（机械工程专业论文）物料抓取机械手结构与控制系统研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文在综述近年来机器人技术研究和发展状况的基础上，结合物料抓取机械手的 设计，对机器人技术进行了系统的分析，提出了整体结构和控制系统经济型设计方案。 采用机电一体化设计思想，充分考虑机、电、软、硬件各自特点进行互补优化，对 物料抓取机械手整体结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计。在此基 础上，对物料抓取机械手运动学和动力学进行了分析和设计，得出了关节变量和操作空 间在位置、速度以及加速度之间的对应关系。采用牛顿一欧拉方法对物料抓取机械手操作 臂进行了动力学分析，为步进电机的选型和结构优化提供了理论依据。在物料抓取机械 手控制系统设计中，采用p c 工业控制计算机作为主机，选择p c l 一8 3 9 卡作为控制单元， 来完成系统功能的初始化、数据运算与处理、步进电机驱动以及故障报警与处理等功能， 同时对p c l 一8 3 9 卡的特点、工作原理及高精度的定位功能等给与了分析。最后，提出了 一种算法简单、易于实现、理论意义明确的步进电机交速控制策略，并通过了实验验证。 通过以上各部分的工作，得出了经济型、实用化、高可靠性物料抓取机械手的设计 方案，对其他类型的经济型数控系统的设计也有一定的借鉴价值。 关键词：经济型物料抓取机械手 结构控制系统变速控制 山东科技人学硕j j 学位论文 摘要 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，a ne e o n o m i cs c h e m eo fr o b o tw h o l e m e c h a n i c a l c o n f i g u r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mi sp r o v i d e db a s e do nt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fr o b o ti nr e c e n ty e a r sa n dc o n n e c t e dw it ht h ed e s i g no f t h eo b j e c th o l d i n gm a n i p u l a t o r t h ea n a l y s isa n dd e s i g no fr o b o tm e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o n ，t r a n s f o r m s y s t e m ，d r i v ed e p a r t m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma r eg u i d e db ym e c h a t r o n i e si d e a a n dt h er e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i ca n dc o m p l e m e n to fm e c h a n i e a l ， e l e c t r o n i c s ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ea l s ot a k e ni n t oa c c o u n t o nt h e b a s i so ft h i sd e s i g n ，t h ek i n e m a t i c si sa n a l y z e da n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e na r t h r o s i sp a r a m e t e r sa n dm a n i p u l a t o rs p a c ei np o s i t i o n ，s p e e d a n da c c e l e r a t i o ni sg i v e n t h en e w t o n e u r i p i d e sm e t h o di sp u ti n t ou s e i na n a l y s i st h eo b j e c th o l d i n gm a n i p u l a t o rd y n a m i c sa n dt h er e s u l tw i i i p r o v i d et h e o r ye v i d e n c ei ns t e pm o t o rs e l e c t i n g a n ds t r u c t u r eo p t i m i z i n g i nt h ed e s i g no ft h eo b j e c th o l d i n gm a n i p u l a t o rc o n t r o ls y s t e m ，t h ep c i n d u s t r i a lc o m p u t e rist h em a i nc o m p u t e ro ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e c o n t r o lc e l lu s e sp c l - 8 3 9t of u l f i l lt h es y s t e mi n i t i m i z a t i o n ，d a t a o p e r a t i o na n dd i s p o s e ，s t e pm o t o rd r i v e ，e r r o ra l a r m i n ga n ds o l v ea n d s oo n a tt h es a m et i m e 。