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机器人实验平台介绍与机械手的设计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，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐步被企业所认同并使用。工业机器人的技术水平与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，工业机器人要紧承担着焊接、喷涂、搬运与堆垛等重复性同时劳动强度极大的工作，工作方式通常采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂与机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的操纵系统，包含数据采集卡与伺服放大器的选择、反馈方式与反馈元件的选择、端子板电路的设计与操纵软件的设计，重点加强操纵软件的可靠性与机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包含：关节的伺服操纵与制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程与在线修改程序、设置参考点与回参考点。关键词：机器人，示教编程，伺服，制动ABSTRACTInthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisespaymoreattentionontheautomationdegreeoftheproductionprocessinordertoenhancetheproductionefficiency,andguaranteetheproductquality.Asanimportantpartoftheautomationproductionline,industrialrobotsaregraduallyapprovedandadoptedbyenterprises.Thetechniquelevelandtheapplicationdegreeofindustrialrobotsreflectthenationalleveloftheindustrialautomationtosomeextent,currently,industrialrobotsmainlyundertakethejopsofwelding,spraying,transportingandstowingetc.,whichareusuallydonerepeatedlyandtakehighworkstrength,andmostoftheserobotsworkinplaybackway.InthispaperIwilldesignanindustrialrobotwithfourDOFs,whichisusedtocarrymaterialforapunch.FirstIwilldesignthestructureofthebase,thebigarm,thesmallarmandtheendmanipulatoroftherobot,thenchooseproperdrivemethodandtransmissionmethod,buildingthemechanicalstructureoftherobot.Onthisfoundation,Iwilldesignthecontrolsystemoftherobot,includingchoosingDAQcard,servocontrol,feedbackmethodanddesigningelectriccircuitoftheterminalcardandcontrolsoftware.Greatattentionwillbepaidonthereliabilityofthecontrolsoftwareandtherobotsafetyduringrunning.Theaimstorealizefinallyinclude:servocontrolandbrakeofthejoint,monitoringthemovementofeachjointinrealtime,playbackprogrammingandmodifyingtheprogramonline,settingreferencepointandreturningtoreferencepoint.KEYWORDS:robot,playback,servocontrol,brake目录第1章绪论11.1机器人概述2L2机器人的历史、现状2L3机器人的进展趋势4第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计52.1自由度及关节52.2基座及连杆51.1.1 2.1基座51.1.2 大臂61.1.3 小臂62. 3机械手的设计73. 4驱动方式92.5传动方式112. 6制动器12第3章操纵系统硬件132.1 操纵系统模式的选择142.2 操纵系统的搭建143. 241工控机153.2.2数据采集卡153.2.3伺服放大器163.2.4端子板163.2.5电位器及其标定183. 2.6电源21第4章操纵系统软件213.1 预期的功能213.2 实现方法224.2.1时显示各个关节角及运动范围操纵224.2.2直流电机的伺服操纵224.2.3电机的自锁224. 2.4示教编程及在线修改程序254. 2.5设置参考点及回参考点26第5章总结264.1 所完成的工作265. 2设计经验276. 3误差分析277. 4能够继续探索的方向28致谢29参考文献30第1章绪论1.1 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。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。“工业机器人”（人dustrialRobot）：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（国内称作工业机器人或者通用机器人）。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。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，习惯性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称之专用机器人，而把工业机械人称之通用机器人。简而言之，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，或者按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人通常分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，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，能够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、经历智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称之操作机(Manipulator)o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,后来进展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中使用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，要紧附属于自动机床或者自动生产线上，用以解决机床上下料与工件传送。这种机器人在国外通常被称之为"MechanicalHand",它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序通常是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不一致又可分为多种类型，其中关节型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，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都使用这种机构形式的机器人。要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、关节等部分构成的抓取与移动机构一一执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动一传动系统；像大脑那样指挥手动作的操纵系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。通常而言，机器人通常就是由执行机构、驱动一传动系统与操纵系统这三部分构成，如图IT所示。关于现代智能机器人而言，还具有智能系统，要紧是感受装置、视觉装置与语言识别装置等。目前研究要紧集中在给予机器人“眼睛”，使它能识别物体与躲避障碍物，与机器人的触觉装置。