外文翻译--个具有竞争力的低成本的四自由度机械人手臂的设计与开发 中文版

湖 南 工 学 院 外文翻译 Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of Freedom 一个具有竞争力的低成本的四自由度机械人手臂的设计与开发 系 别： 机械工程学院 专业名称： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导老师： 职 称 : 讲师 完成日期 2014 年 3 月 目 录 1 引言 . 1 2 机械设计 . 4 3 机 械手逆运动 . 8 4 最终选择效应 . 9 5 机械手的控制 . 10 5.1 逆运动学控制 . 11 5.2 手动 . 12 6 测试和验证 . 13 7 结果与讨论 . 14 7.1 伺服电机运动范围 . 14 7.2 电流消耗 . 15 7.3 最大负载 . 15 7.4 最终位置 . 15 8 结论 . 16 参考文献 . 17 摘 要 这项工作的主要重 点是设计，开发和实施具有竞争力的机器人手臂具有增强控制和粗短的成本。机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成精确简单的任务，如光材料处理，这将被整合到了作为一个助理为工业劳动力的移动平台。机器人手臂上配有数个伺服电机的臂之间做链接和执行的手臂动作。伺服电机编码器包括使没有控制器实施。控制我们使用 LabVIEW ，它执行逆运动学计算和串行通信的适当的角度，以一个微控制器，驱动伺服电机，修改的位置，速度和加速度的能力的机器人。机器人手臂的测试和验证，进行和结果表明，正常工作。关键词 ：机器人手臂，低成本，设计，验 证，四自由度，伺服电机， Arduino的的机器人控制， Labview 的机器人控制 1 引言 机器人实际上是定义为研究，设计和使用机器人系统的制造 1。机器人通常用于执行不安全的，危险的，高度重复的，和 单调 的任务。它们具有许多不同的功能，如材料处理，组装，电弧焊接，电阻焊接，机床的装载和卸载功能，刷涂，喷涂等。主要有两种不同类型的机器人：一个服务机器人以及工业机器人。服务机器人是机器人，工作半或完全自主地去履行服务，有用的福祉人类和设备，但不包括生产操作 2 。工业用机器人，在另一方面，被正式通过 ISO 定义的自动控制和多用途可编程操纵器在三个或更多个轴 1。工业机器人是移动的材料，零件，工具，或通过可变的程式动作的专门设备来执行各种任务。工业机器人系统不仅包括工业机器人，但也能够执行其任务以及测序或监视通信接口需要对机器人的任何设备和 /或传感器。 2007 年全球市场增长了 3，约 114,000 新安装的工业机器人。截至 2007 年底，全国共有大约一万个工业机器人的使用，估计有 50,000 服务机器人用于工业用途比较 3 。由于增加使用工业机器人手臂，演变到该主题开始试图模仿人类动作的细节模式。例如一组 学生在韩国做创新的设计，为舞蹈的手，举重，中国书法和颜色分类机械臂考虑 4 。另一组工程师在美国开发八个自由度机械臂。该机器人是能够把握多个对象与很多从笔形状的一球，也模拟人类的手 5。在空间上，航天飞机遥控器系统，被称为 SSRMS或 Canadarm ，其继任者是例子多度已经用来执行各种使用专门部署热潮的任务，例如航天飞机的检查自由机械臂有摄像头和连接在末端执行器和卫星的部署和检索演习从货舱航天飞机传感器 6 。 在墨西哥，科学家们已经上了轨道设计和 发展 许多机器人的手臂，墨西哥政府估计，在墨西 哥有在不同的工业应用中使用了大约 11,000 机械臂。不过，专 家认为，机器人手臂的最高点，不仅质量更高，而且准确，可重复性和粗短的成本。 大多数机器人都设置了一个操作的示教和重复技术。