毕业设计（论文）-智能机械手机构设计.doc

河北农业大学成人高等教育毕业论文智能机械手机构设计Mechanism design of intelligent mechanical mobile phone 学生姓名：专业年级：机械设计制造及其自动化2014级完稿时间：2016年9月河北农业大学诚 信 承 诺 书我谨在此承诺：本人所写的毕业论文智能机械手机构设计由本人独立完成，保证不存在任何剽窃、抄袭他人学术成果的现象。凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，如出现抄袭及侵犯他人知识产权的行为，由本人承担由此产生的一切后果。承诺人：2016年9月20日智能机械手机构设计Mechanism design of intelligent mechanical mobile phone摘要:在现代工业高度发达的时期，提高劳动生产率，提高产品生产质量，工业装备的自动化与智能化，已经在工业领域中被广泛使用，已经是以后发展的一个主流方向，逐渐被企业所认同采用。一个国家的工业自动智能化水平可以反映出这个国家对工业机器人的应用程度。目前，工业机器人主要负责焊接、喷涂、搬运和堆垛等工作，并对劳动强度的工作，一般采取的工作方式进行教学和回放。在本文中，我们将设计一个工业机器人具有四个自由度，这是用来运输的材料的冲压设备。首先，在文中要设计这次机械手的整体机构包含底座、大臂、小臂、及机械手臂结构，然后在根据生产需求选择合适的传动方式，驱动模块，从而组建机械手的结构平台；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，本文设计了机器人的控制系统，并对机器人的控制系统进行了设计和设计，包含数据收集模块与私服放大器模块的选取，回馈方法和回馈模块的选取、端子排电板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机器人运行过程的安全性，最终的目标包括：关节伺服控制和制动问题，实时监控各关节机器人的运动，进行机器人教学编程和在线修改程序，将参考点和参考点设为参考点。关键词：机器人；示教编程；伺服；制动Abstract: in the modern industrial highly developed period, improve labor productivity, improve the quality of products, industrial automation and intelligent equipment, has been widely used in the industrial field, has been a mainstream direction of development, gradually accepted by the enterprise. A countrys level of industrial automation can reflect the degree of application of this country to industrial robots. At present, the industrial robot is mainly responsible for welding, spraying, handling and stacking and other work, and labor intensity of the work, the general work of teaching and playback.In this paper, we will design an industrial robot with four degrees of freedom, which is used to transport the material of the stamping equipment. First of all, to the overall mechanism design of the manipulator in this paper comprises a base, big arm, small arm, and the arm structure, then according to the production needs to choose appropriate transmission mode, driver module, and thus the structure of the manipulator platform set up; and then select the appropriate transmission mode, drive mode, structure of robot platform; on this basis, this paper designs the control system of the robot, and the robot control system is designed and the design