凸轮轴机床的工件输送机构的设计【机械手】【含CAD图纸】
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- 内容简介：
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设计和开发一个竞争低成本四自由度机器人手臂作者：Ashraf Elfasakhany,Eduardo Yanez,Karen Baylon,Ricardo Salgado接收于2011年10月19日，2011年11月7日修订，2011年11月15日接受文摘：这项工作的主要焦点是设计、开发和实施低成本、强控制、有竞争力的机器人手臂。设计四自由度和才华横溢的机器人手臂尽快实现精确简单的任务,如光材料处理,这将被集成到一个移动平台,作为一个助理工业的劳动力。机器人手臂配备有伺服电机来做手臂之间的联系和执行手臂的动作。伺服电机包括编码器,以至于没有控制器实现。我们控制机器人使用的虚拟仪器,它执行逆运动学计算和串行通信的适当的角度对一个单片机,驱动伺服电机的功能修改位置、速度和加速度。测试和验证的机器人手臂结果显示它正常工作。关键词：机器人手臂,低成本，设计，验证，四自由度,伺服马达,Arduino机器人控制，虚拟仪器机器人控制1.介绍机器人术语实际上是定义为研究、设计和使用机器人系统制造1。机器人通常用于执行不安全的,危险的,高度重复,和不愉快的任务。他们有很多不同的功能,如物料搬运、装配、电弧焊、电阻焊、机床装载和卸载功能、绘画、喷涂等。主要有两种不同的机器人:服务机器人和工业机器人。服务机器人是机器人运行的半或全自主执行服务有用的福祉人类和设备,不包括制造业务2。工业机器人,另一方面,是由ISO正式定义为可编程在三个或三个以上轴的自动控制和多功能的机械手1。工业机器人的目的是实现材料、零件、工具或专门的设备通过变量编程动作来执行各种任务。一个工业机器人系统不但包括工业机器人而且包括任何设备和/或传感器需要机器人来执行其任务以及测序或监控通信接口。2007年世界市场增长了3%,其中大约有114000个新安装的工业机器人。2007年底约有一百万工业机器人在使用中,相比之下,估计有50000服务机器人对工业使用3。由于使用的工业机器人手臂的增加,一个进化的话题开始试图模仿人类的动作在一个细节模式。例如一群学生在韩国做了一个机械手臂的设计创新,考虑到跳舞的手,举重,中国书法写作和颜色分类4。另一组工程师在美国发展八自由度机器人手臂。这个机器人能够掌握很多形状对象从一笔一个球和模拟人类的手5。在太空中,航天飞机远程控制器系统,称为SSRMS或创意,和它的继任者是例子,多自由度机器人手臂,已经被用来执行各种任务,如检查航天飞机的使用的一种专门部署与相机和传感器连接在末端的执行器和卫星部署和从航天飞机的货舱检索策略6。在墨西哥,科学家有望设计和开发许多机器人手臂,墨西哥政府估计,在墨西哥大约有11000个机器人手臂用在不同的工业应用。然而,专家认为,最奢华的机器人手臂不仅是高质量的,而且要准确、可重复性和粗短的成本。大多数机器人设置为一个操作的教和重复技术。在这种模式下,一个训练有素的操作者(程序员)通常使用便携式控制装置(一个示教器)教机器人其任务手动。机器人的速度在这些编程会话是缓慢的。目前的工作是一个两阶段的项目的一部分,这就需要一个移动机器人能够运输工具从库房到工业电解槽。在这个阶段,该项目开展的科技大学,墨西哥蒙特雷,主要关注的是设计,发展和实施一个工业机器人手臂粗短的成本、准确和优越的控制。设计四自由度和才华横溢的机器人手臂尽快实现精确简单的任务,如光材料处理,这将被集成到一个移动平台,作为一个助理工业的劳动力。2.机械设计机械设计的机器人手臂是基于机器人机械手和一个人类的手臂具有相似的功能6 - 8。这样一个机械手的链接进行连接接头允许转动运动和链接的机械手被认为形成一个运动链。业务结束的运动链机械手称为末端执行器或结束臂工具，它类似于人类的手。图1显示了自由体对机械设计的机械臂。如图所示,末端执行器不包括在设计中，因为商用夹具已被使用。这是因为,末端执行器是一种最复杂的系统的部分,反过来, 比建造它更容易经济使用在商业中。图2显示了工作区域的机械手臂。这是典型的工作空间有四自由度(4自由度)机械手臂。