t h ef e a t u r e s ，t a s kp r i n c i p l e sa n dt h ep o s i t i o n f u n c t i o nw i t hh i g hp r e c i s i o no ft h ec o n t r o lc a r dp c l 一8 3 9a r ea n a l y z e d a tt h el a s t ，as t e pm o t o rs h i f tc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c hi ss i m p l e t oc a l c u l a t e e a s yt or e a l i z ea n dt h et h e o r ym e a n si ss t r a i g h t f o r w a r d t h em e t h o di st e s t e db ye x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fa b o v ep a r t s 。ae c o n o m i c ，p r a c t i c a l i t y a n dh i g hr e l i a b i l i t yo b j e c th o l d i n gm a n i p u l a t o rd e s i g n s c h e m ei s c o n c l u d e dw h i c hw i l lb ev a l u et oo t h e rt y p eo fr o b o t sm e c h a n i c a ld e s i g n a n dc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c h k e y w o r d ： e c o n o m i c o b j e c th o l d i n gm a n i p u l a t o r c o n f i g u r a t i o n c o n t r o ls y s t e m s h i f tc o n t r o l 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列 参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研 究结果。该论文尚没有呈交于其他任何学术机关作鉴定。 研究生签名：压毵钧 日 期：伽圩、g a f f i r m a t l 0 n id e c l a r et h a t t h i s d i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i “m e n to ft h e r e q u ir e m e n t sf o rt h ea w a r do fn a s t e ro fp h il o s o p h y ，i n s h a n d o n g u n iv e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i s w h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h ed o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o r q u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t f t u t e s i g n a t u r e ： 乱if ： d a t a ：m 以占 山东科技大学硕l 学位论文绪论 1 绪论 1 1 研究背景 随着经济建设和城市化的快速发展，城市污水排放量增长很快。然而，排水管道的 普及率和污水处理率却还很低。大量污水未经处理直接排放，使大部分水资源遭到不同 程度的破坏，城市附近水域已遭到严重污染。根据国家环保总局统计，流经城市的1 3 6 条河流中，类水质以下的就有1 0 5 条。不少城市周围的河流已经成为名副其实的纳污 河道“。 城市周围的污水主要来源于生活污水和工业污水。生活污水如不经过处理则会使水 源不适应生活需要，同时造成对水生物的毒害作用，破环水产资源，还可能传播肠道传 染病；工业污水中有无机物和有机物，使动植物的生活条件恶化，鱼类生产受损，人类 的生活健康受到影响。因此，污水处理已经摆在了人们的议事日程上来【甜。 污水处理的办法很多，可归纳为物理方法、化学方法和生物方法三大类【3 1 。目前国 内外多采用二级处理工艺或三级处理工艺治理污水。