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小型
搬运
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小型搬运机械人（机械手）的设计与实现,小型,搬运,机械人,机械手,设计,实现
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USB下载接口电源输入5V稳压3.3V稳压6路PWM舵机控制接口总线舵机接口扩展用户传感器IO接口需外接电机驱动S1SW-SPSTVCCVCC-5.0PI3V30P01PI3V30P02PI3V30P03PI3V30P04PI3V30P05PI3V30P06CO3V30PPI5V00P01PI5V00P02PI5V00P03PI5V00P04PI5V00P05PI5V00P06CO5V00PPI74HC126D01PI74HC126D02PI74HC126D03PI74HC126D04PI74HC126D05PI74HC126D06PI74HC126D07PI74HC126D08PI74HC126D09PI74HC126D010PI74HC126D011PI74HC126D012PI74HC126D013PI74HC126D014CO74HC126DPIC101PIC102COC1PIC601PIC602COC6PIC1001PIC1002COC10PIC1101PIC1102COC11PIC1201PIC1202COC12PIC3101PIC3102COC31PIC3201PIC3202COC32PIC3301PIC3302COC33PIC5101PIC5102COC51PIC5201PIC5202COC52PICG001PICG002PICG003COCG0PICG101PICG102PICG103COCG1PICG201PICG202PICG203COCG2PICG301PICG302PICG303COCG3PICG401PICG402PICG403COCG4PICG501PICG502PICG503COCG5PICH34001PICH34002PICH34003PICH34004PICH34005PICH34006PICH34007PICH34008PICH34009PICH340010PICH340011PICH340012PICH340013PICH340014PICH340015PICH340016COCH340PIDJ001PIDJ002PIDJ003CODJ0PIDJ101PIDJ102PIDJ103CODJ1PIDJ201PIDJ202PIDJ203CODJ2PIDJ301PIDJ302PIDJ303CODJ3PIDJ401PIDJ402PIDJ403CODJ4PIDJ501PIDJ502PIDJ503CODJ5PII2C01PII2C02PII2C03PII2C04COI2CPIIO0T01PIIO0T02PIIO0T03PIIO0T04PIIO0T05PIIO0T06PIIO0T07PIIO0T08PIIO0T09PIIO0T010PIIO0T011PIIO0T012COIO0TPILM3V301PILM3V302PILM3V303PILM3V304PILM3V305COLM3V3PILM5V001PILM5V002PILM5V003PILM5V004PILM5V005COLM5V0PIMD0JK01PIMD0JK02PIMD0JK03PIMD0JK04PIMD0JK05PIMD0JK06COMD0JKPIMD0JK201PIMD0JK202PIMD0JK203PIMD0JK204PIMD0JK205PIMD0JK206COMD0JK2PIMUSB01PIMUSB02PIMUSB03PIMUSB04PIMUSB05COMUSBPINLED01PINLED02CONLEDPINLED101PINLED102CONLED1PIP101PIP102COP1PIPLED01PIPLED02COPLEDPIPP01PIPP02COPPPIPS001PIPS002COPS0PIPS101PIPS102COPS1PIPS201PIPS202COPS2PIPS20JK01PIPS20JK02PIPS20JK03PIPS20JK04PIPS20JK05PIPS20JK06COPS20JKPIPS20JK201PIPS20JK202PIPS20JK203PIPS20JK204PIPS20JK205PIPS20JK