机械设计仅限于4自由度主要是因为这样一个设计允许最必要的运动和保持成本和复杂的机器人有竞争力。因此,转动关节活动受到限制,旋转完成约两轴肩和周围只有一个在手肘和手腕,见图1。机械臂关节通常由电机驱动。伺服电机的选择,因为它们包括编码器自动提供反馈到汽车和相应的调整位置。但是,这些汽车的缺点是,旋转范围小于180跨度,大大降低了胳膊达到的区域和可能的位置9。选择伺服电机基于最大扭矩所需的结构和可能的负载。在目前的研究中,这些材料用于结构丙烯酸。 图1：自由体的机器人手臂 图2：工作区域的机械手臂。图3显示了用于负荷计算力线图。进行的计算只对关节最大的负载,因为其他关节会有相同的运动,即电动机可以移动链接没有问题。计算考虑了电动机的重量,约50克,除了电动机的重量在联合B,因为它进行链接英航。图4显示了力图在链接CB,其中包含关节(B和C)具有最高负荷(携带链接DC和ED)和计算进行了如下。值用于计算转矩：Wd = 0.011 kg (重量链接DE)Wc = 0.030 kg (重量链接CD)Wb = 0.030 kg (重量链接CB)L = 1 kg (负载)Cm = Dm= 0.050 kg (电动机重量) LBC = 0.14 m (长度链接BC) LCD = 0.14 m (长度链接CD) LDE = 0.05 m (长度链接DE)执行力的总和在Y轴,使用负载如图4,和解决为CY和CB,见方程(1)-(4)。类似地,执行时刻的总和在C点,方程(5)和B点,方程(6),得到扭矩在C和B,方程(7)、(8),分别为。所选择的伺服电机,根据计算结果,是Hextronik HX12K,扭矩280/盎司。这个电动机是推荐的,因为它比其他任何相同规格电动机更便宜。因为我们需要更多的扭矩在联合B,见方程(8),我们使用两个电动机在B点符合转矩要求；然而,一个电动机对于其他关节是足够的。使用两个电动机联合B是比使用一个560/盎司大的电动机便宜很多。在图5中的其他相关特征的电动机,他们可以在130毫秒内转换60度并拥有47.9克。一旦最初尺寸的机器人手臂和电动机被定义,设计进行使用SolidWorks平台；设计应该仔细考虑亚克力板的厚度和其他每个碎片会被附加到哪里。用来制造机器人的这个亚克力是在1/8的厚度薄钢板中被选中,因为它方便加工且更少的重量与良好的阻力。在设计过程中，我们遇到了一些困难，由于强烈的方式，加入薄丙烯酸部分。这是需要工具来燃烧，并加入丙烯酸，并且不是小组认为，机械交界处的螺钉和螺母的基础上，将远强于其他的替代品，如胶水为例。为了做到这一点，一个小的功能的设计允许紧固螺栓与螺母，而无需拧入薄的丙烯酸层。这个过程的结果是在图6中显示的三维设计。设计结束，每个部分在满量程卡纸印刷，然后我们核实了所有的装配尺寸和接口。反过来，我们建立了第一个原型的机器人手臂。接着，对上述机器人手臂的部分被加工的丙烯酸系片材，使用圆锯和皮肤工具。因为在一个专业的车间进行机器人手臂的部分太小，它不容易实现这样小和精确的切割，对部分详细说明做了专业研讨。在组装机器人部件与电机的过程中，很少有问题弹出。关键点无法抗拒紧固，反过来，可能会出现故障，因此，加强这些点被考虑在内。上述机器人手臂的最终结果在图7中所示。 图3：机械手臂力线图 图4：力图链接CB 图5：伺服电动机3机器人手臂逆运动学为了验证正确的定位的机器人手臂，逆运动学进行计算。这种计算被用于获得通过使用在笛卡尔坐标系统从给定的位置，如在图8中所示的每个电机的角度。每个电机将有一个特定的功能：位于在A的电机中的y轴的最终元件的位置，电动机B和C在x轴和z轴的最终元件的位置。问题是简化使用xz平面,如图9所示。在这下面的已知值定义9: 使用三角关系,如图9所示,电动机角度得到2和1,见方程(9)和(10)。电动机B的是要使用1和电动机C将要使用2。用于电机的角度A的计算，如在方程（11）中看到。这些计算，得到的伺服电机的角度并依次他们采取的行动，以移动整个结构的特定位置。4.末端选择端部执行器可能是系统的最重要和最复杂的部分之一。明智的是，这是很容易使用一个商业和经济建设。端部执行器，主要是根据应用程序和任务，机器人手臂的完成而变化，它可以是气动，电动或液压。由于我们的机器人手臂在电力系统中，我们可以选择的末端执行器的电气基础。