机器人的这些构成部分并不是各自独立的，或者者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必定还存在着相互关联、相互影响与相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。图1-2机器人各构成部分之间的关系机器人的机械系统要紧由执行机构与驱动一传动系统构成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆与关节构成，由驱动一传动系统提供动力，按操纵系统的要求完成工作任务。驱动一传动系统要紧包含驱动机构与传动系统。驱动机构提供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机器人各关节力矩与运动所要求的驱动力或者力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统与操纵系统三大部分。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 机器人的历史、现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合操纵公司研制出第一台机器人。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，操纵系统是示教型的。日本是工业机器人进展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，要紧依靠人工进行操纵；操纵方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向要紧是降低成本与提高精度。第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机操纵系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各类传感器，把感受到的信息进行反馈,使机器人具有感受机能。第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机与电视设备保持联系，并逐步进展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）与柔性制造单元FMe（FIeXibleManufacturingCell）中的重要一环。随着工业机器人研究制造与应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国与其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISlR决定每年召开一次会议，讨论与研究机器人的进展及应用问题。目前，工业机器人要紧用于装卸、搬运、焊接、铸锻与热处理等方面，不管数量、品种与性能方面还不能满足工业生产进展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，要紧是在危险作业（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，工业机器人应用较多，进展较快。目前要紧应用于机床、模锻压力机的上下料，与点焊、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机器人本身的损坏。随着现代化科学技术的飞速进展与社会的进步，针关于上述各个领域的机器人系统的应用与研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性与更强大的编程环境，习惯不一致的应用场合与多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ClM）要求机器人系统能与车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能与智能水平，要求机器人系统具有开放结构与集成各类外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多使用封闭结构的专用操纵器，通常使用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，使用专用微处理器，并将操纵算法固化在EPROM中，这种专用系统很难(或者不可能)集成外部硬件与软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，假如不进行重新设计，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与使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的进展，大致经历了下列几个阶段：(1) 1963-1967年为试验定型阶段。1963T966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。(2) 1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，比如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21构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台冲床都用工业机器人传递工件。(3) 1970年至今一直处于推广应用与技术进展阶段。19701972年，工业机器人处于技术进展阶段。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机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，比如：森德斯兰德公司(Sundstrand)发明了用小型计算机操纵50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人构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”与"Unimate”型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”,并获得迅速进展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。通过大约10年的有用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。我国尽管开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的进展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的进展。1.3机器人进展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，特别当机器人的生产与柔性化制造系统与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，总的来说现代工业机器人有下列几个进展趋势：a）提高运动速度与运动精度，减少重量与占用空间，加速机器人功能部件的标准化与模块化，将机器人的各个机械模块、操纵模块、检测模块构成结构不一致的机器人；b）开发各类新型结构用于不一致类型的场合，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与手指；开发各类行走机器人，以习惯不一致的场合；C）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、与测距传感器等，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。并使用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统使用微机进行操纵。第2章实睑平台介绍及机械手的设计该设计的目的是为了设计一台物粒搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机器人，本文的中结构设计要紧偏向于对原有机构的改造与机械手的设计。2.1自由度及关节机器人具有四个自由度，即腰关节、肩关节、肘关节与腕关节，都为转动关节；还有一个用于夹持物料的机械手。2.2基座及连杆2.2.1基座基座是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳固性，使用两块“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与反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口与一个引出线出口。