selection contains data collection module and PW amplifier module, feedback method and feedback module selection, terminal panels design and control software design, focus on strengthening the safety of running reliability and the robot control software, including: the ultimate goal of joint servo control and braking problems, real-time monitoring of all joints of robot Movement, the robot teaching programming and online modification program, the reference point and reference point is set as a reference point.Key words: Robot; playback; servo control; brake1 绪论1.1 机器人概述在当今工业生产中，生产工序的高度机械自动化、智能化已成为主流发展方向。在流水化生产流程的自动化已基本实现。但是在机械加工生产，及零部件组装的过程中还未实现自动化。专用机床是大规模生产自动化的一种有效方法；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。在我们的通常的加工之外，工件仍然需要大量的转移搬运等工作，需要在整个流程中实现自动化。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”（机器人工业）：该程序的大部分是可变（系列）的自动捕获，处理工件，该设备的操作（国内工业机器人或通用机器人）。机械手是一种仿生的工业设计，整个工作过程是通过可编程控制器来实现。该机器人具有结构简单、成本低、易于维护等优点，但其功能较低，适应性差。目前我国经常有机器人的特点，称为特殊机器人，工业机器人称为通用机器人。简单的来讲，之前由人工来搬运的一些东西，工作频率较大，工作方式单一，现在呢我们要通过机械手臂来代替操作工完成，同事也提高了效率保证了质量。机械手分为三个种类。一是无需人员值守的通用型机械手，也是本文需要研究的目标。它是一种独立的、不依附于主机的设备，可以根据需要准备的任务，以完成操作的规定。不仅具有普通机械的物理性能，还具有通用手指、智能记忆的多元机构。二是通过人来操作完成整个流程的，称为控制机（main box）。它是通过原子、军工业来产生的通过主机来完成特定的工作，后期发展到了利用电波操作整体机构来进行探索月球等外界。机械加工中的锻造类机械也是属于这个范围内。三是专用机械手，给自动机床上下料，完成搬运功能，与大型设备的配套等。他是需要有一台主机的，他跟随主机而运动，当然了也是由主机来控制他的动作呢，他的动作比较单一，所以称之为 专用。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是有一个类似于手指、手腕、手臂、关节等部位的抓取和移动身体-执行机构；手臂运动的驱动，像肌肉，传输系统，手的动作的控制系统的大脑。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般来说，机器人通常由三部分组成，执行机构、传动系统和控制系统，如图1所示。图1 机械手组成方框图1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人，它也有一个智能系统，主要是感官装置、视觉装置和语言识别装置等。目前，该研究的重点是给机器人“眼睛”，使它可以识别的对象和避免障碍，以及机器人的触觉设备。要想组装成一个完整的机械手这些机构不可能是单独存在的，而是要通过合理的连接把这些系统到一起，要想达到使用者的生产需求机器人的各个机构是相互关联在一起的，并且呢各自之间都相互影响这样才能安全可靠的实现。他们的关系如图1-2所示 图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由致动器和驱动驱动系统组成。执行器是机器人工作的实体，通常由连杆和关节组成，它可以为驱动驱动系统提供动力，并根据控制系统的要求完成任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。各关节的动力来源于整个机构的驱动部分，传动系统是将驱动力转换为机械手各分支机构的运动所要求的驱动力或力矩。在一些文献中，机器人被分为三个部分，分别是机械系统，驱动系统和控制系统。其中的机械系统又叫主机(main box)，就是文中的执行机构部分。1.2 机器人的历史及现状最早的时候是美国先研制的机械手。1958年第一台机器人问世，它是由美国的联合控制公司研发制造的。