外文翻译--机器人和机械手.doc

1附录A译文.机器人和机械手作者：MakotoJinno,Tokyo(JP)；TakamitsuSunaoshi,Yamato-Shi(JP)；ShiroTsukada,Yokohama-shi(JP)机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。现代工业机器人是人类真正的奇迹工程。一个像人那么大的机器人可以轻松地抬起超过一百磅并可以在误差+-0.006英寸误差范围内重复的移动。更重要的是这些机器人可以每天24小时永不停止地工作。在许多应用中（特别是在自动工业中）他们是通过编程控制的，但是他们一旦编程一次，他们可以重复地做同一工作许多年。机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在某种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。由于我国经济建设和城市化的快速发展，城市污水排放量增长很快，污水处理己经摆在了人们的议事日程上来。随着科学技术的发展和人类知识水平的提高，人们越来越认识到污水处理的重要性和迫切性，科学家和研究人员发现塑料制品在水中是用于污水处理的很有效的污泥菌群的附着体。塑料制品的大量需求，使得塑料制品生产的自动化和高效率要求成为经济发展的必然。本文结合塑料一次挤出成型机和塑料抓取机械手的研制过程中出现的问题，综述近儿年机器人技术研究和发展的状况，在充分发挥机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对物料抓取机械手整体机械结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计，提出了一套经济型设计方案。采用直角坐标和关节坐标相结合的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性。传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构，以实现各种必要的运动，传动方式上采用结构紧凑、传动比大的蜗轮蜗杆传动和将旋转运动转换为直线运动的螺旋传动。机械手驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时2也要考虑价格因素的影响以及能够达到的技术水平。由于步进电机能够直接接收数字量，响应速度快而且工作可靠并无累积误差，常用作数字控制系统驱动机构的动力元件，因此，在驱动装置中采用由步进电机构成的开环控制方式，这种方式既能满足控制精度的要求，又能达到经济性、实用化目的，在此基础上，对步进电机的功率计一算及选型问题经行了分析。在完成机械结构和驱动系统设计的基础上，对物料抓取机械手运动学和动力学进行了分析。运动学分析是路径规划和轨迹控制的基础，对操作臂进行了运动学正、逆问题的分析可以完成操作空间位置和速度向驱动空间的映射，采用齐次坐标变换法得到了操作臂末端位置和姿态随关节夹角之间的变换关系，采用几何法分析了操作臂的逆向运动学方程求解问题，对控制系统设计提供了理论依据。机器人动力学是研究物体的运动和作用力之间的关系的科学，研究的目的是为了满足是实时性控制的需要，本文采用牛顿-欧拉方法对物料抓取机械手动力学进行了分析，计算出了关节力和关节力矩，为步进电机的选型和动力学分析与结构优化提供理论依据。控制部分是整个物料抓取机械手系统设计关键和核心，它在结构和功能上的划分和实现直接关系到机器人系统的可靠性、实用性，也影响和制约机械手系统的研制成本和开发周期。在控制主机的选用上，采用结构紧凑、扩展功能强和可靠性高的PC工业控制计算机作为主机，配以PCL-839卡主要承担系统功能初始化、数据运算与处理、步进电机驱动以及故障诊断等功能；同时对PCL-839卡的结构特点、功能原理和其高定位功能等给与了分析。硬件是整个控制系统以及极限位置功能赖以存在的物质基础，软件则是计算机控制系统的神经中枢，软件设计的目的是以最优的方式将各部分功能有机的结合起来，使系统具有较高的运行效率和较强的可靠性。在物料抓取机械手软件的设计上，采用的是模块化结构，分为系统初始化模块、数据处理模块和故障状态检测与处理等几部分。主控计算机和各控制单元之间全部由PCL-839卡联系，并且由该卡实现抗干扰等问题，减少外部信号对系统的影响。步进电机的启停频率远远小于其最高运行频率，为了提高工作效率，需要步进电机高速运行并快速启停时，必须考虑它的升，降速控制问题。电机的升降速控制可以归结为以某种合理的力一式控制发送到步进电机驱动器的脉冲频率，这可由硬件实现，也可由软件方法来实现。本文提出了一种算法简单、易于实现、理论意义明确的步进电机变速控制策略:定时器常量修改变速控制方案。3该方法能使步进电机加速度与其力矩频率曲线较好地拟合，从而提高变速效率。而且它的计算量比线性加速度变速和基于指数规律加速度的变速控制小得多。通过实验证明了该方法的有效性。最后，对机械手主要研究内容和取得的技术成果进行了总结，提出了存在的问题和不足，同时对机器人技术的发展和应用进行了展望。研究机械手控制的目的是保持以计算机为基础的机械手的动态响应，以便与一些预先设定的系统性能和理想目标保持一致。一般情况下，机械手的动态性能直接依赖于控制算法的效率和机械手的动态模型。控制问题包括获得自然的机械手系统的动态模型，然后指定相应的控制规则或步骤以达到想要的系统响应和性能。目前的工业机械臂控制将每一个机械臂的联合看做一个简单的联合伺服。伺服方法不能充分地模仿不同的动力学机械手，因为它忽略了机械手整体的运动和配置。这些控制系统的参数的变化有时是足够重要，以至于使常规的反馈控制方法失效。其结果是减少了伺服响应的速度和阻尼，限制了精度和最终效应的速度，使系统仅适用于有限精度的工作。机械手以这种方式控制速度降低而没有不必要的震动。任何在这一领域和其它领域的机械臂性能增益要求更有效率的动态模型、精密的控制方法、专门的计算机架构和并行处理技术。在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。一般机械手所用机械部件有滚珠丝杠、滑轨、气控机械抓手等。电气方面有4可编程控制器（PLC）、编程器、步进电机、步进电机驱动器、直流电机、光电传感器、开关电源、电磁阀、旋转码盘、操作台等部件。可编程控制器发出两路脉冲到步进电机驱动器，分别驱动横轴、竖轴的步进电机运转；直流电机拖