一级处理又称预处理，主要利用筛 网或沉淀等物理化学办法去除污水中的粘土、淤泥及其他碎屑等污染物；二级处理又称 生物处理，主要利用微生物的作用来分解污水中的有机物；三级处理主要是去除排放中 的无机盐类及其他悬浮污染物。因为在二级处理后的出水中，含有氮磷等无机盐类，当 它们随水排入水体后，能促成水体富营养化，造成二次污染。在三级处理中，常用沉淀 法去磷和用中性条件下增温使氨氮溢出。而微生物法处理这两种废水是最经济又简便易 行、且效果比较好的方法【3 】。 污水的微生物处理原理是利用水体中的微生物，在自然界中的物质循环中的作用， 利用微生物对有害物质进行转化，从而化害为利，变废为宝，保护和控制自然环境的一 种方法a 另外，微生物能够使水体中的有机污染物分解为c 0 2 、c i - 1 4 、n 2 、n h 3 、n o 等， 从而使水体受到净化。微生物法处理污水通常采用活性污泥法。活性污泥由细菌、霉菌、 酵母菌、原生动物、藻类等大量微生物和一些原生动物凝聚而成的绒絮状泥粒，具有很 强的吸附和氧化分解有机物的能力，活性污泥中的细菌多数以菌胶团的形式存在，只有 少数以游离态存在，菌胶团是活性污泥的主体，具有粘性，能使水中的有机物粘附在颗 粒上，然后加以分解利用，菌胶团为原生物及丝状细菌提供了栖息和生活场所，其中的 细菌具有很强的分解有机物的能力，而且由于菌体细胞埋在胶体中，可避免被原生动物 吞噬。 山末科塑杰学硕士学位论文绪论 活性污泥中的细菌类群随不同污水而呈现不同的优势菌群，因此，人们可以根据污 水成分含量的不同，人为地增添些优势菌种，加速废水有机物的分解。 过去，人们常在废水流经流域投入树枝等，然后加入活性污泥来处理污水。由于树 枝随时问的流逝会慢慢腐烂，使活性污泥菌群失去可附着的场所。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 人员发现塑料在水中不易腐烂变形，是很好的污泥菌群的附着体。于是各大、中、小污 水处理场所急需要大量的有一定强度和通透性又可附着污泥菌群的孔状塑料制品。我们 科研小组承担了这个项目，研制出可以将塑料块一次热挤压成型的塑料成型机。每次热 挤压成型的塑料的耿放采用机械手来完成，目前各行各业机械手( 也称机器人) 应用很 多，相关研究电不少，可是我们所研究的塑料成型机的中 l 状塑料抓取机械手却很少， 因此，我选取了“物料抓取机械手韵结构和控制系统研究”这一课题。 本课题是基于中孔状塑料抓取机械手的开发为背景，对该机械手( 也称为机器人) 进行了功能分析并在此基础上进行了总体结构设计；在对它的控制性能分析的基础上设 计了经济性、实用化的机器人控制系统。因此，对其他经济性机器人系统的分析与设计 也有一定的借鉴价值。 2 本课题的意义 1 2 1 理论上的意义 随着世界经济和技术的发展，人类活动领域的不断扩大，机器人应用正迅速向社会 生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随 之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提 出了自动化和机器人化的要求。伴随着人类文明的进步由机器人代替人完成危险、恶 劣环境下的作业是社会发展的必然趋势，世界上许多国家都在积极进行特种机器人的开 发研究工作。机器的产生本身已经大大提高了劳动生产率和产品的质量。随着机器人的 产生和大量应用，很多领域，已经是许多单一、重复的机械工作由机器人( 或者说是机 械手) 来完成。如：用于飞机、轮船，大型油罐、高层建筑等的日本的清洗机器人；用 于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查等的美国的a u s s 、俄罗斯的 m t 8 8 、法国的e p a g l a r d 等水下机器人：用于军事领域的美国的n a v p l a b 自主导航车、 s s v 半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车( i ) a r d s ) ，德国m v 4 爆炸物处理机 s s v 半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车( d a r d s ) ，德国v 4 爆炸物处理机 些查型垫查兰堡主兰堡垒壅堕堡 器人等等1 4 8 j 。 由于我国经济的飞速发展，城市在不断扩大，城市的污水处理问题越来越迫切的提 到了人们的议事日程上来，有一定强度和通透性又可附着污泥菌群的塑料制品需用量越 来越大，生产设备的先进性要求也就越来越明显。世界上用于物料抓取的机械手已经很 多。根据目前掌握的信息，用于塑料制品物料抓取的机械手则很少。塑料制品物料抓取 机械手的研究，不但在技术上可以追踪机器人的发展趋势，而且还可以填补工业机器人 的应用的空白，促进我国工业机器人的技术水平的提高和产业化水平的发展。 1 2 2 实践上的意义 本课题的意义首先在于它具有非常强的实际针对性，对该物料抓取机械手的成品机 的产业化研究有直接的指导作用，也可以为其他机器人的动力学建模提供有益的借鉴。 该物料抓取机械手的驱动电机一步进电机的变速控制研究极少见诸于报端，是具有开创 性的工作。 该机械手结构合理，性能完善，必将加速产品化的进程；改善工人的劳动环境，降 低了工人的劳动强度；大大提高了劳动生产率。这将意味着污水处理中活性污泥附着体 的生产自动化的开始，开辟了工业机器人应用的新领域。 