206COPS20JK2PIPS301PIPS302COPS3PIPS401PIPS402COPS4PIPWR01PIPWR02PIPWR03COPWRPIR501PIR502COR5PIR601PIR602COR6PIR701PIR702COR7PIR801PIR802COR8PIR901PIR902COR9PIR1001PIR1002COR10PIR1101PIR1102COR11PIR1201PIR1202COR12PIR3101PIR3102COR31PIR5101PIR5102COR51PIR6101PIR6102COR61PIS101PIS102COS1PISER1B01 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DiodeSS54_4007Diode1STC15W4K60S4_LQFP48stc15LQFP48STC15W4K60S4_LQFP481SW-6ASWSW-6ASW-6A1W25Q64W25Q64sop8W25Q641xtal2XT_12MXTAL_3213xtal21接线柱贴片xxx毕业设计（论文） 摘 要 在今天的大规模制造业中，大型制造企业在小型搬运机械人的一个重要成员，并逐渐被确认今天的自动化生产线，该公司已通过。技术和应用的小型搬运机械人，在一定程度上，目前，它是一种小型搬运机械人焊接，涂装，搬运和堆放，以及其主要负责复制和伟大的工作等劳动密集型工作，以反映自动化水平的行业一般状态，这将是教育和播放模式。在本文中，小型搬运机械人设计的冲压设备及材料运输的自由，六度。首先，机器人臂，所述机器人臂结构，一个合适的传输模式中，驱动模式的基本设计，选择内置机器人平台结构。在此基础上，本文中，包括数据采集卡和伺服放大器的选择，控制软件可靠性和控制系统的机器人端子板电路，反馈和反馈组件选择，设计和控制软件的设计的安全性设计中，我们集中关于提高机器人的过程中，以及操作的最终目标包括：关节伺服控制和制动问题，监测所述机器人，所述机器人移动实时每个关节的教学计划，和上游节目固定，设置参考点和参考点。关键词：机器人，示教编程，伺服，制动ABSTRACT In modern large-scale manufacturing, enterprises, production efficiency improves, in order to ensure product quality, pay much attention to the degree of automation of the production process. An important component of automated production lines, industrial robots, increasingly recognizes the company, it has been adopted. Application of the technical level and industrial robots, industrial automation, and reflects a certain national level, at present, such as, JOPS, is a major cause of spray transport and welding industrial robot handling, usually repeated and high are taking the work ability, we have most of the robot is working on playback.In this article, industrial robots, it has a four-degree-of-freedom by a punch that is used to carry the material and design. First, arm, based on my design of the end effector of the arm and the robot structure, then to build the mechanical structure of the robot, and then select the appropriate drive system and transmission system. Based on this, I is a data