构适当,执行机构 结构适当, 执行机构可 伺服电动机易 于标准化, 积 可标准化、模拟化, 标准化、模拟化,易实 结构性能好,噪声低,电 易实现直接驱动。功 现直接驱动。功率/质 动机一般需配置减速装 率/质量比大,体积 量比大,体积小,结构 置,除 DD 电动机外,难 小,结构紧凑,密封 紧凑,密封问题较小 以直接驱动,结构紧凑, 问题较大 无密封问题 防爆性能较好,用液 防爆性能好,高于 设备自身无爆炸和火灾 安全性 压油作传动介质,在 1000kPa10个大气 危险, 直流有刷电动机换 一定条件下有火灾危 压时应注意设备的抗 向时有火花, 对环境的防 险 压性 爆性能较差 对环境的影响 液压系统易漏油,对 排气时有噪声 无 环境有污染 在工业柑橘采 适用于重载、低速驱 适用于中小负载驱动、 适用于中小负 载、 要求具 摘机器人中应 动,电液伺服系统适 精度要求较低的有限 有较高的位置控制精度 用范围 用于喷涂柑橘采摘机 点位程序控制柑橘采 和轨迹控制精度、 速度较 器人、点焊柑橘采摘 摘机器人, 如冲压柑橘 高的柑橘采摘机器人, 如 机器人和托运柑橘采 采摘机器人本体的气 AC 伺服喷涂柑橘采摘机 摘机器人 动平衡及装配柑橘采 器人、 点焊柑橘采摘机器 摘机器人气动夹具 人、弧焊柑橘采摘机器 人、 装配柑橘采摘机器人 等 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便,但油液对环 方便 较复杂 境温度有一定要求 本科毕业设计(论文)通过答辩 柑橘采摘机器人驱动系统各有其优缺点, 通常对柑橘采摘机器人的驱动系 统的要求有:? 1).驱动系统的质量尽可能要轻,单位质量的输出功率要高,效率也要高;? 2).反应速度要快,即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大,能够进行频繁地 起、制动,正、反转切换;? 3).驱动尽可能灵活,位移偏差和速度偏差要小;? 4).安全可靠;? 5).操作和维护方便;? 6).对环境无污染,噪声要小;? 7).经济上合理,尤其要尽量减少占地面积。 基于上述驱动系统的特点和柑橘采摘机器人驱动系统的设计要求, 本文选 用 直流伺服电机驱动的方式对柑橘采摘机器人进行驱动。表 2.2为选定的各 个关节 电机型号及其相关参数。 表 2.2 柑橘采摘机器人驱动电机参数 电机参数 腰关节 肩关节 肘关节 腕关节 手爪 MULTIPLEX MULTIPLEX 型号 ON2332 ON2332 ON2332 STELL-SERVO STELL-SERVO 额定电压 18v 18v 18v 6v 6v 额定转矩 18.2?N?m? 18.2?N?m? 18.2?N?m? 10.3?N?m? 10.3?N?m? 最大转矩? 67.4N?m? 67.4N?m? 67.4N?m? 额定转速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高转速 9200rpm 9200rpm 9200rpm 转子惯量 18.4gcm?cm 18.4gcm?cm 18.4gcm?cm 2.5 传动方式 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小,需要通过传动机构来增加力矩, 提高带负载能力。对柑橘采摘机器人的传动机构的一般要求有: (1)结构紧凑,即具有相同的传动功率和传动比时体积最小,重量最轻;本科 毕业设计(论文)通过答辩 (2)传动刚度大,即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时 角度变形要小,这样可以提高整机的固有频率,并大大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,这样可以得到较高的位置 控制精度; (4)寿命长、价格低。 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计,结构紧凑,具有 很强的带负载能力,但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机 构运 行过程的冲击和振动,并且不降低控制精度,采用了齿形带传动。 齿形带传动是同步带的一种, 用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换 成 直线运动,在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图 2.7所示。 齿轮带的传动比计算公式为? n? z? 2? 1? i n? z? 1? 2? 齿轮带的平均速度?v?为? a? v? z? t? n? z? t? n? a 1? 1? 2? 2? 图?2.7?