1 3 国内外机器人的研究和发展状况 机器人学是一门迅速发展的前沿学科。其特点之一是综合、交叉，涉及的领域广泛； 另一特点是发展迅速、日新月异，尚待研究的问题层出不穷。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【鲥。世界经济的发展与各行业对自动化 程度要求的提高，推动着机器人技术迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。随着机 器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益在扩大，现已广泛应用于制 造业、农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事 业中。机器人技术的研究与应用水平，反映着一个国家的经济实力和科技发展水平。 目前，机器人的发展已经历了三代：第一代是示教再现可编程的机器人；第二代 是有感觉的能自适应的机器人：第三代是智能机器人。智能机器人f 在发展阶段，预计 到2 l 世纪初期将进入普及阶段。我国在50 年代开始搞固定动作机械手( 行程开关控制) ， 6o 年代开始搞数控机械手，7 0 年代末开始搞机器人。目前，工业机器人与智能机器人 已进入我国七五、八五科技发展计划及8 6 3 高技术规划，受到各方而越来越多的重视。 坐墨型垫奎兰堡主兰竺笙兰 堕丝 21 世纪将是人类开发资源由陆地转向海洋和空间的时代，无论是开发海洋，还是建立 空间工业，由于海洋与空间都不适宜于人类的生存，适应这种需求，发展各种机器人将 是一个可选择的途径，这将大大促进机器人的发展。毫无疑问，机器人已成为当代高技 术注目的一项重要内容【6 】。 机器人作为新代的生产工具，能够代替人完成人力所不及或人所不适宜的工作。 随着机器人在各个领域的应用，对机器人的综合性能提出了更高的要求，专业化更强， 实用性更高，经济性要求也已经摆到了人们的面前，因此，结构简单、操作方便、能满 足功能要求又具有一定的可靠性的微型机器人或者说功能专一的机械手需求量越来越 大。 1 4 机器人运动学、动力学研究及发展状况 机器人运动学是从几何的观点研究机器人手臂各连杆间的位移、速度和加速度的关 系。运用理论运动学的方法，很容易获取机器人的运动学方程。对于给定的关节位置( 速 度) ，由正向运动学关系可直接计算出对应的手的位置和姿态，其解是唯一的。与此不同 的是，逆运动学的位置问题的解通常不是唯一的，且可能不存在闭式解。逆速度问题常 涉及雅可比，它在某些工作区域还会出现奇异，限制机器人的自由运动。因此机器人运 动学研究的重点是逆运动学的快速数值解法和奇异性解法1 7 】。 快速计算运动学逆问题有通过坐标旋转移动和反正切及其组合实现坐标逆变换的方 法【8 】，把矩阵变成代数方程，用因式分解法降低幂次的方法，把六自由度操作手分解为 位置结构和姿态结构，再利用转换矩阵法对两结构进行分析的基础上，建立操作手的运 动学求逆算法 9 1 ，具有收敛速度快、能得到满足条件的全部解的特点。云南师范大学的 冯乔生等【1 0 1 提出一种效率较高的计算机符号求解机器人逆运动学的方法。它是基于 p a u l 的思想：递推的分离出可解析求解形如a s i n x + b c o s x = c 或舛= b 的简单三角代数 方程。该法在p a u l 分离变量法失败的情况下，能从位置方程中递推的分离出可解析求 解的简单三角代数方程。金永南等 “l 对多关节机械手臂关节与手腕姿态关系进行分析， 把腕关节中的摇摆变换矩阵与俯仰变换矩阵区分开来，从而可以提高多关节机器人的控 制速度。南京航空航天大学的张伟盼”】贝0 突破了文献局限于研究位置逆解的状况，首次 实现了自组织神经网络求解机器人姿态逆解，创新了自组织神经网络训练算法并建立了 一类工业机器人位姿逆解的神经网络方法。 机械手的雅可比矩阵是描述机器人操作臂特征的重要参量，对于分析操作臂的运动 山东科技大学硕士学位论文 绪论 学、动力学及判别机械手的奇异位形都是非常有力的工具。为此，人们提出了许多高效 率的计算算法【1 4 ”。16 1 。奇异性历来也是一个研究的热点。雅可比逆的奇异处理是机器人 逆运动学计算的一个重要问题。东南大学的朱向阳等【1 7 l 研究了机器人运动学反解中的奇 异点处理问题，给出的机器人微分运动雅可比矩阵条件数的上界，并在此基础上提出了 机器人关节速度阻尼伪逆解方法中阻尼系数的一种自适应的调整方法，该方法可以保证 奇异点附近伪逆解的稳定性。推广的协调控制法【1 ”，能够充分利用不定位形的特点回避 奇异位形，可以有效地用于6 自由度机器人的控制而不会发生关节速度超限和手部运动 偏差，是目前较为理想的回避奇异方法。 机器人操作臂是一个复杂的动力学系统，由多个关节和连杆组成，具有多个输入和 多个输出，它们之间存在着错综复杂的耦合关系和严重的非线性关系。因此，要分析机 器人的动力学特性，必须采用非常系统的方法。拉格朗日方法、牛顿欧拉方法、高斯法 等都是比较有效的动力学分析工具。哈尔滨工业大学的王兴贵等根据机器人控制器的 计算容量采用相对误差准则设定动力学模型中各元素的采样周期系数，以满足系统单位 控制周期内所允许的计算时间。吉林工业大学的齐朝晖等【2 0 】把机械驱动力矩表示为状念 变量的函数，克服了大多数方法中要通过求解一组微分方程才能得到驱动力矩数值的特 点，从而大大缩短了逆动力学计算时间。张京军【2 ”根据h e g o l d e n b e r g 的递推公式给出 了一种逆动力学并行算法，具有很高的效率。