在这种模式下，一个训练有素的操作者（编程器）通常使用的便携式控制装置（示教）手动教机器人的任务。在这些编程会话机器人的速度很慢。 目前的工作是一个两阶段的项目，这需要一个移动机器人能够运送工具从存储室到工业单元的一部分。在这个阶段中的项目，该项目开展了在科技，墨西哥蒙特雷大学，主要的重点是设计， 制定和实施了工业机器人手臂粗短的 成本，准确和优越的控制。这个机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成简单的任务，如光队友里亚尔处理，这将被整合到移动平台的形式，作为一个助理为工业劳动力。 2 机械设计 机器人手臂的机械设计是基于一个机器人操作器具有类似功能的一个人的手臂 6-8。这样的操纵器的链接是由关节，允许旋转运动和操纵器的链接被认为形成一个运动链连接。机械手的运动链的业务最终被称为末端效应器或臂端的 - 工具，它是类似于人的手。图 1 显示了自由体图的机器人手臂的机械设计。 图 1 机械手的自由体图 如图所示，端部执行器不包括在 设计，因为市售的夹持器被使用。这是因为端部执行器是系统中最复杂的部分之一，并且，反过来，这是很容易和经济地使用商业 化 生 产 它。 图 2 示出了机器人手臂的工作区域。 图 2 机械手工作区域图 这是一个机器人臂具有四个自由度（ DOF 4）的典型的工作空间。机械设计仅限于 4 自由度，主要是因为，这样的设计允许大部分必要的运动，并保持 成本和机器人竞争的复杂性。因此，关节的旋转运动被限制，其中旋转的肩完成围绕两个轴和周围只有一个在肘和手腕上，参见图 1。 机器人手臂的关节通常是由驱动的电气马达。伺服电动机被选择，因为它们 包括编码器，它可以自动提供反馈给电动机并相应地调整位置。但是， 这些电动机的缺点是转动范围小于 180跨度，从而大大减小了臂和可能的位置到达该区域的 9。的基础上，选定了伺服电机的资格 由结构和可能的负载所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于构造的材料是丙烯酸树脂。 图 3 示出用于负载计算的力的图。的计算均只对具有最大负荷关节，由于其他关节将具有相同的电机，即电机可以移动的链接没有问题。计算考虑了权重 的电动机，约 50 克，除电机在关节 B 的重量，因为它是通过链接的 BA。图 4 示出了力示意图上链路 CB，它包含接头（ B和 C）具有最高的负载（携带了该书的 DC 和 ED）和计算如下进行。 图 3 机械手负载分布图 图 4 CB 段负载分布图 用于扭矩计算的值： WD= 0.011 千克（体重链接的 DE） WC= 0.030 千克（体重链接的 CD） WB= 0.030 千克（体重链路的 CB） L = 1 千克（负载） CM = Dm为 0.050 公斤（重电机） LBC 为 0.14 米（公元前链路的长度） 液晶显示屏为 0.14 米（链接的 CD长度） 斯 = 0.05米（ LINK DE的长度） 执行力之和在 Y 轴，用负载，如 图 4 中，并求解 CY和 CB，见方程（ 1） - （ 4）。同样，执行的时刻周围的点 C 的总和，式（ 5），和点 B，方程 化（ 6），以获得在 C 和 B，等式（ 7）和（ 8），分别在转矩。 0)( yMCmDy CgCWDWLF NsmKgC y 18.11/8.9)1 4 1.1( 2 0)( yMCmDy CgCWDWLF NsmKgC y 4 7 5 8.11/8.9)171.1( 2 )()( 22 DECDc LCDDLWC LWM 0)()( CCDmDECD MLDLLL 0)()( 2DELCDBCDDECDBCB LLWLLLLM )()( 2CDLBCDEBCm LWcLLD 0)()( 2 BLBBCm MWLC BC （ 6） inozNmM c /6.278968.1 （ 7） inozNmM B /38.503554.3 （ 8） 该被选择的基础上，计算在伺服马达，是 Hextronik HX12K ，其具有 280盎司 /英寸的扭矩。