acquisition card, a servo control, including the design and selection of the control software of the feedback method and terminal circuit cards, to design the control system of the robot. During the operation of the control software, we will pay attention to the safety and reliability of the robot. Each joint movement monitoring real-time broadcast programs included in order to achieve the ultimate goal is to change the servo control and brake joints and online programs, to set the reference point and the reference point.KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake目 录第1章 前言 31.1 机器人概述 41.2 机器人的历史、现状 41.3 机器人的发展趋势 4第2章 六自由度串联机械人设计32.1自由度及关节 42.2 整体设计 42.2.1 基座 72.2.2 大臂 72.2.3 小臂 72.2.3 轴承座受力分析 72.3 机械人的设计42.4 驱动方式42.6 三维建模4 第3章 系统设计4 3.1 控制系统模式的选择43.2 控制系统的搭建 43.2.1 工控机43.2.2 数据采集卡43.2.3 伺服放大器43.2.4 端子板 43.2.5电位器及其标定 43.2.6电源 4第4章 控制系统软件 44.1预期的功能 4第5章 总结 45.1 所完成的工作 45.2 设计经验 45.3 误差分析 45.4 可以继续探索的方向 4致 谢 4参考文献 4第1章 绪论1.1 机器人概述 在现代工业中，机械化的生产工艺和自动化已经成为一个突出的主题。化学生产过程的自动化的连续性，已原则上解决。然而，在机械行业，加工，装配等生产是不连续的。专用机床，是大量生产的自动化的一种有效方式。这是为了解决多品种小批量，使自动化生产，是程控机，数控机床，加工中心或其他自动机器的重要途径。但是，本身切割，机加工，运输，组装，以及在除了许多其他操作，和本机的存在，以促进。该机器人应用，这些机械化似乎奠定了良好的基础。“小型搬运机械人”（小型搬运机械人）：自动采集的独立性，以及设备处理元件，操作工具（家用或小型搬运机械人，机器人被称为通用型）也被称为最具程序变量（ED）的。机器人，身体机能是上部固定自动化的顺序。简单的机器人，结构，成本低，维护方便等优点，也有很多的功能，具有适应性差了。目前，中国已经统称特种机器人机器人等，与这些产业机器被称为万能机器人功能相关。即，在工件的机械机器人某处，或它是操纵工件，这取决于指定的要求代替工作位置的所用的作业。机器人一般分为三类。最初，这个研究的目的是，它不要求一个普遍机器人手动干预。它可以被编程以执行被独立地指定要被处理的必要的任务，它不属于该主机设备。传统的机械和物理性能，以及超出了通常的机器，除了三元智能存储设备。第二类是需要人工操作称为操作系统（机器人）。因此，数月到通过操作机搜索，原子军事，第一原点执行某些操作，以操作机器人使用无线电信号被开发。锻造产业化经营也是专家，就属于这一类。第三类，专业机器人，自动机和全自动生产线，其主要附属公司，相当于转岗装载机。该机器人中，通常，以驱动是由被称为“机器人”的外国主机托管服务。除了少数例外，工作方案，他们一般都是固定，是一个私有的。该机器人还包括一个主体，一个机器人，紧凑的节省空间，也能够划分铰接最大相对工作区的结构，并且在许多不同的类型，一些这些机器人的最常用几左右是基于旁路的数目，这是部分疾病的身体世界著名的机器人的功能结构，都采用了这种组织形式的机器人的。最简单的，拿起东西像人的机器人，具有相同的基本条件是，被劫的金融机构，它移动的手腕，手臂，关节等部位这是 - 致动器。如肌肉驱动臂 - 发送。它可以包括一个控制系统，例如用于脑和手的运动的命令。确定机器人的性能，这些系统的性能。三个部分，驱动器和控制系统，其中，被构造 - 在一般情况下，正常执行的机器人，它是由驱动，如图 1-1 所示。