章定国吲等研制了一个机器人动力学高效 建模软件，有效地解决了动力学方程的自动生成问题。 随着高速度、高精度和减轻重量的要求，系统的弹性问题已成为机器人动态分析的 不可忽略的一个方面【2 引。考虑关节弹性的动力学问题受到了很多学者的关注，并在系 统建模阱1 、动力学控制口5 1 、以及最大动载荷【2 6 】等方面取得重要成果，但这些研究多集中 在非冗余度机器人。北京工业大学的赵京等旧指出当机器人高速运动时，由于关节弹性 而产生的末端变形将会影响机器人的跟踪精度。北京航空航天大学的曹彤等【2 8 1 在运动学 分析的基础上着重考虑各种驱动系统和平衡系统的弹性影响，对机器人系统进行有限元 建模分析，求出整个系统的振动频率及手部末端弹性变形，并在此基础上对臂杆机构进 行综合优化，使得机器人系统的各种动力性能指标达到良好。将动力学分析用于机器人 的杆件设计，其目的就是要优化各杆件的质量性能以及它们的运动学结构，以取得理想 的动力学性能指标。 当操作手与环境发生机械作用时，柔顺性是一个重要的特征。通过使末端执行机构 具有一定的柔顺性，就可以应用较低级的机器人操作手完成较精密的装配操作。长沙国 生查型垫查茎堕兰兰垡堡塞 堕堡 防科技大学的韦庆等1 2 9 j 对机械手力控制系统的稳定性进行了分析，特别是机械手力控制 未建模特性等因素对机械手力控制稳定性的影响。哈尔滨工业大学的戴铁成等【3 0 】对普通 机器人和m a c r o m i c r o 组合式机器人两种力控制系统的稳定性进行了分析，提出了 一种优化粘性阻尼系数的方法，结果表明该方法非常有效。 综上所述，有关机器人运动学方面的问题在九十年代初期研究较多，主要集中在计 算效率和奇异性的研究，近年来主要在冗余度机器人和如何有效避免算法奇异性的问题 上。由于要对机器人进行有效控制和对机器人轨迹进行合理规划等都离不开动力学模型 的建立，机器人动力学历来受到研究界的关注。机器人动力学的研究主要集中在计算效 率、力( 力矩) 的动态稳定性和弹性动力学的研究方面，柔性机器人的出现增加了机器 人的操作灵活性，但是不可避免的带来力控制稳定性问题，这方面的研究还将是今后机 器入动力学控制研究的重点。 1 5 机器人控制器的研究和发展 随着机器人应用领域的不断扩大，人们对机器人的动态性能要求越来越高，系统中 的非线性、强耦合性和时变的特点以及诸多不确定因素的存在，使计算机控制系统成为 机器人的核心部分，它既决定了控制性能的优劣，又影响机器人的使用方便程度。神经 网络控制的一个新兴研究方向是将神经网络与模糊逻辑相结合，构造具有自学习和自组 织能力的模糊控制器，既保持了常规模糊控制的各种优点，又克服了常规模糊控制的若 干不足，如模糊规则抽取的复杂性和隶属函数确立的主观性。基于神经网络的模糊控制 器不但理论上取得了长足的进展，其实际应用也向人们展示了良好的发展前景，美国 n e u a l o g i x 公司已成功的开发了n l x 系列神经模糊芯片，并进入商业化阶段，神经网络 控制和模糊控制在机器人控制中的应用即将成为现实。主动控制( a c t i v ec o n t r 0 1 ) 作 为一种新的控制方法，目前已经受到国际控制学界的高度重视，它的主要特点是通过传 感器和外加调节器，从外部注入适当的能量来提高所有控制系统的性能。主动抑振控制 已成为振动控制研究的主要方向，控制理论和计算机技术的发展也为主动控制的应用提 供了有利工具。另外，机器人工作空间的分析在机器人机构设计、路径规划、轨迹控制 和机器人视觉等方面起了相当重要的作用，也是控制系统设计和研究的基础。目前计算 机控制系统的硬件结构大体有两种：集中控制和分布式控制。集中式控制是用一台功能 较强的计算机实现全部控制功能，具有实现容易和经济性特点，但控制过程中计算量大、 执行速度慢，常用于早期计算机造价高、机器人不多的场合。分布式控制系统 山东科技大学硕士学位论文 绪论 ( d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 在可扩展性、控制速度、系统模块化、可维护 性、抗单点故障等方面明显优于混合式和集中式控制系统。在分布式控制系统中，如数 控系统，上位机担当系统管理、机器人语言编译、人机接口等功能，同时进行坐标变换、 轨迹插补和主、从机之间数据交换，下位机完成全部关节位置数字控制以及反馈系统实 际工作速度和位置等数据。在机器人控制系统中，主控制计算机负责整个系统的管理及 坐标交换和插补运算，下一级每个微处理器负责控制一个关节运动，采用并行处理方式 完成控制任务，下位机微处理器和主控机之间通过总线形式进行控制和数据传输，因而 提高了工作速度和处理能力。分布式结构可以根据需要增加更多的处理器，以满足传感 器处理和通讯的需要，结构是开放型的，它具有结构功能强、速度快的特点，是当今计 算机控制系统的主流。哈尔滨工业大学机器人研究所开发的机器人通用控制器和美国 p u m a ( p r o g r a m m a b l eu n i v e r s a lm a n i p u l a t o rf o ra s s e m b l y ) 机器人控制系统都属于这 种结构，p u m a 机器人采用一种多关节结构型、全电动驱动、多c p u 两级微机控制，采用 v a l 专用语言，可配置视觉、触觉和感觉传感器结构。对于多关节机器人而言，每个关 节对应一个处理器，将机器人控制中计算量大的动力学方程按关节分解，在主控制器协 调下由关节处理机上同时进行计算，将计算结果送给机器人主控制器。