机械臂的研制

机械臂的研制作者： 朱睿 金仲存指导教师：裴 东 王全州届别：2005届电子信息工程甲班学号：200172020151 200172020113摘要：我们研制的机械臂由5个精确的伺服电机组成，长11cm,宽6cm,高32cm,主要连接部件由塑料加工而成，共有4个自由度，分别对应于转动基座、臂（由于臂部受力最大，我们采用双电机控制）、肘、钳等四个转轴。每个转轴可在90度的范围内活动，其中转动基座为左右摆动方式，臂、肘为上下摆动方式，机械臂的终端配备可灵活张合的机械钳，可对物体进行拾放。主控系统采用ATMEL公司生产的AVR单片机，由它控制机械臂完成简单的抓举任务，如将一个固定位置固定大小的物体移动到另一固定位置，再将它移回原地，如此反复的工作。虽然目前还不如人手那样灵活，但它的最大优点就是能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险。关键字: 伺服电机，自由度，双电机控制，转轴，主控系统 Reseach of the mechanical handAuthor: Zhurui Jinzhongcun Adviser: Pei dong WangquanzhouYear: 2005th falls due Major: Electronic information projectclass: In 2001 level electronic cubes class Number: 200172020151 200172020113Abstract:The mechanical hand which we developed of the summary is made up of accurate Servo of 5, long 11cm, wide 6cm, high 32cm, main connection part succeed through plastic processing, have 4 degree of freedom in all, it is rotate base to correspondent to respectively, arm (because arm receive strength to be most heavy, we adopt one pair of electromotor to control), the elbow , pincers four pivots. Each pivot can move about in 90 degrees , among them rotate the base in order to swing the way from side to side, arm , the elbow , in order to swing the way , very flexible mechanical pincerses shut of terminal outfit of the mechanical hand from head to foot, can collect putting to the object . Top management system adopt ATMEL AVR singlechip that Company produce , control by it mechanical hand finish the simple snatch task, if move the object of the regular size of a regular position to another regular position, and then retract where it is , so repeated work of it. The getting more flexible less than hand though at present also,advantage not great most the it one can constantly work or physical labor not repeated, wonder tired and dangerous ing. Keywords: Servo,four degree of freedoms , double Servo controlled, the pivot , main control system引言随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。中国工业机器人研究开始于70年代，但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因，未能形成真正的产品。80年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，中国工业机器人研究开发进入了一个新阶段，形成了中国工业机器人发展的一次高潮。以焊接、装配、喷漆、搬运等为主的工业机器人，以交流伺服驱动器、谐波减速器、薄壁轴承为代表的元部件，以及机器人本体设计制造技术、控制技术、系统集成技术和应用技术都取得显著成果。