其结构特点为设备的本体上安装了一个旋转长臂，顶端呢装有电磁铁机构来实现抓取物料他的控制机构呢是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。从1969年在美国进口两类经典机器人以来，把大部分的时间放在了研究机器人的上面。目前，大多数工业机器人属于第一代，主要依靠手动控制；主要的一种控制方式为开环的方式，辨识度差，以后的研究中呢可以降低成本和提高精度。第二代机器人正在加紧研制。具备微电脑控制系统，具备视觉，触觉，听觉等仿生能力，可以通过安装各种模块，实现各种复杂的功能。第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。由于世界上对于机器人在工业生产研究及应用领域的持续推广，世界各国对于机器人的探讨研究特别频繁，以美国和欧洲为代表的国家开始经常性的同其余国家在研究领域展开研究合作。成立了工业机器人会议（ISIR)，定期召开关于工业机器人产业的研究合作等议题。当前，世界主流的工业机器人在种类功能以及应用数目上对于生产制造的需要还有很多有待提高的方面。使用工业机器人代替人工操作的，大部分还局限于对人体生理心理有危害,已经对人体操作不便的工作场所.在国外机械制造业中，工业机器人的应用越来越广泛，发展迅速。当前主流行业的应用在机械加工、模具等设备上的物料移动，机器人可以通过前期的编程作业来实现设置的作业动作，此时的机器人不能进行信号传递反馈的功能，对于外部的改变不能给以反应。一旦出线意外移位等特殊情况，将对机器人及其零件造成损毁。由于近些年来社会技术水平的快速提高，机器人系统在不同行业对于其本身系统的使用和提高也有了更高层次的要求。对于复杂的工作场所和不同品种不同批量的制造模式,机器人系统要拥有柔性而强大的编程能力。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。技术人员对于机器人系统的智能化发展,提出了要让机器人系统拥有开放的结构形式并且能够整合多种外界传感装置的能力。然而，机器人系统中使用的商业专用控制器的封闭结构，通常是作为上位机的专用计算机，采用专用的机器人语言作为离线编程工具，采用专用的微处理器，其控制算法固化在EPROM中，这种特殊的系统是很难（或不可能）整合外部硬件和软件。对于封闭系统的修正非常困难,若是不对其从新设计,在技术是不能实现的。只用机器人的系统实现开放结构才能彻底避免这些问题.美国机器人技术，分为三个发展过程：（1）1963-1967年期间为验证定型阶段。（2）1968-1970年为实践利用阶段。（3）1970年到现在致力于普及使用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人的水平处于技术提高阶段。美国1970年4月在埃利斯研究所召开第一届全国工业机器人会议上。根据统计，美国大概拥有工业机器人200台，机器人可以达到60万小时以上的工作时间，在同一时期,生产出了更加先进的工业机器人.例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。在另一个例子中，通用自动公司制造出了由25个机器人组成的自动生产线。其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始与美国，“Versatran”和“UNIMATE”模版开始发展机器人的类型。以日本为例，1967年引进美国的“Versatran”和“Unimate”以此为基础,通过引进技术、模仿、改造和创新。很快在国外开发了一个机器人，技术水平赶上了美国和其他国家的多。经过大约10年的实践期，从1980年代开始进入普及的时代。尽管我们国家对于工业机器人的研究的只比日本稍微晚了几年，却因为各种各样的情况，对于工业机器人的研究发展相对落后。现在根据工业发展的实际情况我们国家,对于工业机器人走出了一条引进、消化、吸收、创新的道路,工业机器人产业得以又快又好的发展壮大.1.3 机器人发展趋势由于当今科学生产技术水平飞速发展,使得机器人的研究水平大步向前.特别是将机器人的生产和柔性化制造系统同柔性制造单元的融合.改变了当前机械制造业的人工操作状态，使生产效率大幅度提高.。 目前，整体现代工业机器人有以下趋势： a)提高机器人的运动速度和精度，减清结构重量和减少使用空间，推进机器人零部件的标准化和模块化，使机器人由各种机械模块、控制模块和测试模块组成；b)开发的各种新型结构，针对不同类型的场合，如采用微机构的开发，保证精度；开发拥有多关节和自由度的手臂和手指；以及适用不同环境,具备行走能力的机器人；c)研究和开发各种类型的传感器和组件，如触觉、视觉、听觉、味觉和测距传感器等.通过传感器获取工作目标的环境信息、状态信息、位置信息从而实现模式识别和状态检测.同时利用专门的系统实现问题求解、动作规划.现在,非常多的系统都采用微机进行控制。2 实验平台的介绍和机械手的设计本设计是一台物料搬运机器人，利用上一台废弃的焊接机器人，本文中机械结构的设计大体倾向于对原有部分结构的改造和机械手的设计。2.1 自由度及关节 机器人包括四个自由度：腰关节、肩关节、肘关节、腕关节，均为转动关节;还有一个用于夹持物料的机械手。