2.2.2大臂大臂长度23Omnb具体尺寸如图2.1所示：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机械手的设计工业机器人的手又称之末端执行器,它使机器人直接用于抓取与握紧（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一致，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：（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）仿生多指灵巧手本文设计对象为物技搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不一致角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开与夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计使用两个手指，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与动力，以实现夹紧与松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型与平移形。本文使用回转型传动机构。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，。为电机输出轴，曲柄0A、连杆AB、滑块B与支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE与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中的黑线与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，能够在两个手指之间设置一个弹簧，这样还能够提供适当的夹紧力。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与张开，同时提供足够加紧物体的力。下面更进一步计算出所需要的电机力矩。起始阶段须克服的弹簧力最大，电机转矩务必大于550Nmm,这为电机的选择提供了一定的根据。2. 4驱动方式该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。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动与电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各类驱动方式的特点见表2.1：表2.1三种驱动方式的特点参照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa较大操纵性能利用液体的不可压缩性，操纵精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹操纵气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易操纵，难以实现高速、高精度的连续轨迹操纵操纵精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹操纵，伺服特性好，操纵系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机通常需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于IOOOkPadO个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸与火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人与托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序操纵机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置操纵精度与轨迹操纵精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配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，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对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，即要求力矩质量比与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，位移偏差与速度偏差要小；4) .安全可靠；5) .操作与保护方便；6) .对环境无污染，噪声要小；7) .经济上合理，特别要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点与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机器人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其有关参数。表2.2)帆器人驱动E包机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAX0N2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXStell-Serv0MULTIPLEXStell-Serv0额定电压18v18v18v6V6v额定转矩18.2Nm18.2Nm18.2Nm10.3Nm10.3Nm最大转矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcm*cm9200rpm18.4gcm*cm9200rpm18.4gcmcm2.5传动方式由于通常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。对机器人的传动机构的通常要求有：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率与传动比时体积最小，重量最轻；（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，这样能够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，这样能够得到较高的位置操纵精度；（4）寿命长、价格低。本文所选用的电机都使用了电机与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与振动，同时不降低操纵精度，使用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或者将回转运动转换成直线运动，在本文中要紧用于腰关节、肩关节与肘关节的传动。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齿轮带的平均速度也为匕，=Zr巧=Z2f图2.7齿形带传动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者停止的装置，它大致可分为机械制动器与电气制动起两类。在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下：特殊情况下的瞬间停止与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、闸瓦式制动器与电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。在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之无励磁动作型电磁制动器。又由于这种制动器常用于安全制动场合，因此也称之安全制动器。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。但关于直流电机、同步电机与感应电机等各类不一致类型的电机，务必分别使用适当的制动电路。本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节与轴关节在停止转动的时候，会由于重力因素而下落。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，因此只能通过软件来实现肩关节与轴关节的电气制动。使用电气制动器，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，断电的时候将失去制动作用。第3章操纵系统硬件3.1 操纵系统模式的选择构建机器人平台的核心是建立机器人的操纵系统。首先需要选择与硬件平台，操纵系统硬件平台关于系统的开放性、实现方式与开发工作量有很大的影响。通常常用的操纵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，便于添加或者更换各类接口、传感器与特殊计算机等；低成本。到目前为止，通常机器人操纵系统的硬件平台能够大致分为两类：基于VME总线（VerSamOdeIEurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线）的系统与基于PC总线的系统。近年来，随着PC机性能的快速进展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以PC机为核心的操纵系统已广泛被机器人操纵领域所同意。基于PC机操纵系统通常包含单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运动操纵卡的操纵模式，PC+数据采集卡的操纵模式，由于基于采集卡的操纵方式灵活，成本低廉，有利于本文设计中的废物利用，在程序与算法上能够自主编制各类算法，适合本课题研究的需要。