采用模块化结构、 分布式多处理系统，是关节机器人控制系统的发展方向。 随着人们对控制精度、智能化程度要求的提高，嵌入式微处理器已经广泛应用于工 业控制领域，并带来巨大的经济效益。目前对嵌入式微处理器的各项性能指标的要求也 越来越高，一个微处理器往往需要同时完成各项任务，因此随着软件规模的上升和对适 时性要求的提高，采用实时多任务操作系统作为一种软件开发平台，逐步成为目前嵌入 式系统领域的主流，其突出优点在于：保证各项任务执行的实时性；简化多任务的切换 和资源分配以及网络信息管理；模块化设计便于软件开发、移植和再利用；能够提高软 件编写的可靠性。 1 6 机器人的基本结构及其分类 机器人作为典型的机电一体化产品，其控制方式经历了三代发展：第一代是示教再 现式可编程机器人，具有记忆、存储功能，能按照作者在示教阶段给出的轨迹重复进行 特定的作业过程，但对周围环境基本上没有感知和环境信息反馈控制的能力。随着传感 器技术包括视觉传感器、非视觉传感器( 力觉、触觉、接近觉等) 以及信息处理技术的 发展，出现了第二代机器人一具有感觉功能的自适应机器人，在获取作业环境和作业对 坐查型垫查堂堡主堂堡堡兰堑堡 象的部分有关信息的基础上，能够进行一定的适时处理、按照固定的逻辑发出动作命。 第三代是智能机器人，该种机器人不仅具有第二代机器人更完善的环境感知功能，而且 具有逻辑思维、学习、判断和决策功能，可根据作业要求和环境信息自主的进行工作， 该机器人目前正处于研制和开发过程中，预计到2 1 世纪初期将进入普及阶段。尽管机器 人的外观、形状和功能各异，但他们的主要构成基本上是一致的，从控制观点上讲，机 器人系统可分为四部分：人机接口、控制系统、驱动系统和执行机构。另外，随着传感 器技术的发展，机器人又增加了对外部环境感知的传感器装置以及传感信号的采集处理 系统和各种通信接口( 包括人机通信) ，使机器人具有定的适应外部环境变化的能力。 根据机器人基本结构和控制功能特点，将机器人系统分为以下几类，如图1 1 所示 机 器 人 系 统 人机接口 薹嘉耄翼薹栗昌薯羹i 茎曩嘉霾警；菱蓁裹示教 控制系统 萋霾翥羹墓耄毳栗曷筹荛：蓁军墨蒿掣最墨蒿掣分级控制 驱动系统 萋曩耋雾要票盏薯登篓蓁墓；- 蒿篓鍪勤电气驱动 f 按功能不同分为：手部、腕部、臂部、腰部、基部 霹嚣量 执行机构 按坐标结构特点分为j 球坐标型 l【翼誊錾罢型 图1 1 机器人系统分类图 人机接口是机器人和操作者之间的信息交换的关键，机器人系统必须按操作者的意 图去工作。控制系统是机器人技术的核心和关键部件，它的性能直接关系到机器人控制 精度和控制可靠性。通常控制系统有两种结构形式：集中式控制和分布式控制。集中式 控制结构简单，由于所有的信息输入处理、控制均集中在一台计算机上，因此该控制系 统对计算机性能要求较高；而分布式控制系统降低了对计算机性能的要求，且系统可扩 充性好，每一子系统发生故障时对全局影响较小，可维护性能好，但故障率比集中式高。 按动力源的不同机器人又分为：电气驱动、液压驱动、气动驱动三种，液压驱动的特点 是功率大，气动驱动存在冲击力大，精度难以控制等缺点，而电气驱动具有控制方便、 性能好等优点。随着电机制造技术、可控硅技术以及大功率晶体管等技术的提高，电气 驱动方式所占的比例日渐增多。 些堡翌垫茎兰堕：生兰垡丝壅 堕丝 按机械结构坐标形式将机器人分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、水平多关 节型和关节型等几种。直角坐标型机器人具有结构简单、易于实现高定位精度、空间轨 迹易于求解、三个关节的运动相互独立，其间没有耦合，不影响末端手爪的姿态，不产 生奇异状态，运动和控制都比较简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，操作灵活 性差。圆柱坐标型和球坐标型机器人占地面积小，动作范围大，在空间中定位比较直观， 但存在移动关节不容易保护的问题。s c a r a 型机器人的主要特点是结构简便，相应快， 最适用于在垂直方向上完成零件的装配作业。关节型机器人虽然运动学分析比较复杂， 控制难度大，但与其他形式的机器人相比较操作灵活性强，因而其应用日益广泛。 1 7 本论文主要研究内容 随着机器人技术的迅速发展和应用领域的不断深化，不但要求机器人控制可靠性强、 使用灵活性高和操作方便性好，还要求降低生产成本，开发经济性强的机器人系统更具 有现实意义。结合塑料次热挤出机的研制和使用，物料抓取机械手的特点和性能，本 论文主要研究以下几个方面的问题： 1 、物料抓取机械手总体方案的分析 机器人是典型的机电一体化装置，必须采用系统的观点，立足全局，对机器人各功 能模块进行合理划分，优化系统配置，综合分析机、电、软、硬件各自特点，实现功能 互补。首先根据设计要求从理论上分析工作状况，然后提出设计思路，包括传动方式、 控制方式等，在综合分析的基础上，整体规划机械手的整体结构形式、驱动装置、传动 系统、控制功能，并对其他控制功能模块进行系统的分析，从而选定最优方案。 2 、物料抓取机械手运动学分析 运动学分析是机器人控制和轨迹规划的基础，本文结合物料抓取机械手的结构特点， 选择合适的运动学分析方法，对机械手腕部运动学进行了正、逆问题的分析，建立了机 械手腕部的雅可比矩阵及逆雅可比矩阵，将操作空间和驱动空间联系起来，为机械手腕 部的位置控制和速度控制提供了理论基础。 