2.2 基座及连杆2.2.1 基座该基座是整个机器人身体的支持。为了确保机器人的操作的稳定性，两个“Z”形的实心铸铁作为支撑。 该基座的顶部是一个接线盒，所有的电机驱动信号和反馈信号由此进出。在盒子外面，有一个进线插座和一个出口。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2.3 机械手的设计工业机器人的手又称为末端执行器，它是机器人对于工作对象(各种专用工具)进行抓取和握紧等动作进行操作的部件。它拥有模拟人体手部动作的功能，且安装在机器人手臂的前部。因为机械手抓握对象的外形、尺寸、重量、材质以及表面状态等存在诸多差异，所以工业机器人的末端操作器拥有不同类型，大致可分为以下几类：夹钳式取料手；吸附式取料手；专用操作器及转换器；仿生多指灵巧手。本文设计对象为物料搬运机器人，对于复杂的多指人工指要求并不高，只需要设计能实现抓取不同角度工作对象的钳形指。手指是直接与工作对象接触的部件。手指松开和夹紧工作对象，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送运动和动力，用来完成夹紧和松开动作的机构。根据手指开启和关闭的运动特点，进行旋转和过渡。本文介绍了旋转传动机构。图2.4为初始设计的机械手机构简图（简图为机械设计结构的一部分,图中中心线对称为完整图形）。 图2.4 机械手机构简图在图2.4中，O是电机的输出轴，曲轴，连杆，滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。经过两个机构的串联，DE通过电机驱动的来回摆动，最终实现手指的开合运动。在图2.4中，黑色和蓝色的线条代表了两个位置限制机构。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，为了给手指供给适合的夹紧力,以实现手指的顺畅闭合,应在相邻手指间添加一个弹簧。此外,在电机选型时，要满足电机的功率能够克服弹簧收缩和张开的作用力，而且能够供给对工作目标充足的夹紧力，下面更进一步计算出所需要的电机力矩， 要在初始阶段克服弹的簧力是最大的，电机转矩必须大于550Nmm，这为电机的挑选提供了一定的依据。2.4 驱动方式本设计机器人总共四个独立的转动关节，算上末端机械手的运动机构，共计需要五个动力源。机器人驱动方式:液压驱动、气压驱动和电机驱动。每种驱动方式都有自己的特点，三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 较大，压力范围在50140Pa较大，压力范围在4860Pa较大控制性能精度高，功率大，可进行无级调速，反应速度灵敏，并且完成连续轨迹控制精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制精度高，功率大，能精确定位，反应速度灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 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，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性安全防爆性能较好,以液压油为输送介质,在一定的条件下,有良好的防火性能.安全防爆性能较好,在高于1000kPa(10个大气压)时必须检查设备的抗压性本身对于防爆性无危险，但直流有刷电动机在换向时产生火花，对环境的防爆性能较差环境对液压系统的影响较容易泄露环境被污染时有排气噪声没有机器人中的应用范围较适合重载荷、低速驱动，电液伺服系统多用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人较适合中小负载驱动以及精度要求较低的有限点位程序控制机器人较适合中小负载、要求拥有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的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：传动系统的质量尽可能轻，单位质量的输出功率高，效率高；反应速度要快，也就是说，转矩质量比和转矩惯量比大，可以经常进行，制动，正反向切换；驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；安全可靠；操作和维护方便；对环境无污染，噪声要小；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机器人驱动系统的设计要求，本文选择直流伺服电机驱动机器人。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。 