因此本文选定PC+数据采集卡的操纵方式。3. 2操纵系统的搭建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。其性能价格比优越，兼容性好,有利于软硬件保护与升级。与普通个人计算机相比工业操纵PC机有下列优点： 芯片筛选要比通常个人计算机严格； 芯片驱动能力较强； 整机内部结构属于工业加强型，具有较强的防震与抗干扰性能；对环境（如温度、湿度、灰尘等）的要求要比通常计算机低得多。3. 2.2数据采集卡在本设计中我们要紧用到研华公司的PCL812PG与PCL726,其参数如下。PCL-812PG要紧特点：16路单端12位模拟量输入2路12位模拟量输出采样速率可编程，最快达30KHZ带DMA或者中断的A/D16路数字量输出PCL-726要紧特点：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+1OV与42OmA电流环。4. 2.3伺服放大器在驱动系统设计过程中，要紧是对伺服电机的驱动,本文中利用报废机器人上的maxon电机驱动关节，因此同样选用maxon伺服电机驱动器(maxonmotorcontrol4-Q-DCServoControlLSC30/2)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操纵器，具有很强的操纵功能与稳固性，电源电压1230v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接操纵电压，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操纵电机的转速大小与正反转，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。在伺服操纵器前面，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，用来选择操纵器工作状态。P1O nmax P2OlXR P3 OOffset P4 QLmX P5Qgain onoff1 II2 1I31I41I51I61I71I81I91IIOII电源1O2 Q)-R C5 O6 O7 O8 O9 Q10 QH O12 O13 O14 O15 O16 O控制电压OO电机测速计图3.2伺服放大器接线及其调节示意3.2.4端子板不一致的被测信号通过不一致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类传感器或者执行器。端子板的要紧作用有两个：.端子板是采集卡与每一个信号调理电路或者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与地线，使每一路通道可单独接通或者断开，系统检修与排除故障时不必全部停止运行。.将每一路信号通过各自的传送路线到达端子板后，能够根据各路信号与传送路线的特点，在端子板上对各路信号进行简单的调理，如经电阻衰减、分流或者通过RC低通滤波后进入采集卡。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影响电路的正常运行，使用了光电耦合器4N25o在机电一体化技术中，光电耦合电路是重要的接口电路。其中PCL-812PG通过五路数字量输出来操纵电机电路的通断，PCL-726通过五路模拟量输出来操纵电机的正反转与运行速度，另外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计算机。3.2.5电位器及其标定电位器是一种可调电阻，也是电子电路中用途最广泛的元器件之一。它对外有三个引出端，其中两个为固定端，另一个是中心抽头。转动或者调节电位器转动轴，其中心抽头与固定端之间的电阻将发生变化。本文使用的电位器是单圈的，也就是说各关节的运动角度小于360。，关于该机器人已经足够了。电位器安装在机器人的各个关节输出轴上，因此在关节角的运动范围内，电位计的输出电压与关节角是一一对应的，存在着一定的函数关系。从理论上来讲，电位器应该是线性的测量元件，但由于电位器的滑动噪声与滑线电阻的工作过程中的磨损，这种函数关系并非理想的线性关系，而是存在一定的偏移。电位器的标定就是根据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。下面即是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-16.895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-75.1389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：以上标定工作都是在10.0OV的电压下测量的3. 2.6电源电位器与伺服放大器都需要一定的电压，特别是电位计是在10.Ov的条件下工作的，稳固的电压关于保证电位计反馈信号的真实性具有重大的影响；而伺服放大器是在12v30v范围内工作的，电压只要在此范围内即可。本文使用DH1715A-3型双路稳压稳流电源，能够提供032v电压输出与02A电流输出。这里设定两路电压输出：14.Ov供给伺服放大器运行，10.Ov保证电位计的正常工作。第4章操纵系统软件以上完成了机器人的本体设计与操纵系统硬件的搭建，下面将通过设计操纵软件，使计算机通过数据采集卡有条不紊地向外部发送指挥信号，最终驱动机器人各个关节的运动，使之按照人的意愿“工作”。4.1预期的功能(1) .实时显示各个关节角，同时能够防止各个关节的运动角度超出预定的关节角范围内；(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程序；(5) .能够设置参考点，使机器人在空间有一个固定的参考位置，能够回参考4. 2实现方法以模块化程序设计思想为指导，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，工控机通过数据采集操纵。编程的任务事实上就是用计算机操纵数据采集卡使之发出或者获取一系列数字量、模拟量。研华公司的数据采集卡驱动程序中，附带许多与板卡有关的函数与数据结构以供使用，极大的方便了程序编写。本文使用了ViSUalC+作为编程工具。4. 2.1实时显示各个关节角及运动范围操纵在BOOLCRobotDlg:IOnInitDialogO函数中，设置定时器SetTimer(1,gwScanTime,NULL),然后在VoidCRobotDlg:OnTimer(UINTnIDEvent)函数中,通过调用boolCRobotDlg:position_now(USHORTkal_chan),采样电位器输出电压，通过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VOidCRobOtDlg:iOnChangeAngle?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运动范围作比较，看其是否在此区间内，否则弹出警告对话框，同时自动停止该关节的运动。4. 2.2直流电机的伺服操纵关于大功率的直流电机，通常使用PWM操纵来调节运行速度，这样能够提高电路及电机的运行效率，而本文中的电机功率并不是很大，为方便期间，使用了线性操纵方法来调速。以关节1为例，与该模块有关的函数有OnZlButtonO,OnFlButtonO,OnTlButtonO,它们分别表示用来操纵电机的正转、反转与停止，其中电机的运行速度靠输入的电压值调节；另外一个函数OnRUnIBUttOn()是用来实现电机的位置伺服操纵,在预定的关节角范围内，电机能够运行到任何一输入的位置停止。4.2.3电机的自锁前面在2.7节中讲到该机器人关节上未装制动器，因此务必通过软件程序实现关节的自锁，特别是肩关节与肘关节的自锁。解决思路：大臂与小臂在电机运转时不可能由于重力而掉落，在电机停止的时候却会下落，由于电机一旦停止，就失去了驱动力矩，因此若想让大臂与小臂停止在预定位置，应该在此位置给关节电机施加一个电压，让它担负起大臂或者小臂，而不让其由于重力而下落。但是，在不一致的位置，重力对大臂或者小臂的力矩不一致，应提供给电机的电压也不一致，如何选取电机的电压呢？提供给电机的电压小了，不足以抵抗重力的力矩；提供给电机的电压大了，会使电机转动，使大臂或者小臂上升；因此，最好能通过程序来自习惯选择这个制动电压，方法有多种，下面是本文的设计过程。程序设计方法一：在调用在OnT2Button()或者OnT3Button()函数时，先给电机一个0电压，使电机失去驱动力矩，同时调用position_now(USHORTkal_chan)函数获得此刻的关节位置，然后延时一段时间比如0.1s,再给电机一个小电压，形成一个小的制动力矩，通过采样此刻位置看其是否能使关克制动；假如不能，则使该电压值按照一定的步长线性增加，以增大制动力矩；这通过一个While()循环实现，假如采样位置不再减小，则表示大臂或者小臂已停止下落，可跳出循环。下图为程序流程图：方法一验证:用方法一编写的程序，调用OnT2Button()或者OnT3Button()函数后，关于正在上升的臂能够实现很好的制动，而关于下降的臂则不可靠，有的时候候下降的臂停止下落后会反弹又向上运动。定性分析其原因是由于上升的臂在电