图1-1 机器人的一般组成不仅为现代智能机器人，智能系统，主要是传感设备，视频设备，是语音识别设备。它识别出对象，以避免障碍物，在如在本研究中可以在机器人的触觉设备，致力于提供机器人的“眼睛”。另一个组件不或为机器人，以形成一个机器人，它不是它们的简单叠加在一起。不仅为了实现对所期望的机器人的功能实现的，是本之间的机器人的不同部分，彼此影响的相互制约。它们之间的关系如图1-2 所示。 图1-2 机器人各组成部分之间的关系 机械机器人系统由执行器和驱动器 - 驱动系统部件。系统中，必要的任务的力来驱动控制系统 - 机器人来执行对这些实体的任务将通过正常的链路和关节驱动组合物。驱动器 - 传输，包括传输和传动机构。每个机器人关节的驱动机构，以便提供必要的动力，传动系被转换成驱动力或扭矩的驱动力，以满足关节扭矩和每个机器人的运动的需要。机械系统，一些在机器人的驱动系统和由三部分组成的控制系统的文献。机械系统中，对应于执行机构的纸张的一部分，被称为作业机械（机器人）。1.2 机器人的历史、现状 首先，我们开始发展从美国的机器人。美国公司1958年的控制，开发了第一个机器人。连接，工作时将其结构的特征在于，一个长臂旋转体，有必要采取螺线管机构的另一种结束，控制系统是课的类型。日本是一个小型搬运机械人增长最为迅速，将适用该国大部分地区。自1969年以来，美国已经推出了两款典型的机器人正在积极从事机器人研究。大部分小型搬运机械人的可主要取决于手动控制，是第一代。开环控制方式，相比于没有识别，改进的方向是降低成本，是最有可能提高精度。第二代机器人具有加强其发展。同时，这也是赋予的能力，你听，微电脑控制系统，视觉，触觉能力。该研究安装各种传感器用于检测反馈，机器人有感觉功能。第三代机器人（机器人），它可以在任务独立操作。这是，以保持与计算机和电视设备的接触，是发展成逐渐柔性制造系统FMS的重要组成部分（柔性制造系统）和柔性制造单元FMC（柔性制造单元）。- 中国开始发展小型搬运机械人等5或更高版本的日本 - 因为小型搬运机械人的发展缓慢不是六年，为各种原因，和。目前，中国是引进，模仿，改编，以及通过技术创新，从国外引进计划，开始了小型搬运机械人技术，小型搬运机械人，它将会得到快速发展。1.3机器人发展趋势 在现代生产技术的改进，机器人的设计和生产能力，进一步，为了提高手工生产效率的生产和柔性制造系统和灵活的生产设备，结合了机器人，改变机器的当前状态特别是如果你想，它已得到增强。那么，整个现代小型搬运机械人，具有以下趋势。运动精度和A的移动速度），则增加重量，空间，机器人，各种机器人，控制模块的机械模块，以促进结构上不同的机器人检测模块的标准化和模块化。二），以确保新的结构，应用程序，如微致动器，不同类型的建立的发展的准确性。更自由地发展的多关节臂和手指。适应不同的情况下，走所有类型的显影机器人， 这样的外部触觉，视觉，听觉，味觉，和测距传感器，对周围环境获得的位置信息，传感器和感测元件，如状态信息，各种类型的模式识别的传感器信息的一个目的，完成国III）开发测试。使用专家系统来解决这些问题，行动计划，比较该系统由计算机控制。第2章 实验平台介绍及机械人的设计 2.1自由度及关节 图1 该机器人有6个自由度，即腰部关节，肩关节，肘关节和腕关节的旋转接头的;和机器人用于保持的材料。2.2整体设计2.2.1 基座 底座是支撑整个机器人本体。以保证机器人动作的稳定性，它使用了两个“Z”形的固体铸铁的支持。 以上是基本接线盒，驱动器和从所有电动机的反馈信号是出来。外箱布线，有一个引线与引线出口插座。2.2.2 大臂大臂长度230mm，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2.2.4 轴承座受力分析2.3机械人的设计 此外，工业用机器人手叫端，机器人把持，专用工具（例如枪，扳手，焊接工具，喷嘴等）直接（吸附）的各组件的夹紧动作的。它具有这样的功能，模仿的手的运动，被附接至机器人臂的末端。工件，尺寸，重量，材料的形状，虽然由于表面状态，因此在不同的保留，由于操作，最后，它是一个广泛的小型搬运机械人，可分为以下类别。夹钳式取料手（1） 吸附式取料手（2） 专用操作器及转换器（3） 仿生多指灵巧手这样的设计目的是一种材料搬运机器人，不需要复杂的多指人工手段，只要抓住工件设计，从不同角度钳形手指。手指与工件构件直接接触。手指释放并夹紧工件被打开和关闭的手指来实现来实现。该设计采用两个手指，其外形如图2.3所示 图2.3 机械人手指形状 传递机构被传递到手指的运动和功率以实现抓握和释放操作机构。