从80年代末到90年代， 国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定了以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主，并开发了水下、自动导引车（AGV）、爬壁、擦窗、管内移动作业、混凝土喷射、隧道凿岩、微操作、服务、农林业等特种机器人。同时完成了汽车车身点焊、后桥壳弧焊，摩托车车架焊接，机器人化立体仓库等一批机器人自动化应用工程，这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步面对国外机器人技术的不断发展和国际市场的激烈竞争，我国工业机器人进展步履艰难。首先国内企业的现状对机器人的需求明显不足，其次国产机器人在性能、价格、系列化、规模化生产上与国外同类产品相比还有一定差距。但是，在我国也存在着机器人应用的前景和希望：第一，制造业仍占我国国民经济发展的重要位置，随着改革开放的深入及与国际市场的接轨，新产品、新工艺的要求需要有新的装备来武装制造业，尤其在汽车、电子、家电、机械、轻工等行业尤为必须。工业机器人不仅在制造业中担负简单、重复的体力劳动，更重要的是在保证产品质量，提高生产效率，把人从恶劣、危险作业环境中替换出来等方面显示优越性。第二，经过20年的研究与实践，我国已形成一批较有经验的机器人研究与开发队伍。我们已经初步掌握了工业机器人的设计技术，如机器人本体设计，控制系统硬件设计，实时操作系统，机器人语言、通讯、可靠性等。第三，经济的发展也为工业机器人的制造提供了合适的材料，原料支持。目录1 设计思路12 方案比较与论证22.1机械臂控制方案22.2电机的选型32.3机械钳的设计方案42.4开发语言的选择53伺服电机工作原理与控制63.1伺服电机的优势63.2两相电机与四相的不同63.3微型伺服电机内部结构63.4微型伺服电机的工作原理73.5 伺服电机的控制方法73.6伺服电机的电源引线83.7伺服电机的运动速度83.8使用伺服电机的注意事项94 机械臂结构设计10 4.1机械臂概述104.2转动基座的设计104.3臂的设计114.4肘的设计124.5钳的设计125技术指标126系统说明127结束语138参考文献14设计思路在设计机械臂的立项阶段，我们首先从可行性上进行了技术论证，结合我们现在掌握的知识层次以及我们的经济能力，再定位上我们也就达成共识，认为机械臂不可能做的很大，可以完成很复杂的工作。 因为是机械臂所以我首先考虑它的动力来源，对它的动力控制方案有三种可供选择，经过仔细比较及论证，我们决定选择电机控制方式。 选择了电机，我们又面对一个问题。那就是因为电机有三种，分别是：直流电机，步进电机以及伺服电机。考虑到我们机械臂的功能以及伺服电机的优势，我们选择了伺服电机。有了动力来源现在剩下的工作就是我们对机械臂结构的设计。这些工作都的需要我们自己亲自手工作业，所以难度很大。首先我们将机械臂分为四个部分分别是：转动基座，臂，肘，机械钳。这样我们就可以分别对它们进行加工。对转动基座我们为了降低机械臂的重心就将其电机装在了基座下面，并将转动基座固定在塑料板子上面，这样机械臂不仅可以在这快板子上自由转动，而且可将需抓放的物体放在板子上面。臂部我们先采用了单电机的方案，但由于伺服电机自身力矩所限，我们不的不采用双电机双信号控制。到了肘部也是由于电机力矩问题以及抓放物体的需要，我们在设计上将肘部只做成单电机，并且将此电机直接与臂部电机相连。现在只剩下机械钳部了，但是这部分的问题却是最多的。我们经过深思熟虑，总终我们在两套方案中选择了一种可行性比较大的。也是用塑料加工而成，用一段钢丝带动机械钳的张与闭。这样我们就完成了机械臂的机械加工。机械臂的整体样子已经成型1 方案比较与论证1.1机械臂控制方案方案一：机械臂采用液压控制，许多工业级的机械臂都采用此控制方法，是当前机械臂控制的主流方案，其优点是液压控制的机械臂力矩大，可以将机械臂做的比较大，这样可以实现一些很繁复的工作，真正体现了机械替代人的发展理念。但它也有先天的不足，那就是做很大的机械臂，它的控制就会相应比较复杂，制作成本比较昂贵，对其骨架的加工精度要求比较高，而我们相应的设备又比较缺乏，资金也达不到那样的设想，所以采用此方案控制难度比较大。方案二：机械臂采用气压控制，在许多精度要求不高的场合常用此控制方法，其优点是瞬时力矩较大，成本低，控制也较方便，但是它的精度比较差，再次扩展性及利用难度较大，并且这种方案对材料的要求又比较高，在我们现有的条件下很难获得达到标准的原料，所以这种方案我们崭时也没办法采用。方案三：机械臂采用电机控制，现在许多机器人上面的机械臂都采用此控制方法，其优点是电机体积小，重量轻，行动灵活，功耗相对较低，价格比较便宜，可以实现预期效果。但它也有先天不足，那就是在采用电机控制时，电机产生的扭矩普遍较小，控制反而比较复杂，而且电机在在超负荷运行时容易被烧坏，因此这就对机械臂的摆动角度及承受重物的重量都有很大的限制，不能抓取很重的物体。总上，考虑到结构的简单性、可实现性和经济实用性，我们最终决定本设计采用第三种方案。1.2 电机的选型方案一：使用带减速结构的直流电机。 当它的减速比较大时，可以有较大的扭矩，但由于其是开环控制，受电压，电流、惯性等的影响很大，定位精度不高，很难达到预期效果。方案二；使用步进电机。，步进电机具有以下优点:质量轻、体积小、成本低。而且步进电机控制比较容易，电机的角位移正比于所给的脉冲数，电机的速度正比于脉冲的频率，所以对步进电机的位置控制最终可归结为对脉冲数的控制，速度控制可归结为对脉冲频率的控制。