齿形带传动本科毕业设计(论文)通过答辩 2.6 制动器 制动器及其作用: 制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放, 从而使运动的机械速度降低 或者停止的装置,它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。 在柑橘采摘机器人机构中,学要使用制动器的情况如下: ? 特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施 ? 停电时,防止运动部分下滑而破坏其他装置。 机械制动器: 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制 动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。 在柑橘采摘机器人的驱动系统中常使用伺服电动机, 伺服电机本身的特性决 定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲,这种制动器就是用弹簧力制动 的盘式制动器, 只有励磁电流通过线圈时制动器打开, 这时制动器不起制动作用, 而当电源断开线圈中无励磁电流时,在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭 方 式。因此 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全制动 场合,所以也称为安全制动器。 电气制动器 电动机是将电能转换为机械能的装置,反之,他也具有将旋转机械能转换为 电能的发电功能。换言之,伺服电机是一种能量转换装置,可将电能转换为机械 能,同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感 应电机等各种不同类型的电机,必须分别采用适当的制动电路。 本文中,该柑橘采摘机器人实验平台未安装机械制动器,因此柑橘采摘机器 人的肩关节和轴关节在停止转动的时候,会因为重力因素而下落。另外,由于各 方面限制,不方便在原有机构上添加机械制动器,所以只能通过软件来实现肩关 节和轴关节的电气制动。 采用电气制动器,其优点在于:在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功 能,这是非常理想的情况,而在柑橘采摘机器人上安装机械制动器会使质量有所 增加,故应尽量避免。缺点在于:这种方法不如机械制动器工作可靠,断电的 时本科毕业设计(论文)通过答辩 候将失去制动作用。 机械臂在抓取前必须先进行移动。本文中的移动机械臂,通过肩部和臂部进 行方向移动。下面对随动系统定义几个性能参数,这几个性能参数是反映移动过 程中抓取的精度、速度和难易程度的指标? 1抓取速度 移动机械臂的驱动电机以一定速度驱动机械臂时,机械臂的角速度。移动速 度是衡量机械臂动性的一个指标,它的大小反映了抓取转移的快慢。? 2工作空间 移动机械臂移动的工作范围成为工作空间。 工作空间是衡量移动机械臂动性 的一个指标,它的大小反映了移动机械臂工作范围:工作空间大,一 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 在不改 变运动体的位置时,机械臂移动的范围就大?反之,工作空间小,机械臂移动的 范围就小。? 3对机械臂的要求 (a)保证旋转精度 移动机械臂的移动精度主要取决于移动系统的质量, 传动系统和控制系统的 精度。就肩部而言,移动精度与肩部空回量的大小有很大联系。这里的空回 量是 由于移动的各运动副的啮合间隙和各传动连接件之间的空隙所产生的, 这些空隙 是由于零件的制造误差和装配误差以及零件的磨损或分解组合调整得不够好所 造成的。另外各传动件的加工、装配质量的情况等对于移动精度都有影响。为了 提高移动精度,减小移动时的方向变位,有利于提高移动准确度和密集度,对移 动机械臂的空回量提出了一定的要求。? b保证移动操作轻便,平稳 为了能够迅速地,精确地进行移动完成抓取任务,要求移动机械臂的操作轻 便、平稳。移动机械臂的操作轻便、平稳主要取决于在一定移动旋转速度下所需 驱动力的大小。 移动机械臂的在稳定运动时,驱动力可按下列公式求出:? (6?1) 式中:本科毕业设计(论文)通过答辩? M?移动关节回转部分阻力矩? R?移动关节驱动电机轴半径 h?移动臂总效率? i?移动臂总传动比 而? w? M? i? w K? 6-2)? w? M? ?驱动电机转动的角速度? w? K? ?肩或臂回转部分转动的角速度即移动速度 由6?1式可知:? i与 P成反比,i愈大,则 P?愈小。 由6?2式可知:i与成反比,i愈大,则。、愈小。 所以电机驱动力 P与移动速度是成正比的。这样为了减少驱动力,就必须增 加传动比,而增加传动比,会引起移动速度减小。同样,若要提高移动速度, 就 必须减小传动比?而减小了传动比,又会引起驱动力增大。