根据手指的开口的特征和关闭转子和盘的动作。在本文中，旋转驱动机构。图2.4是一种机制，初步设计草图机器人（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。 图2.4 机械人机构简图 在图2.4，O是电机输出轴，曲柄OA，AB链接，滑块和曲柄滑块机构B代表组成;块B，链接BC，CE和支架构成滑块摇杆摇杆机构。系列由两个机构，马达终传动DE来回摆动，以实现手指的开闭运动。图2.4黑色和蓝色线代表运行的两个极端位置机制。 为了便于手指的光滑封闭，可以设置在两个手指，这还可以提供一个适当的夹紧力之间的弹簧。 此外，在电机的选择时的电机功率进行足以克服开放弹簧收缩和，并提供足够的力，以加强该对象。图2.5是利用虚拟样机软件ADAMS来分析的工作条件而设计的机器人机构。 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。 图2.6 力矩变化情况 从图2.6所示，以克服最大马达转矩所需要的弹簧力的初始阶段必须大于550N毫米，这提供了用于电机的选择的基础。2.4驱动方式 该机器人具有总共六个独立的旋转接头，以及机器人的运动的终点，一共有五个电源必需的。机器人共同驱动一个液压传动，气动驱动和电机驱动三种类型。这三种方法都有自己的长处，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，最大可达Pa 较大控制性能使用不可压缩流体，精度高，输出功率高，变速，灵敏的控制，可实现连续轨迹控制气体可压缩性，精度低，减振效果差，低和难于控制，这是难以实现高速，高精度的连续路径控制控制精度高，功率大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速，高精度连续轨迹控制，良好的伺服特性，复杂的控制系统响应速度 很高较高 很高结构性能及体积结构适当的执行机构可以标准化，模拟化，容易实现直接驱动。功率/重量比，体积小，结构紧凑，密封的大问题结构适当的执行机构可以标准化，模拟化，容易实现直接驱动。功率/重量比，体积小，结构紧凑，体积小的密封问题伺服电机容易标准化的结构和良好的性能，低噪音，电机必须配置一般的减速装置，除了DD电机，但很难直接驱动，结构紧凑，密封没问题安全性更好防爆性能，液压油作为传输介质，在一定条件下，有发生火灾的危险抗应力防爆性能，比1 000千帕斯卡高（10个大气压）应注意设备设备本身没有爆炸和火灾危险，直流有刷电机换向火花，表现不佳的环境证明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小型搬运机械人中应用范围适用于重载、低速驱动态，电液伺服系统适用于喷涂机器人，点焊机器人和机器人发货适用于中小负载驱动、精度较低有限点程序来控制机器人，如机器人本体的气动平衡冲压和组装机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有高精度位置控制和轨道控制精度高，速度快的机器人，如交流伺服喷涂机器人，点焊机器人，焊接机器人，装配机器人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）。质量驱动系统来点亮尽可能，该单元必须为高品质的输出功率，效率要高一些;2）。更快的响应，这就要求惯性比大扭矩，质量比和扭矩，可频繁起动，制动，正，反转开关;3）。驱动尽可能地灵活，位移偏差和速度偏差越小;4）。安全可靠;5）。操作和维护方便;6）。环境污染，噪音要小;7）。经济上合理，特别是要尽量减少占用空间。 它是基于使用的功能和驱动系统的机械人驱动系统，直流伺服电机，驱动机器人，用于驱动的纸张设计要求的中间。表选择和各个关节电机类型的相关参数2.2。 表2.2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型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩18.2 Nm18.2 Nm18.2 Nm10.3 Nm10.3 Nm最大转矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm2.5传动方式由于电动机驱动器系统的平均扭矩输出被减少，以提高负载能力，有必要通过一个传动机构，以增加扭矩。对于机器人的驱动机构的一般性要求如下。