该电动机被推荐，因为它比任何其他电机与同样规格便宜得多。由于我们需要更大的扭矩在关节 B，见公式（ 8） ，我们使用两个电动机在点 B 处，以符合扭矩要求 ；然而，一个马达是不够的其它关节。采用两台电机的合资 B比使用一个大电机 560 盎司 /英寸便宜得多。 图 5 伺服电机 可以在图 5 中示 出，其他有关的特征是，它们可以转动 60 度，在 130 毫秒和它们有各自 47.9 克的重量。一旦被定义为机器人手臂和电机的初始尺寸，设计进行了使用 SolidWorks 平台 ；设计应仔细考虑丙烯酸类片材的厚度和该块将被彼此连接的方式。用于使机器人的聚丙烯酸酯片材是 1/8 厚度和该薄片的选择，因为它更容易加工和更轻的重量以良好的抗性。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。它是需要工具来烧，并加入丙烯酸零件和未提供的和球队认为机械结基于螺钉和螺母会比其他的替代品，如胶如多强。为了做到这一点，一个小 的特征，设计这允许紧固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸层的螺丝。这个过程的结果是在图 6 所示立体设计。 图 6 机械手 3D 模型 按照设计的结束，每个部分被印在满刻度的硬纸板，然后我们核实了所有尺寸和组件的接口。反过来，我们建立了机器人手臂的第一个原型。接着，上述机器人手臂的部件从使用圆锯和皮肤的工具的聚丙烯酸酯片材进行机械加工。的详细说明在各部分被做在一个专业工场因为机器人手臂的部分太小，这并不是一件容易的实现这种小而准确的切割。在组装机器人部件的电机，几个问题弹出。有报道说，没有抵抗所述紧固，并且， 反过来，可能会破裂的临界点 ；因此，在这些点援军进行了审议。机器人手臂的最终结果示于图 7。 图 7 机械手总体装配图 3 机械手逆运动 为了验证机械臂的定位准确，逆运动学计算进行。这样的计算来获得每个电机从通过使用直角坐标系， 图 8 坐标系 如图 8 所示的位置上的角度各电动机将具有特定功能：位于 A 结合的位置的马达，在 y 的最终元件轴，马达 B 和 C 的位置在 x 和 z 轴的最后一个元件。该问题已经通过使用 xz 平面简化，如图 9 在其下面的已知值被定义在 9 ：LAB ：前臂长度。 LBC ：臂长。 Z：在 z轴上的位置 。 X：在 x轴的位置。 Y：在 y轴的位置。利用三角关系，如图 9 所示， 2和 1可以得到，如在方程（ 9）可见，（ 10）的马达角度。 图 9 XZ 平面 马达 B将使用 1和马达 C被打算用 2。的角度为马达 A的计算公式为 EEN在等式（ 11）。通过这些计算，伺服电机的角度得到，从而他们采取的行动，整个结构移动到特定位置。 4 最终选择效应 端部执行器可能是该系统的最重要和最复杂的部分之一。 明显 的，它是非常容易和经济地使用商业人比构建它。端部执行器主要是根据应用和机器人臂完成的任务而变化 ；它可以是气动，电动或液压 。由于我们的机器人手臂是基于在电力系统中，我们可以选择末端效应器的电基础。此外，本系统的主要应用是处理， 因此，我们的末端执行器的推荐类型是一个夹持器，如图 10。 图 10 夹持器与伺服 5 机械手的控制 该机器人手臂能自动或手动控制。在手动模式下，训练有素的操作人员（程序员）通常使用的便携式控制装置（示教）教一个机器人做手工任务。在机器人的速度这些编程会话是缓慢的。在目前的工作中，我们所包围的两种模式。