3 、物料抓取机械手动力学分析 动力学研究的是物体运动与力的关系，结合物料抓取机械手工作的特点，采用牛顿一 欧拉公式，对机械手腕部的动力学问题进行了分析，把关节力矩和驱动力矩联系起来， 为步进电机的选型提供了理论依据。 4 、物料抓取机械手控制系统软、硬件设计 当查型垫盔堂婴圭兰些笙塞 缝堕 控制系统是机器人的神经中枢，其性能的优劣直接决定机器人的工作性能，同时也 影响和制约机械手研制的成本和开发的周期。本论文通过对控制系统的性能分析，提出 了机器人控制系统经济性的控制方案，分析了p c l 一8 3 9 结构和功能原理，同时给出了控 制系统软件功能划分和结构的实现。 5 、步进电动机变速控制的分析 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。步进电动机的工作性能直接 影响机械手抓取的位置精度和速度响应能力，因此，采用高性能的步进电动机具有重要意 义。论文对步进电动机变速控制问题进行了分析，通过比较，提出了一种易于实现的变 加速控制策略。该方案的加速度与步进电机的力矩一频率曲线能够较好的拟和，充分利用 电机的矩频特性提高变速效率，缩短变速时间。 0 山东科技大学硕士学位论文物料抓取机械手总体方案概述 2 物料抓取机械手总体方案概述 2 1 引言 机器人是典型的机电一体化产品，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的 任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用。因此， 对物料抓取机械手采用系统的观点进行整体功能分析，可以实现结构优化，是实现经济 性、灵活性和高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。 2 2 机械手任务要求 为提高劳动生产率，加快产品的生产速度。要求塑料块热挤出机在一次挤压成型工 作机头返回到起始位置的这段时间，机械手将待加工的物料一塑料块从存放位置刚好送 到挤出机的加工位置处。即机械手手部完成下降一旋转抓取并夹持物料一旋转一上 升一松开并放置物料的工作过程。 2 3 机械手结构设计 机械结构是物料抓取机械手最终的执行机构，是机器人赖以实现各种运动的实体， 机械结构的布局、类型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着机器人的工作性能。 机器人的机械结构按坐标形式主要有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型、s c a r a 型和 关节型等。直角坐标型机器人操作臂的优点是结构简单、刚度高，三个关节的运动相互 独立，其间没有耦合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简 单；缺点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。球坐标机器人和圆柱坐标机器人 占地面积小，工作空间较大，在空间中的定位也比较直观但是它们的移动关节不容易 防护，极坐标型机器人也存在移动关节不易防护的问题，它们多用于一些特殊的作业环 境。s c a r a 型机器人的主要特点是结构轻便，响应快，最适用于在垂直方向完成零件的 装配作业。关节型机器人操作臂的优点是结构紧凑，占地面积小，动作灵活，在作业空 间内手臂的干涉最小，工作空间大；缺点是进行控制时计算量比较大，确定末端执行部 件的位姿不直观。综上所述，关节型机器人虽然运动学分析比较复杂，控制难度大，但 与其它型式机器人相比操作灵活性强，因而它的应用日益广泛。 针对该物料抓取机械手，为了使它具有一定的操作灵活性和较好的使用性能，在结 构设计上采用圆柱坐标型。整个机器人系统设计为四个自由度，将运动分解为两部分： 移动部分和操作部分。移动部分占两个自由度，包括上下移动机构和平面转动机构，这 坐垄型垫查主堡圭兰堡丝苎 塑垫塑坚垫塑量璺堡查壅塑堕 两个自由度相互垂直，其问无耦合，可以有效地简化运算和控制。移动部分简图如图2 1 所示操作部分有两个自由度，为了适应工作的需要，包括水平面转动机构和竖直平面 夹持结构，这两个自由度也相互垂直，其间无耦合，可以有效地简化运算和控制，如图 2 2 所示。 图2 1 机械手移动部分结构简图 图2 2 机械手夹持部分结构简图 连杆l 用于确定机械手上下移动的最大距离；连杆l z 用于确定手部离立柱旋转轴的 距离的大小：连杆l 3 表示夹持部分的偏置，l 4 的旋转角度是很小的，是对夹持物料时手 部位置不很准确时的一种位置的微调因此，电动机选择范围较宽；l s 用于物料抓取。 b 、l 5 尺寸取决于物料块的形状大小。随着l l 的升降和l 2 的转动实现物料的位置的变 山东科技大学硕士学位论文物料抓取机械手总体方案概述 换。在作业时，要求物料在夹持的运动过程中始终不放松，因此安装套筒，内装弹簧， 靠弹簧的弹力来保证。 由于该物料抓取机械手的移动部分和操作部分直接决定了其性能和操作灵活性，而 本论文的目的是进行该物料抓取机械手的运动学与动力学分析，因而取移动部分和夹持 部分作为研究对象。在整个研究过程中，我们把这两者看成是刚体结构并相应的作了 一些假设。 2 4 传动系统设计 传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机器人相应的执行部件，以实现各 种预定的运动。目前常用的传动方式有：皮带轮传动、链条传动、齿轮齿条传动、蜗轮 蜗杆传动、行星齿轮传动、谐波减速传动以及螺旋传动等。