（1）具有相同的发送功率，最小最轻的传输速率的结构。（2）发送一个刚性的，也就是说，从驱动轴到一定角度相对于变形小，这能够增加一个非常低频率的机械振动的固有频率相同的连接杆的关节扭矩的输出轴它会降低机器。（3）挑着它，就可以得到一个较高的位置控制精度，从正向使其更少的时间旅行，相反，有一个小。（4）寿命长，价格低。在这篇文章中，马达和齿轮马达一体化设计，结构紧凑，采用了强大的承受能力来选择，而不是通过直接电机的运动的方方面面驱动。因此，在使用了带齿带传动，以减少冲击和震动的工艺设备的执行，而不会降低控制精度。齿形带驱动器是一个带为主要髋关节，肩关节和平行于轴线或旋转运动之间传递运动转变成用于驱动肘关节纸张的线性运动。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 齿轮带的平均速度为 图2.7 齿形带传动2.6 三维建模设计第3章 系统设计3.1 控制系统模式的选择 基于机器人控制系统中，核心构建机器人平台上。首先，硬件平台的选择，这是为了运行上的发展和开放系统一个显著的影响，它需要控制系统的硬件平台。硬件平台是一种常见的控制系统应满足：基于标准的硬件系统总线的车身，它的可扩展性。硬件架构提供了一个实时的所需的计算能力。这是很容易的添加或更改模块化硬件系统，各种接口，传感器和专用计算机。低廉的价格。 VME总线系统和基于PC的系统总线（1981 Versamodel欧洲卡摩托罗拉推出的第一代32开放的工业标准总线）：目前，机器人控制硬件平台，一般的方法，它可分为两大类。最近广泛机器人控制器作为控制系统的核心，随着PC性能的快速发展，但可靠性大大接受个人电脑，价格大大降低，这将得到改善。 基于PC的控制系统，因为它是，在一般情况下，以控制所述采集卡，灵活性，成本，PC控制模式，PC + PC控制模式，PC +控制模式分布式控制器，PC + DSP的控制模式运动控制卡包括一个PC +的控制数据收集和设计卡方案，是可以自定义的算法来使用，因为它需要一个应用程序算法的编写，它支持已经很低恢复它在做什么。因此，控制PC +数据采集卡选择这篇文章。3.2控制系统的搭建 图3.1 控制系统框图3.2.1工控机 这里研工业控制装置，超过128兆为233MHz存储器，32位数据总线时钟。 VGA显示器和背板上的9 ISA插槽中，有四个PCI插槽。其优异的性能价格比，一直有利于兼容性，以及硬件和软件维护和升级。在PC与普通个人计算机工业对具有以下优点相比对照。1.微阵列是严重比一般的个人电脑。2.能力将驱动芯片。3.整个内部结构，产业防震，增强，具有很强的抗干扰性能。4.和环境中（等于温度，湿度，灰尘等）的要求比一般的计算机要低得多。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 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420mA电流环。3.2.3伺服放大器 在设计过程中驱动的系统，主要的伺服电机驱动，因为它使用废纸在机器人关节的MAXON电机驱动，同样的选择的MAXON伺服马达驱动器（用于-Q-直流伺服控制电动机的MAXON Control4的LSC30 / 2）设计用于伺服电机的MAXON马达变焦控制设计是一个驱动器，如图3.2，强大的功能及1230V，功率，两个端子连接于伺服电机的控制的稳定性，直接驱动如电动机，3，4，7，8，由用于控制所述电动机的尺寸和转速控制电压数据采集卡的模拟电压信号，则两个终端连接在电源之间的终端反向输出，（如果在这个规范中未使用）作为连接得到了很好的13日和14枪柜，3,4,10的“准备”信号光耦输入之间。在伺服控制器的前，有五个旋钮用于调节拨的10今后五年电机参数切换以下用于选择控制器的工作状态。 图3.2伺服放大器接线及其调节示意3.2.4端子板 通过不同的方法，用于收集卡和采集卡不同测试信号工控机箱释放，同一系统直接连接到各种工业传感器或致动器。端子板的主要作用有一个2。终端块连接部件之间，并且通过收集每个信号调节电路的卡片，驾驶，使每个通道可以是开放或封闭的道路单独系统，以提供一个单一的信号线和接地和装置，用于相应的输入和输出信号，所有维护和故障时间，而不停止执行。 ，端子条传输线的简单和该组的终端块信号调理亮信号的传输路径特性来达到，或电阻衰减器来捕获器由RC低通滤波器，例如分流，每个信道的根据后后的信号通过。图3.3示出了端板的
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