但是步进电机有高频易丢步，低频易共振等问题，当它受力在其额定范围之内时，定位精度较高，但它没有减速机构，扭矩普遍较小，再者它是开环控制，当它在转动过程中，特别是起步时，如果所受力矩稍微偏大，就会出现失步现象，给它一个转一定角度的指令，具体它能否达到效果，不一定，因为它不产生具体位置的反馈信号。方案三：使用伺服电机。伺服电机的优点很多：其一，定位精度较高，不会产生较大偏差；其二，它带有减速机构，所以扭矩较大；其三，它是闭环控制，当它在转动过程中，即使所受力矩稍微偏大，也会转到预定的位置，不会出现失步现象（除非电机烧坏），给它一个转一定角度的指令，它就一定能达到期望值，这是因为它产生具体位置的反馈信号，如果转的角度不够或转的角度过大时，它就会继续转动或往回转，直至到达预期位置。通过上述三种方案的分析，结合机械臂具体功能及定位精度的要求，我们选择了方案三。1.3机械钳的设计方案 在动物自然界中，摄取、撕咬食物或搬运物体多半是通过具有牙齿的嘴或是灵巧的手来完成的。而如果希望机器人具备类似的功能，那么给它装上一个能张合自如的机械钳无疑是一个较佳的选择。方案一：如右图所示，采用塑料加工而成，它抓取物体时比较灵活，但是结构比较复杂，加工起来难度也较大，钳子在合闭时，始终有一定角度，这样，当它夹圆形且比较轻的物体时，物体会不断地向前移动，经过来回这样抓放几次，物体就有可能脱离机械臂的抓放范围。并且这种结构需要将电机固定在钳子正下方，这样必定会增加机械钳的自身重量，从而加重机械臂臂部、肘部的受力，增加了转动时的惯性，而由于电机所承受的重力是有限的，这只会无形增加的机械钳的重量，会使机械臂所能承受的重物重量降低，而且那样做也会加大控制难度，从可实现性上来说会有很多问题。方案二：采用如右图的结构，也是用塑料加工而成，重量较轻，张合行动灵活，电机可以固定在机械臂的肘部，这样会减轻机械钳自身重量，让臂部和肘部电机不会承受太多负荷。这种结构虽然不太复杂，但对零件的精度要求较高，加工起来也有一定难度；钳子的左右两边是平行地向前合闭，夹取物体时，物体会稍微向前移动，钳子主要是靠螺丝连接与固定，虽然制作有些难度，但它的成本不是很大，。基于我们现有的设备和功能的需求，决定采用第二种案。1.4开发语言的选择方案一：使用汇编语言。AVR单片机指令系统是RISC结构的精简指令集，是一种简明易掌握、效率高的指令系统，但不同系列的器件对应的指令和指令数量也有区别，例如我们使用的AT90S8535器件有118条指令，其指令与MCS-51有很大差别，如果采用汇编作为开发系统语言，则需要一段时间来熟悉其指令，这样就会延长系统的开发周期。方案二；使用C语言。C语言可读性和可移植性强，语言简洁、紧凑，使用方便、灵活，又有结构化的控制语句程序设计自由度大，语法限制不太严格，生成目标代码质量高，执行效率也高，可移植性也比较好。我们可以找到高效的单片机开发软件ICCAVR，缺点是用C语言写的代码经过编译后生成的可执行文件一般比较大，一般单片机的存储器又比较小，所以限制了系统的功能。考虑到我们使用的单片机存储容量大，对ICCAVR开发环境比较熟悉，C语掌握的比较好，决定采用第二种方案。2 伺服电机工作原理与控制2.1伺服电机与步进电机相比优势： 1 .实现了位置，速度和力矩的闭环控制：克服了步进电机失步的问题； 2. 高速性能好，一般额定转速能达到20003000转； 3. 抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速启动的场合特别适用； 4. 低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合。5.电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；6.发热和噪音明显降低。2.2两相电机和四相电机的不同 真正的两相步进电机在定子上只有两个绕组，有4根出线，在驱动器中，只要对两相绕组电流通断和电流方向进行控制就可以了。而四相步进电机在定子上有四个绕组，有8根出线，不过在驱动器中需要对四个绕组进行控制，电路的复杂性和成本都明显增加。所以一般都选择两相电机配两相驱动器。一般驱动器中有两相的却没有四相的。这是因为，四相绕组两两并联或串联后就成为两相绕组，这样四相电机就变成两相电机了。一般来说，并联使用时，电机有较好的加速性能，高速力矩保持得好，但是电机需要输入2倍于额定电流的电流，发热较大，对驱动器输出能力的要求相应提高；而在串联使用时，电机有较好的低速稳定性，噪音和发热较小，对驱动器要求不高，但是高速力矩损失较大。2.3微型伺服电机内部结构一个微型伺服电机内部包括了一个小型直流电机；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流电机提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，也就是齿轮组的直径比越大伺服电机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也会愈低。2.4微型伺服电机的工作原理一个微型伺服电机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示：减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。