谐波齿轮传动具有体积小、 结构紧凑、效率高、能获得大的传动比等优点，但存在扭转刚度较低且传动比不能太小 的缺点。行星齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点是用于中等减速比传动，但存在齿 轮间隙，难以实现正反转过程中精确位置要求，因此限制了它的广泛应用。蜗轮蜗杆机 构常用于要求有大的传动比且传动过程中要求机构自锁的场合，这种方式安全性能高， 但同样存在齿侧间隙，而且效率较低。皮带轮传动可以实现过载保护，可是存在弹性滑 动，和链传动一样使用一段时间后易松弛，传动运转过程中还产生动载荷，因此，二者 常用于传动精度要求不高的场合。滚珠丝杠传动具有传动效率高、摩擦阻力小、运转平 稳且能够有效消除传动间隙，无传动“爬行”现象和不自锁等优点，但是价格较高。因 此滚珠丝杠螺母被广泛应用于要求较高的数控传动系统中。另外，在数控传动系统中， 同步齿形带传动由于其具有稳定的工作性能也得到了广泛的应用。 2 4 1 机械手移动部分传动 由于机械手精度要求不是很高，在满足性能的基础上考虑到经济性要求，所以，上 下移动机构选用螺旋传动，由一对丝杠螺母螺旋副来承担将电动机的旋转运动转换为机 械手的直线移动。此时应充分考虑自锁问题，选择执行机构抓住重物时上升，空手时下 降，从而可保证导向套长度合乎要求时能尽量短。另外，在设计的过程中，为减少悬置 部分总的质量，将控制手爪的电动机安置在立柱上。机械手旋转臂的运动，则选用蜗轮 蜗杆传动，由于其结构紧凑、可以实现大的传动比等优点，考虑到安装的位置要求，电 动机的输出扭矩和转速先经过一对齿数相等的直齿圆柱齿轮啮合，然后再经过蜗轮蜗杆 传动，蜗杆为主动件，正向运行时不会发生自锁，只是效率相对来说有所降低。 山东科技大学硕士学位论文 物料抓取机械手总体方案概述 2 4 2 机械手夹持部分传动 考虑到机械手移动部分的操作误差和人为物料放置时的位置的前后准确性，机械手 的夹持部分由两部分组成，一部分是机构可以绕手臂轴的腕部旋转，以实现物料夹持时 的位置调整，这部分由一对蜗轮蜗杆传动来实现电动机的功能传递；另一部分机械手的 夹持，采用软轴控制，将交流电动机的信号传递过去。这部分结构简单，采用小抱闸式 结构。抱紧力由一只刚度足够大的弹簧来实现，为保证弹簧的张紧力与提起的物料重力 相垂直，弹簧需要外用套筒起导向作用。 2 5 驱动系统性能分析与方案设计 机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的 影响以及所能达到的技术水平。目前机器人的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电 气驱动三种形式。液压驱动系统能够提供较大的驱动压力和功率，具有结构简单、性能 稳定等特点，液压伺服驱动系统响应速度快，可达到较高的定位精度和刚度，但油路系 统复杂，工作性能受环境影响较大，移动性能差，且易造成泄漏现象，常用于要求提供 较大驱动力矩、对移动性能要求差的特大功率机器人系统中。气动系统具有结构简单、 动作迅速，可在恶劣的环境中工作，但气动装置也存在噪声问题，只适用于精度要求不 高的点位系统中。电气驱动系统具有精度高、控制准确、响应迅速等优点。综合考虑各 种驱动式的优缺点，选用电气驱动方式。 电气驱动方式包括普通电机、直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机以及力矩电 机等驱动方式。伺服电机转子惯量小、动态特性好，由伺服电动机所构成的机器人驱动 系统具有运行精度高、调速范围广、速度运行平滑、具有高可靠性并易于控制等优点， 交直流伺服电动机已成为机器人驱动系统的主流，。直流伺服电动机的电刷易磨损形成电 火花，限制了其应用范围。近年来随着交流调速技术的迅速发展，交流电机的驱动系统 得到了广泛的应用，但是交流伺服电机必须采用闭环控制方式，这种复杂的控制系统造 成控制成本大大提高。随着集成电路技术的发展，伺服系统的价格在大幅度降低，可靠 性也得到了提高。 步进电动机是一种可以直接将数字脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，具有 控制简单、响应速度快、工作可靠、无累计误差等优点。它能够直接接受数字信号，无 需中间转换，直接输出的位移量与输入数字脉冲量相对应，能实现直接的数字控制。步 进电机以丌环方式工作，可省去伺服电机驱动装置中位置检测与反馈部分以及a d 、d a 些查型垫盔兰堡主堂垡堡塞 塑型翅里翌! 垫至璺竺互壅塑堕 转换，从而简化了系统结构，使控制成本大大降低。另外，步进电机的抗干扰能力强、 无累计定位误差。可重复反转而不损坏，并且步进电机的位置和速度控制简单，具有一 定精度，使用与维护都很方便。传统观念认为步进电机的控制性能差、难以实现机器人 的空间轨迹控制，因而步进电机很少用于机器人的轨迹控制。考虑到步进电机的输出不 是连续量，为了达到某些系统较高的定位精度要求，可以对步进电机驱动系统进行细分 控制，也可以采用闭环控制方式获得更高的驱动性能。由于步进电机驱动具有较好的经 济性，随着电机制造技术的提高，尤其是步进电机驱动技术的革命性变化，步进电机也 已经被广泛应用于数控机床、复印机、打印机以及机器人关节臂的驱动上。平面关节型 机器人多采用步进电机直接驱动方式，不但可以节省机械传动装置，而且可以有效的消 除机械减速所带来的误差和效率的降低，提高运行