一个微控制器，一个驱动器和一个台电脑化用户界面：三个层次的呈现机器人手臂的控制基本上由。该系统具有独 特的特点，允许灵活的编程和控制方法，它是利用逆实施运动学 ；此外它也可以在全手动模式下实现。控制的电子设计示于图 11。 图 11 控制器的电子方案 用微控制器是一个的 Atmega 368 ，它有一个名为 “ Arduino的 ”发展规划板，如图 12 。 图 12 Arduino 的微控制器板 图 13 伺服控制器驱动器 编程语言非常类似于 C ，但包括几个库，帮助在 I / O 端口，定时器的控制和串行通信。该微控制器被选 中因为它具有低的价格，这是很容易重新编程，该编程语言是简单的，并且中断可用于这个特定的芯片。所使用的驱动程序是一个六通道微大师伺服控制器板。它支持三种控制方式： USB直接连接到一台计算机， TTL 串口与嵌入式系统，如 Arduino 的微控制器和内部脚本中使用自包含和主机无需控制器的应用。这个控制器，如图 13 所示，包括位置和内置的速度和加速度控器 0.25 微秒分辨率 用户界面取决于所使用的控制方法，即，逆运动学或全手动模式。在下文中，每个接口描述： 5.1 逆运动学控制 在这种控制方法中，用户输入的坐标系统中的位 置，其中夹爪应。至于后果，接口与 LabVIEW 通过一个可视化的用户生成的，如图 14 图 14 Labview 的用户界面 程序将自动执行逆运动学的计算，以得到每个电机应具有的角度，然后发送一个命令要么到微控制器，或直接将机器人移动到指定的位置的驱动器。通信是 通过 RS- 232 协议进行。在下文中，您可能会看到 Labview 的用户界面的输入和输出。 LabVIEW 的用户界面输入： X 轴位置。 y轴的位置。 Z轴位置。夹持器打开。叼纸牙攻角。串行端口。 LabVIEW 的用户界面输出是： 电机 A 角。 电机 B1 角度。 电机 B2 角度。 电机 角。 攻角。 姿势角度 这样的输出变量进行处理，并通过适当的方式发送的，这样的信息可以在一个正确的方式来解释。该输出是通过其连通于控制器串行端口发送。当按钮 “移动 ”被点击时，一个过程将发生，如图 15 图 15 程序流程 在图 15 中，随着这个动作，所述机器人臂将根据所输入的值改变其位置。此外，它有一个待机按钮，停止该通信控制器。 这种方法的主要优点是，它使用移动的有效方法，并提供进一步的功能，可以实现，比如位置和顺序学习。的缺点，另一方 面，是使 具有有效的角度逆运动学计算之后可能的位置是非常有限的，因为伺服电机有180一个约束。 5.2 手动 这种类型的控制是我们的系统，在特定的位置有用多了一种选择。在强制的情况下持仓逆运动学模式不能计算其有效的角度，我们可以用手动控制来代替。 基本上，手动控制包括一系列模拟输入，诸如电位器，一种是与这将解释该值并发送一个命令到伺服驱动器的微控制器相连。为了实现这一点，一个控制板，如 图 16 图 16 电位器板 应该被构建为一个接口与用户的工作。可能实现包括教学功能，使微控制器存储在内存中，并 通过键盘或系列交换机，我们可能还记得这些职位的职位 。 6 测试和验证 若干 测试 是 验证该机器人臂和它的组件。 测验 涉及的特定元件和整个系统的，如图 17 所示。 图 17 机械手测试 微控制器测试是由软件发送不同的命令给单片机，检查这是连接到开启或关闭取决于命令伺服电机的输出发生变化。伺服电动机分别通过发送不同的直接脉冲到每个伺服电动机和验证移动到合适的位置的响应之后进行测试。我们使用的标记知道在哪里的初始位置是和最终电机的位置是通过与微控制器发送信号，并且，反过来，它是由伺服解释和比较，由编码器提供的信号，从而在 旋转到所需的位置来确定。在测试过程中，伺服电动机是因为不正确的极化的不一致性与机器人臂系统。 