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四自由度物料搬運機器人畢業設計
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摘 要
在當今大規模制造業中，企業為提高生產效率，保障產品質量，普遍重視生產過程的自動化程度，工業機器人作為自動化生產線上的重要成員，逐漸被企業所認同并采用。工業機器人的技術水平和應用程度在一定程度上反映了一個國家工業自動化的水平，目前，工業機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現的方式。
本文將設計一臺四自由度的工業機器人，用于給沖壓設備運送物料。首先，本文將設計機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結構，然后選擇合適的傳動方式、驅動方式，搭建機器人的結構平臺；在此基礎上，本文將設計該機器人的控制系統，包括數據采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設計以及控制軟件的設計，重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行過程的安全性，最終實現的目標包括：關節的伺服控制和制動問題、實時監測機器人的各個關節的運動情況、機器人的示教編程和在線修改程序、設置參考點和回參考點。
關鍵詞：機器人，示教編程，伺服，制動
ABSTRACT
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.
KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
目 錄
第1章 緒論…………………………………………………………………… 3
1.1 機器人概述…………………………………………………………… 4
1.2 機器人的歷史、現狀………………………………………………… 4
1.3 機器人的發展趨勢…………………………………………………… 4
第2章 機器人實驗平臺介紹及機械手的設計……………3
2.1自由度及關節…………………………………………………………… 4
2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 4
2.2.1 基座……………………………………………………………… 7
2.2.2 大臂……………………………………………………………… 7
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 7
2.3 機械手的設計……………………………………………………………4
2.4 驅動方式…………………………………………………………………4
2.5 傳動方式…………………………………………………………………4
2.6 制動器……………………………………………………………………4
第3章 控制系統硬件……………………………………………………………4
3.1 控制系統模式的選擇……………………………………………………4
3.2 控制系統的搭建……………………………………………………… 4
3.2.1 工控機……………………………………………………………4
3.2.2 數據采集卡………………………………………………………4
3.2.3 伺服放大器………………………………………………………4
3.2.4 端子板…………………………………………………………… 4
3.2.5電位器及其標定………………………………………………… 4
3.2.6電源……………………………………………………………… 4
第4章 控制系統軟件………………………………………………………… 4
4.1預期的功能…………………………………………………………… 4
4.2 實現方法………………………………………………………………4
4.2.1實時顯示各個關節角及運動范圍控制 ………………………4
4.2.2直流電機的伺服控制………………………………………………4
4.2.3電機的自鎖…………………………………………………………4
4.2.4示教編程及在線修改程序…………………………………………4
4.2.5設置參考點及回參考點……………………………………………4
第5章 總結……………………………………………………………………… 4
5.1 所完成的工作………………………………………………………… 4
5.2 設計經驗……………………………………………………………… 4
5.3 誤差分析……………………………………………………………… 4
5.4 可以繼續探索的方向………………………………………………… 4
致 謝……………………………………………………………………………… 4
參考文獻………………………………………………………………………… 4
第1章 緒論
1.1 機器人概述
在現代工業中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法；程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業，有待于進一步實現機械化。機器人的出現并得到應用，為這些作業的機械化奠定了良好的基礎。
“工業機器人”（Industrial Robot）：多數是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內稱作工業機器人或通用機器人）。
機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業機械人稱為通用機器人。
簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。
機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業，先是通過操作機來完成特定的作業，后來發展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業機器人，主要附屬于自動機床或自動生產線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動。除少數外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型，其中關節型機器人以其結構緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結構形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人。
要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節等部分組成的抓取和移動機構——執行機構；像肌肉那樣使手臂運動的驅動－傳動系統；像大腦那樣指揮手動作的控制系統。這些系統的性能就決定了機器人的性能。一般而言，機器人通常就是由執行機構、驅動－傳動系統和控制系統這三部分組成，如圖 1-1 所示。
圖1-1 機器人的一般組成
對于現代智能機器人而言，還具有智能系統，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構成一個機器人的。要實現機器人所期望實現的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1-2 所示。
圖1-2 機器人各組成部分之間的關系
機器人的機械系統主要由執行機構和驅動－傳動系統組成。執行機構是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節組成，由驅動－傳動系統提供動力，按控制系統的要求完成工作任務。驅動－傳動系統主要包括驅動機構和傳動系統。驅動機構提供機器人各關節所需要的動力，傳動系統則將驅動力轉換為滿足機器人各關節力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統、驅動系統和控制系統三大部分。其中的機械系統又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執行機構部分。
1.2 機器人的歷史、現狀
機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的。
日本是工業機器人發展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。
目前工業機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。
第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發展成為柔性制造系統FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環。
隨著工業機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發展及應用問題。
目前，工業機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數量、品種和性能方面還不能滿足工業生產發展的需要。使用工業機器人代替人工操作的，主要是在危險作業（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業的環境。
在國外機械制造業中，工業機器人應用較多，發展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業，它可按照事先制訂的作業程序完成規定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。
隨著現代化科學技術的飛速發展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統的應用和研究對系統本身也提出越來越多的要求。制造業要求機器人系統具有更大的柔性和更強大的編程環境，適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統的性能和智能水平，要求機器人系統具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統多采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機器人系統。
美國工業機器人技術的發展，大致經歷了以下幾個階段：
（1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年， 萬能自動化公司制造的工業機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產的工業機器人定型為1900型。
（2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業機器人傳遞工件。
（3）1970年至今一直處于推廣應用和技術發展階段。1970-1972年，工業機器人處于技術發展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業機器人會議。據當時統計，美國大約200臺工業機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發明了用小型計算機控制50臺機器人的系統。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統的高識別能力微型機器人。
其他國家，如日本、蘇聯、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發展。通過引進技術、仿制、改造創新。很快研制出國產化機器人，技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。
我國雖然開始研制工業機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業機器人技術的發展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業機器人技術，通過引進、仿制、改造、創新，工業機器人將會獲得快速的發展。
1.3機器人發展趨勢
隨著現代化生產技術的提高，機器人設計生產能力進一步得到加強，尤其當機器人的生產與柔性化制造系統和柔性制造單元相結合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態，提高了生產效率。
就目前來看，總的來說現代工業機器人有以下幾個發展趨勢：
a)提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結構不同的機器人；
b)開發各種新型結構用于不同類型的場合，如開發微動機構用以保證精度；開發多關節多自由度的手臂和手指；開發各類行走機器人，以適應不同的場合；
c)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環境信息、位置信息、狀態信息以完成模式識別、狀態檢測。并采用專家系統進行問題求解、動作規劃，同時，越來越多的系統采用微機進行控制。
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