此外，我们的系统的主应用程序的处理，因此，我们的最终建议类型的执行器，如在图10中示出的叼纸牙。请注意，端部执行器的控制由一个伺服电机，反过来，总伺服电机用于我们的机器人手臂5移动的结构的电机。5.机器人手臂控制机器人手臂可以自主或手动控制。在手动模式下，一个训练有素的操作者（程序员）通常使用的便携式控制装置（示教）教手动做任务的机器人。在这些编程会话机器人的速度很慢。在当前的工作中，我们封闭了这两种模式。所提出的机器人手臂的控制基本上包括三个层次：一个微控制器，驱动器，和一个基于计算机的用户界面。此系统具有独特的特性，可以在编程和控制方法，它是采用逆运动学的灵活性，除了它也可以被实现在全手动模式。在图11中所示的电子控制设计。采用的微控制器是带有命名为“Arduino的”开发/编程板的Atmega368，如图12所示。是非常类似于C的编程语言，但有助于控制的I / O端口，定时器，串行通信的的几个libraryies。该微控制器的选择，因为它具有低的价格，这是很容易重新编程，编程语言是简单，和中断是可用于这个特定的芯片。使用的驱动程序是一个六声道微型的大师伺服控制器板。它支持三种控制方式：USB直接连接到计算机，TTL串口，用于与嵌入式系统，如Arduino的微控制器，内部脚本的自包含的，无主控制器应用程序。这个控制器中，如在图13中所示，包括一个0.25s分辨率用于位置和内置的速度和加速度控制。6.测试和验证进行测试，以验证的机器人的臂和它的组件。睾丸覆盖的特定元素和整个系统的，如在图17中示出。对于单片机，发生在测试的软件的微控制器通过发送不同的命令和检查的输出连接到伺服电机，打开或关闭根据命令。伺服电机进行测试之后通过不同的直接脉冲发送到每个伺服马达和验证移动到正确的位置的响应。我们使用了一个马克知道在哪里的初始位置，并通过与微控制器发送信号，反过来，它被解释由伺服和编码器所提供的信号相比，导致确定电机的最终位置到所需的位置的转动。在这个测试中，伺服电机是不一致的机器人手臂系统，因为不正确的极化。伺服电机驱动器也使用Labview软件测试将命令发送到微控制器发送特定的命令来驱动一台电机连接改变位置。重要的是要注意到，在项目开始的选择，不同的伺服电机驱动器和微控制器之间的通信相关的几个问题的出现。所以，我们选择的驱动程序，它允许直接从计算机发送的数据到它与只有一个USB线，所以在手动控制的执行的情况下，所以单片机只会被用在案例的实现手动控制。进行其他测试，以验证了整个系统的功能，如在图18中示出。通过引入一个特定的位置在Labview的接口和测量的参考点之间的距离的最后一点，以便核实：从逆到直接运动学正确的转换，在指定的角度之间的关系的旋转而发生这些测试电机。机器人手臂的测试和验证是需要细长的时间，因为需要多次迭代的任务之一。在我们的测试中，出现许多问题：错误的角度的计算，错误校正电机，与物理的角度和位置的测量的问题，以及因过载而预期不会燃烧的伺服电机之一。7.结果和讨论机器人手臂在不同的工作条件下，结果如下：7.1伺服电机运动范围得到的伺服电动机的限制，因为这种类型的电机包含规范，它具有小于180度的跨度。所有电机的实际的范围被认为是在范围125 - 142度，如表1中所示。这清楚地表明，实际操作机器人手臂的从旁观者情况下不同。7.2电流消耗电流消耗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。8.结论本文介绍了机器人的手臂，这有天赋完成简单的任务，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由丙烯酸材料伺服电机，执行武器之间的联系和执行手臂的动作。伺服电机包括编码器，使得没有控制器实施，但是，电动机的旋转范围是小于180的跨度，从而大大减小由臂和可能的位置达到的区域。限于四个自由度的机器人手臂的设计，因为这样的设计使大部分必要的运动和保持竞争力的成本和复杂性的机器人。不包括末端执行器的设计，因为市售夹具使用，因为它是非常容易和经济的使用不是建立一个商业。在设计过程中，我们遇到了一些困难，由于强烈的方式
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