因此,减小驱动力 同 提高移动速度是相矛盾的。所以要根据移动机械臂的移动抓取技术要求,在 满足 一定移动速度的情况下,减小驱动力,以便移动机械臂操作轻便、平稳、灵活。? c保证准确定位不易被破坏 引起定位被破坏的可能有以下原因:不平衡力矩的变化、移动中振动等。当 机械臂具有自锁性和适当的电机驱动力时, 就能保证移动的位置不因上述原因而 被破坏。移动机械臂的自锁性是指关节只能正传动,不能逆传动。移动机械臂的 关节的自锁性很重要,它不仅保证移动位置不被破坏,而且也保证了因为断电而 发生机械臂下落撞击本体。解决移动机械臂自锁的方法通常有以下二种:? 一种是 移动机械臂的传动机构中,采用自锁的运动副。如自锁的蜗轮蜗杆副,移动机械 臂的肩部采用了自锁的蜗轮蜗杆传动方式,实现自锁。另一种是在移动机械臂附 加自锁机构。如自锁器、固定盘、电磁闸等。为了防止微小的外力作用到移动机 械臂驱动电机轴上而破坏移动,移动机械臂的肩部驱动力不应过小。? d有足够的强度、刚度和使用寿命 由于移动机械臂工作条件较差,传递运动受力较大,且受动载荷的作用,各本科毕业设计(论文)通过答辩 部件应有足够的强度和刚度, 以保证移动机械臂肩部不被破坏和产生变形影响抓 取精度。这在结构设计和材料选用上应予考虑。同时还要考虑各传动件之间的磨 损问题,应尽量减小磨损,磨损以后能够调整。 上述要求,既是移动机械臂设计的基础,又是衡量移动机械臂性能好坏的依 据。 2.7 机械臂的肩部结构分析 移动机械臂的肩部采用的蜗轮蜗杆式的,下面移动机械臂的肩部结构分析。 2.7.1 作用原理 肩部结构为蜗轮蜗杆式的。 所谓蜗轮蜗杆式肩部, 是指在肩部的传动机构中, 主要通过蜗轮蜗杆的传动,使肩部回转部分转动,来实现机械臂方向移动的。移 动机械臂的肩部还承受并传递臂部时回转部分所产生的回转力矩。 2.7.2 结构及分析? 1结构 在前面的移动机械臂的肩部机械设计中, 对机械臂的肩部结构己经有了详细 的介绍,详见前面机械臂结构设计的相关内容,这里就不再累述了。? 2分析 根据对移动机械臂的要求,来分析机械臂肩部结构性能。 (a)为了提高方向移动精度,减小移动时产生的变位,要求保证在肩部传动 轻便灵活的情况下,空回量要小,保证臂部装置在肩部上总的配合间隙所产生的 方向移动改变量要小于一定值。肩部的空回量,主要取决于蜗轮蜗杆啮合间隙、 磨损情况、蜗杆是否有轴向串动及传动连接件的间隙等。 肩部的蜗轮蜗杆传动是开式传动, 不便于润滑和防尘?因此传动过程中的磨损 是较严重的。同时蜗轮蜗杆间的摩擦系数较大,也易于磨损。由于磨损较严重, 从而增大蜗轮蜗杆的啮合间隙,使肩部空回量变大,这同样会影响移动精度和移 动时的变位。工厂在装配过程中应尽量减少装配误差,保证总的配合间隙对移动 角的影响最小。 (b)为了使传动轻便、平稳、灵活,在机械臂的肩部的传动机构中,采用了 滚动轴承并能通过注油嘴注油润滑。蜗轮蜗杆在装配前经过研磨检查,装配后又 经过调整,使其两齿的接触面沿齿高达 60%,沿齿宽达 50%.本科毕业设计(论文)通过答辩 z? z? i? 1? 2? 1? 蜗杆为右旋,头数? 1,蜗轮齿数? 32,配套减速器的减速比? 156,齿 i? 2? 轮副传动比? ?1,因此肩部的总传动比? z? 2? i .i .i 32X156X?1 ?1376? 1 2? z 1? 6?3? 又? w? M? i?? w K? 6?4) w? M? 式中。? ?肩关节电机转动角速度? 6?5? n?电机每分钟转数,n10200r/m? w? K? ?回转部分转动角速度,即为移动速度 (6?6) 将(6?4)(6?5)代入(6?6)式得到移动肩部的速度? 0.775rad/s? 上述为肩关节旋转速度的理论计算值,移动机械臂的旋转速度最大? 0.5rad/s? 可看成它符合移动技术要求, 实际测量值虽然会因传动机构的加工装配质量等的 影响而大一些,但仍是符合移动技术要求的。满足移动机械臂肩部的设计要求。? c移动机械臂肩部的自锁是靠能够自锁的蜗轮蜗杆副来保证的。 蜗轮蜗杆副 自锁条件:蜗杆螺旋角 小于折合摩擦角 和要可靠自锁必须 比 至少小? 1? 度。 由机械零件可知? 6?7本科毕业设计(论文)通过答辩? 6?8? 式中 ?蜗杆头数? 1? q?蜗杆特性系数? d? 01? q?? m s? 6?9? 一蜗杆分度圆直径? 28mm? 一蜗杆轴向模数? 2mm? 将上述各值代入公式得到:? 0? 0? 6.08 -?4.09 1.99? 1? ? 由此可以看出:蜗轮蜗杆虽然符合? ? 条件,而且差大于 1,故自锁可靠。? d蜗轮蜗杆式的肩部易于旋转方向的要求。 肩部是蜗轮蜗杆传动,蜗杆固定于蜗轮箱内,蜗轮位于蜗轮箱内,通过轴套 与转轴相连,与蜗杆啮合。进行旋转运动操作时,主控计算机把臂部角度与目 标 点的角度进行比 较,角度的差值通过电机驱动器驱动电机转动,电机转动经 配 套的减速器后,经过一对齿轮副的传动,带动蜗杆转动,蜗杆与蜗轮啮合,使得 与蜗轮通过轴套连接的肩部转轴转动,从而使得固定于肩部转轴的臂部转动,赋 予肩部在 150度范围内转动。? e蜗轮副的传动一般具有工作平稳、结构紧凑的特定,但是在这里将它用 作移动机械臂的肩部传动机构后,具体情况有所变化。