伺服电机驱动器中使用 LabVIEW 软件发送命令到发送的特定命令其中有一台电机连接根据称道改变位置的驱动微控制器也测试。要注意到，在 这一点很重要开始一个项目的不同的伺服电机驱动器被选中，但与他们和微控制器之间的通信几个问题都存在。所以，我们选择一个驱动器，允许数据被直接从计算机发送到它与只有一个 USB 线，所以，微控制器将仅在箱子的使用实现手动控制。其他测试，以验证整个系统的功能， 图 18 机器人手 臂的动作 如显示在图 18 中通过引入在 LabVIEW 界面中的特定位置和测量，以验证一个参考点和最后点之间的距离发生了那些测试：该从逆正确变换到正运动学，指定的角度和马达的转动之间的关系。机器人手臂的测试和验证是需要细长时间，因为需要几次迭代的任务之一。在我们的测试中，很多问题出现的：错误的角度计算，电机的错误校正，问题与物理角度和位置测量，因为这是没有预料过载烧毁伺服电机之一 。 7 结果与讨论 7.1 伺服电机运动范围 伺服电机的极限得到规范，因为这种类型的电机都包含有小于 180 度的跨度。实际范围为所有电机被发现 是在范围 125 - 142 度，如表 1 所示的这清楚地表明，机器人手臂的实际操作是从机架的情况下不同。 表 1 电机角的范围 电动机 角度范围 电机 A 130 电动机 角度范围 电机 B1 135 电机 B2 140 电机 142 电机攻击角度 125 7.2 电流消耗 消耗电流取决于负载和机器人臂的运动的类型。在目前的研究中，有 4 个级别的电流消耗为： 低（从 0 到 200 mA）。这种消费发生时，机器人处于静止状态（不运动的情况下）。 正常（从 200 到 500 mA）。这件事发生时，机器人手臂移动与能力去目标没有很大的扭矩需求。 高 （ 500 mA 到 900 毫安）。达到按账面负载的开头这个范围。通过克服的惯性载荷的初始瞬间，在正常范围内发生的地方。 过电流（超过 900 MA）。负荷太重，电机不能动弹。为在此条件下被用于多于一分钟，将马达烧毁，也就是说，它是不可能使用的任何多 7.3 最大负载 这些结果是用不同的权重得到的 ；一袋玉米被用于与规模来决定包的体重。结果进行了使用机器人手臂拿起袋子，并将其移动到特定位置。表 2presents 的电流消耗袋玉米的不同权重。从表 2 中可以看出，该机器人可在负载没有问题的移动超过 50 克以下。在负载 60 克，机 器人手臂开始有困难，并通过 80 克后发生严重的情况，其中愤怒可逆的损害可发生在马达。 7.4 最终位置 结果表明，该机器人臂的精度移动至不同的重量（ 50 克），结果列于表 3 ，如图所示，在机器人手臂能够执行移动到指定的位置。然而，这种移动不平滑，有时马达没有足够的力，尤其是当负载很重。此外，一些问题可能会由于同步两个底部的电机。两个电机的步骤是不重合而引起的丙烯酸部位张力，这在箱子被过多会破坏的部分。 表 2 负载与电流消耗 空载 电流损耗 空载 电流损耗 20 克 低 40 克 正常 50 克 正常 60 克 高 80 克 过流 100 克 过流 表 3 精度上的所有轴 轴 精度（ + / - ） 1 厘米 2 厘米 1 厘米 8 结论 本文介绍了机器人手臂，具有天赋太一， plish 简单的任务，如光材料处理的设计，开发和实施。机器人手臂的设计和建造从那里伺服电机被用来进行武器之间的联系和执行的手臂动作亚克力材质。伺服电机编码器包括使没有控制器实施 ；然而，电机的转动范围小于 180范围，从而大大减小了臂和可能的位置到达该区域。机器人手臂的设计，因为这是有限的四个自由度设计允许大多数必要的运动和保持 成本和机器人竞争的复杂性。末端执行器是不包括在设计，因为市售的夹持器使用，因为它是更容易和经济地使用商业 1 比生成它。在设计过程中，我们面临着由于强烈的