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67.5Nm67.5Nm67.5Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gcmcm2.5 传动方式由于一般的电机驱动系统输出转矩小，需要通过传动机构来增加转矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：机构紧凑，要求在传动功率和传动比相同时,所占用体积最小，所需重量最轻；传动强度大，就是说为了提高整机的固有频率，且最大程度减轻整机的低频振动,就必须要求经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；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；寿命长、价格低。本文选用的电机是设计、电机和齿轮一体化结构，结构紧凑，承载能力强，但不是由电机直接带动各个环节的运动。通过选用齿形带传动,能够控制精度减小机构运行过程的冲击和振动.齿形带传动是一种同步带，用来传递平行轴的运动或将旋转运动转换成直线运动。 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 制动器制动器及其作用：制动器是把机械能转变为热能释放，用以实现运动的机械速度的降低或者停止的装置，制动器分为:机械制动器和电气制动器。在机器人机构中，需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；断电时，阻止运动部分下滑导致破坏其他装置的情况发生。机械制动器：最典型的是电磁制动器。在机器人的驱动系统中，伺服电机经常被使用，伺服电机的特性决定了电磁制动器是一个不可缺少的部分。根据原理上讲，电磁制动器是利用弹簧力制动的盘式制动器，在励磁电流经过线圈时打开，这时制动器没有制动作用，但当电源断开线圈中没有励磁电流经过时，由于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非励磁动作型电磁制动器。由于这种制动器常用于安全制动场合，因此也称为安全制动器。电气制动器：电动机是既有将电能转换为机械能的作用，又有将旋转机械能转换为电能的发电功能。也就是说,伺服电机是一种能量转换装置，它可以将电能转换为机械能，并通过其反过程可以达到制动的目的。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。本设计中，机器人实验平台没有为其安装机械制动器，所以停止转动的时候,机器人的肩关节和轴关节，会由于重力原因导致下落。此外，由于各种各样的限制，不方便在原来的身体添加机械刹车，所以只有通过软件来实现关节和轴的联合电刹车。本实用新型的优点是：不增加驱动系统的质量，具有制动功能，这是一个非常理想的条件，当机器人安装在机械制动块上时，会增加。应尽量避免。缺点是这种方法不像机械式制动器一样可靠，当制动动作时动力不稳定。3 控制系统硬件3.1 控制系统模式的选择对于机器人平台构建的核心是建立机器人的控制系统。为了保证系统在开放性、实现方式和开发工作量上的最优化,必须先选择良好的硬件平台。常用的控制系统硬件平台应满足：硬件系统的基础上标准总线机制，具有可扩展性；硬件结构必须拥有实时计算能力；硬件系统的模块化设计，有助于添加和更改不同接口、传感器以及专业计算机等；现在机器人控制系统的硬件平台包括：基于VME总线的系统和基于PC总线的系统。由于PC机技术的飞速发展,可靠性能迅速提高,采购成本越来越低.通过PC机为核心的控制系统已经成为机器人控制领域的趋势.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，其中基于采集卡的控制方式具备灵活，成本低廉的优势，倾向于本设计中废物利用的原则，同时在程序和算法上能够自主编制各类算法，适合本课题研究的需要。所以本文选择了一种PC +数据采集卡的控制方法。3.2 控制系统的搭建 图3.1 控制系统框图3.2.1 工控机在这里选用研华工业控制机,主频为233MHz,内存为128兆，32位数据总线。底座有9个ISA插槽，4个PCI插槽，一个VGA显示。其性能价格比，兼容性好，有利于硬件和软件的维护和升级。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；整机内部结构为工业行业的加强型，防震和抗干扰性能较为出色；环境的要求（如温度、湿度、灰尘等）远低于普通计算机的要求。3.2.2 数据采集卡本设计主要用到研华公司提供的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；可编程采样率高达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伺服放大器在驱动系统的设计过程中，主要是驱动伺服电机。在本文中，我们使用maxon电机驱动关节，所以一样选用maxon伺服电机驱动器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）用来驱动，如图3.2所示，这个伺服电机放大控制器,是专为maxon电机设计的，控制功能和稳定性都很强，电源的电压在1230v之间，1、2接线端子接伺服电机，直接对电机电源，3、4端连接到电源，7、8连接到控制电压，通过数据采集卡将模拟电压信号输出到两个终端来控制电机转速和正反转速度,13、14连接速度计（在本文中不使用），3、4、10是一个光耦合器，输入“就绪”信号。