2.5 伺服电机的控制方法标准的微型伺服电机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服电机会产生噪音）。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格，下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服电机的输出臂位置的关系2.6伺服电机的电源引线电源引线有三条，如图中所示。伺服电机三条线中红色的线是控制线，接到控制芯片上。中间的是SERVO工作电源线，一般工作电源是5V。 第三条是地线。2.7伺服电机的运动速度伺服电机的瞬时运动速度是由其内部的直流电机和变速齿轮组的配合决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式来改变，例如，我们可把动作幅度为90的转动细分为128个停顿点，通过控制每个停顿点的时间长短来实现090变化的平均速度，也就是说，我们可以让电机5秒钟转动90，也可以1秒钟转动90。对于多数伺服电机来说，速度的单位由“度数/秒”来决定。2.8使用伺服电机的注意事项1） 除非使用的是数码式的伺服电机，否则伺服电机输出臂位置只是一个不准确的大约数。2） 普通的模拟微型伺服电机不是一个精确的定位器件，即使是使用同一品牌型号的微型伺服电机产品，他们之间的差别也是非常大的，在同一脉冲驱动时，不同的伺服电机存在10的偏差是正常的。3） 正因上述的原因，不选用小于1ms及大于2ms的脉冲作为驱动信号，实际上，伺服电机的最初设计表也只是在45的范围。而且，超出此范围时，脉冲宽度转动角度之间的线性关系也会变差。4） 不可加载让伺服电机输出位置超过90的脉冲信号，否则会损坏伺服电机的输出限位机构或齿轮组等机械部件。5） 由于伺服电机的输出位置角度与控制信号脉冲宽度没有明显统一的标准，而且其行程的总量对于不同的厂家来说也有很大差别，所以控制软件必须具备有依据不同伺服电机进行单独设置的功能。3 机械臂结构设计3.1机械臂概述结构介绍：底座系统：底座可固定在桌面上，底座系统安装有控制电路板，并在底的中柱上开有电源接口和信号接口，方便数据交换。 连接臂：连接臂的作用是把各个电机串联起来，从而方便用户扩展电机的数量，订制机械手的活动范围。连接肘：连接肘的作用是把臂与机械钳连接起来，将连接臂给的力以及自己电机所输出的力传递给钳部，使机械钳顺利完成抓放物体的功能。伺服电机：伺服电机是整个机械手系统的动力源泉，每个电机可在10度到170度的范围内无级定位，而这种定位可以通过软件来控制，从而使得机械手可以作非常复杂的动作。钳子：钳子在电机的驱动下自由张合，使机械手可以模拟人手作取物等动作。电源接口：外界电源通过该接口向整个系统提供能源。信号接口：计算机软件通过该接口向系统提供数据命令。3.2 转动基座的设计转动基座部分为左右摆动方式，如右图所示，该部受力较小，起固定机械臂的作用。转动基座从根本上决定了机械臂的伸展空间，因为它固定了机械臂的位置，机械臂只能以基座为基点作一定角度的偏转。为了降低机械臂的重心，我们将该部位的电机固定在了基板的下方，在电机的底部用胶粘了一个底座，用螺丝和铜柱将他稳稳的固定在基板上。3.3臂的设计臂部为前后摆动方式，在机械臂所有关节中受力最大，研制初期我们采用单电机控制，当我们给它发转动指令时，电机内部会一直发出叭叭的响声，这是由于该电机所受力矩已经超出了它所能承受的最大范围，而伺服电机是闭环控制，当没有转到预期的位置时，它就会不停地矫正，当电机工作在这种情况时，是很容易被烧坏的，即使电机转到了预期位置，当指令发送完之后，也就是电机的信号端没有信号输入时，由于所有力矩过大，电机会慢慢向下自然转动。所以后来我们把臂改为双电机控制，如右图所示，这样，每个电机所受的力矩就会只有原来的一半，不会在出现承受力矩过大的问题，于是叭叭的响声也就没有了，电机也不再自然向下转动，避免了电机可能被烧坏的隐患，提高了机械臂的可靠性。3.4肘的设计肘部也设计为前后摆动方式，由于该关节与臂的摆动方式相同，为了尽可能减小臂部电机的受力，从而相应增加机械钳的承受力，只能将肘部与臂部的连接缩短到最小，为了达到这个目标，我们直接将两个关节用电机相连，即肘部是一个单电机构成，这个电机直接与臂部电机相连。肘部的结构虽然比较简单，但它的作用却不能低估。肘部负责连接臂与钳部，它扮演着一个桥梁的角色。臂部通过它将力以及肘部自身电机提供的原始动力传递到钳部，机械钳抓去物体的最主要力量来源就是通过肘的传递。3.5钳的设计 钳的结构如下图所示，主要部件是自己用塑料加工而成，由螺丝固定与连接。机械钳抓取物体时比较灵活；机械钳的钳子和钳部电机是靠两段钢丝完成，电机的伸与缩就会带动钢丝拉动钳子，从而实现钳子的合闭与张开，达到抓起或放下物体的功能。该关节的电机尽量靠近肘部，这样做也是为了减轻臂和肘部电机的负荷；固定电机的骨架与钳子有120夹角，当夹取物体时，钳子与基座相平行，便于夹取各种形状的物体，也大大提高了抓取物体的成功率。4 技术指标可持续工作时间1小时钳子最大张开宽度2cm可抓取物体的最大直径10mm可抓取物体的最小直径5mm可抓取物体的质量25g各关节定位精度2最大工作电流0.6A5 系统说明1）采用高速、稳定的AVR作为