因为蜗轮蜗杆分别安装在 箱体上, 不能实现对蜗轮蜗杆的固定装置进行组合加工来保证蜗轮蜗杆的中心距本科毕业设计(论文)通过答辩 有较小的偏差?装配时,蜗轮中心与回转中心不易重合,存在较大的偏差。从而 不能保证蜗杆轴线与蜗轮的节圆在同一平面内。 所以解决的办法是蜗杆两端加上 调整垫片。也就是说,在传动过程中,蜗轮蜗杆的啮合情况是变化的,这就使得 电机驱动肩部转动时出现转动不平稳、驱动力不均匀现象。又因为肩部为一级传 动,而且旋转部分很重,体积较大,进行肩部旋转定位时,回转惯性也就较大, 同时也没有消除回转惯性力矩的缓冲机构,这种回转惯性也就敏感地、直接地反 映到电机上来。由于法兰盘和臂部体积较大,使得肩部的体积也较大,且不够 紧 凑。 第3 章 控制系统硬件 3.1 控制系统模式的选择 构建柑橘采摘机器人平台的核心是建立柑橘采摘机器人的控制系统。 首先需 要选择和硬件平台,控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和开发工作 量有很大的影响。一般常用的控制系统硬件平台应满足:硬件系统基于标准总线 机构,具有可伸缩性;硬件结构具有必要的实时计算能力;硬件系统模块化,便 于添加或更改各种接口、传感器和特殊计算机等;低成本。到目前为止,一般柑 橘采摘机器人控制系统的硬件平台可以大致分为两类: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)的系统和基于?PC?总线的系统。近年来,随着?PC?机性能的快速发展,可 靠性大为提高,价格却大幅度降低,以 PC机为核心的控制系统已广泛被柑橘采 摘机器人控制领域所接受。 基于?PC?机控制系统一般包括单?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运动控制卡的控制模式,PC+数据采集卡的控 制模式,由于基于采集卡的控制方式灵活,成本低廉,有利于本文设计中的废物 利用,在程序和算法上可以自主编制各类算法,适合本课题研究的需要。因此本 文选定 PC+数据采集卡的控制方式。本科毕业设计(论文)通过答辩 3.2 控制系统的搭建 图?3.1?控制系统框图 3.2.1 工控机 在此选用研华工业控制机,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。其性能价格比优越,兼容性 好,有利于软硬件维护和升级。与普通个人计算机相比工业控制 PC机有以下优 点: ?芯片筛选要比一般个人计算机严格; ?芯片驱动能力较强; ?整机内部结构属于工业加强型,具有较强的防震和抗干扰性能; ?对环境(如温度、湿度、灰尘等)的要求要比一般计算机低得多。 3.2.2 数据采集卡 在本设计中我们主要用到研华公司的 PCL812PG和 PCL726,其参数如下。? PCL?812PG? 主要特点:? 16路单端 12位模拟量输入本科毕业设计(论文)通过答辩? 2路 12位模拟量输出 采样速率可编程,最快达 30KHz 带 DMA或中断的?A/D? 16路数字量输出? PCL?726? 主要特点:? 6路独立 D/A输出? 12位分辨率双缓冲 D/A转换器? 16路数字量输入及 16路数字量输出 多种电压范围:+/?10V,+/?5V,0?+5V,0?+10V和 4?20mA电流环。 3.2.3 伺服放大器 在驱动系统设计过程中,主要是对伺服电机的驱动,本文中利用报废柑橘 采摘机器人上的? on?电机驱动关节,因此同样选用? on? 伺服电机驱动器 (on?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? on?电机设计的伺服电机放大控制器,具有很强的控制功能 和 稳定性,电源电压 12~30v之间,1、2接线端子接伺服电机,直接给电机供 电,? 3,4?接线端与电源相连,7、8?接控制电压,通过数据采集卡输出的模拟电压信 号进入这两个接线端来控制电机的转速大小和正反转,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“准备好”信号。在伺服控制器 前面,有 5个旋钮调节器涌来调节电机的五个参数,下边有 10个 DIP开关,用 来选择控制器工作状态。本科毕业设计(论文)通过答辩 图?3.2?伺服放大器接线及其调节示意 3.2.4 端子板 不同的被测信号通过不同的传送路线到采集卡,而采集卡在工控机机箱内, 不变直接连接到工业系统中的各种传感器或执行器。 端子板的主要作用有两个: ?.端子板是采集卡与每一个信号调理电路或驱动装置之间的电器连接部件,给 每一路输入、输出信号提供单独的信号线和地线,使每一路通道可单