在伺服控制器前面，有5个旋钮调节器用来调节电机的五个参数，控制器工作状态通过下边10个DIP开关来选择。 图3.2伺服放大器接线及其调节示意3.2.4端子板不同的信号被检测到不同的传输路线的采集卡，而采集卡在工业计算机的情况下，相同的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：该终端板是一个数据采集卡和信号调理电路或电连接部分之间的驱动装置，对每一个输入和输出信号提供了单独的信号线和地面，使每个通道可以单独打开或关闭，当系统检修以及排除故障时没有必要全部停止运行；该信号通过各自的传输线路到达终端板，根据各种信号的特点和传输路线，在终端板上对各种信号进行一个简单的调节，输入采集卡后的电阻衰减，分流或通过钢筋混凝土低通滤波器。 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4N25。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控制电机电路的通断，PCL-726通过五路模拟量输出来控制电机的正反转和运行速度，此外，实验还负责收集的五个电位器的电压，为了反馈电机的运行的计算机。3.2.5电位器及其标定电位器是电子电路中用途最广的可调电阻元器件。电位器向外引出三个端，两个为固定端，一个是中心抽头。中心抽头与固定端之间的电阻通过转动或调节电位器转动轴发生变化。本设计采用是单圈电位器，因此各关节的运动角度均小于360，该机器人的使用要求能够满足。机器人的电位器安装在各个关节输出轴上，因此在关节角的运动范围内，电位计的输出电压和关节角有一定的函数关系,且是一一对应的。从理论上讲，电位器应是测量元件的线性，但由于滑动磨损噪声电位器和滑线电阻的工作过程中，这种功能的线性关系是不理想的，但有一定的偏移。电位器的校准是基于在各个角度的电压值的测量，拟合直线。近似替代真实的函数关系。以下是电位器各关节的校准。电位器1的标定，如图 3.4所示： 图 3.4电位器关节角1和电位计1的之间的函数关系： a=33.3104v-16.896电位器2的标定图 3.5如图 3.5所示：关节角2和电位器2之间的函数关系：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和电位器3之间的函数关系：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和电位计4之间的函数关系： a= 32.6333v-75.1389电位器5的标定图 3.8 如图 3.8所示：电机5和电位计5之间的函数关系： a= 32.9000v -36.3611注：上述校验工作是10.00V测量电压下3.2.6电源Potentiometer和伺服放大器需要一定的电压，特别是电位器的电压条件下工作，以确保稳定的电压对房电位器反馈信号影响显著；伺服放大器的工作电压范围为12v30v。本设计选用DH1715A-3型 双路稳压稳流电源，能够提供电压输出032v,电流输出02A。在本设计里设定一条电压输出：14.0v供给伺服放大器运行，另一条电压输出10.0v保证电位计的正常工作。4 控制系统软件通过上面的准备实现了机器人的主体结构设计以及硬件平台控制系统的构建，为了实现计算机通过数据采集卡有序地向外部发送控制信号，我们将要进行设计控制软件，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预期的功能为了预防各关节的运动角度超出设计的关节角范围,对各关节角进行实时显示；实现直流电机的伺服控制； 实现电机的自锁；实现示教编程及在线修改程序；可以设置参考点，使机器人在空间上有一个固定的参考位置，可以返回到参考点。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，设计控制软件。从图3.1可以看出，数据采集控制工控机。编程的任务其实就是用计算机控制数据采集卡使之发出或获取一系列数字量、模拟量。研华数据采集卡驱动程序，并与一些信用卡相关的函数和数据结构的使用，非常方便的编程。本文采用了Visual C+作为编程工具。4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 在BOOL CRobotDlg:OnInitDialog()函数中，设立定时器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)，然后在crobotdlg：无效：单元（nIDEvent OnTimer）功能，通过调用crobotdlg：布尔：position_now（ka1_chan UShort），取样电位器输出电压，通过前面的电位器校准功能，计算且显示出各关节的角度。在void CRobotDlg:OnChangeAngle?Edit()函数中（?表示1，2，3，4，5），对该关节设定的运动范围和计算出的角度进行对比，查看是否符合区间值，如果不符合将发出警示通知，同时自动停止该关节的运动。4.2.2直流电机的伺服控制对于功率较大的直流电机，为了提高电路和电机的工作效率，通常选用PWM控制对运行速度进行调节，由于本设计中的电机功率不大，选用线性控制方法调速较为方便。通过关节1为例，和该模块有关的函数OnZ1Button()控制电机的正转， 函数OnF1Button()控制电机的反转，函数 OnT1Button()控制电机的停止，在这个过程中电机的运行速度需要通过输入的电压值调节；函数OnRun1Button()伺服控制电机的位置，在所设定的关节角范围内，电机随意运行到任一输入的位置停止。4.2.3电机的自锁在前面的章节中讲到机器人关节上没有安装制动器，为了完成肩关节和肘关节的自锁功能，需要使用软件程序实现关节的自锁。构思：由于大臂和小臂在电机运转和停止时的掉落情况不同，在电机停止时，电机没有驱动力矩，所以要想控制大臂和小臂停止在预定位置，不让其因为重力而下落，必须在此位置给关节电机施加一个电压，担负起大臂或小臂。由于，重力对大臂或小臂的力矩大小在不同的位置是不一样的，所以选取的电机的电压也不相同，所以要选用电机电压。如果提供给电机的电压太小了，不能抵抗重力的力矩；提供给电机的电压是大的，它可以使电机旋转，使大臂或小臂增加；因此，最好是适应选择从程序选择的电压，有多种方法，下面是本文的设计过程。程序设计方法一：选用OnT2Button()或OnT3Button()函数，开始给电机一个0电压，电机没有了驱动力矩，与此同时调用position_now(USHORT ka1_chan)函数获取当时的关节位置，随后延时一定的时间可以是0.2s，然后给电机一个比较小的电压，完成一个小的制动力矩，通过观察现在位置是否能完成关节的制动；假如不能实现，就将电压值的步长线性逐渐增加，来完成增大制动力矩的效果；在这里通过一个while()循环实现，假如采样位置不再减小，就说明大臂或者小臂已停止下落，可跳出循环。下图为程序流程图：调用OnT2Button()或OnT3Button()函数使电机电压为0，并采样此时位置，将电位器输出值存放在fVoltage_former中考虑到大臂或小臂上升时的惯性，循环采样一直到采样值fVoltage=fVoltage_former跳出循环，表示大臂或小臂已经制动在自所位置了方法一验证：用方法一编写的程序，调用OnT2Button()或OnT3Button()函数后，对于正在上升的臂可以实现很好的制动，而对于下降的臂则不可靠，有时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机失去驱动力矩后，在重力作用下会慢慢下落，下落初速度为0，静止后的速度变化不大，制动时间短，容易制动；而下降的臂失去驱动力矩后，在重力作用下仍以原来的速度下落，静止后的速度变化较大，制动时间长，很容易使制动电压的线性增长时，超过平衡重力所需要的电压，从而导致反弹现象的发生，其实质是由于电压的超调造成的。此后，针对这种反弹现象对程序作过多次修改，结果都不太理想，所以就尝试换一种方法。程序设计方法二：采用传统的常规的控制方法，可以降低电压的过冲，可以避免回弹现象的发生。下图为程序流程图：调用OnT2Button()或OnT3Button()函数使电机电压为0，并采样此时位置，将电位器输出值存放在fVoltage_former中延时tms，再次采样，取得误差量e1= fVoltage_former- fVoltage进入for循环延时tms，再次采样，取得误差量，使e2=e1，e1= fVoltage_former- fVoltage;误差积累sume+=fabs(e1)使电机输出电压v=kp*e1+ki*sume+kd*(e1-e2)用for函数控制循环次数，经过n此循环后，跳出循环，大臂或小臂已停止下落实现制动方法二验证：由于方法两采用的是比例控制，需要选择合适的比例、积分、微分系数；另外还要选择for()循环中的延时时间t和循环次数n。选用结果：kp=2.0, ki=0.01, kd=0.03， t=10, n=10;因此最后的制动时间是：n*t=100ms总结：对于方法二，其控制框图如图4.1所示：图4.14.2.4示教编程及在线修改程序设计方法：让机器人固定在一个位置，并且记录此位置相对应的一组关节角，此组关节角使用一个结构体存储struct positionfloat Voltage1;float Voltage2;float Voltage3;float Voltage4;float Voltage5;struct position *next;记录的位置同时显示在列表框中，记录位置不超过1000个。为了方便这些位置的修改，本文使用一个列表来动态存储这些结构。当记录结束以后，就可以运行刚才记录的一系列位置了，由于采用链表结构存储程序，所以取用这些程序很方便，只需用一个指针从链表首部开始取程序，逐行运行，至到链表末尾即可。当程序运行时，机器人在同一时间移动，工作效率高。另外，对于记录的位置可以做删除、清空等操作。4.2.5设置参考点及回参考点程序启动或退出的时候，机器人应停留在预设的参考点上，这