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搬运机器人设计论文
六自由度搬运机器人的电控系统设计
第一章绪论
1.1引言
传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。
工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。
搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。
最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。
搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。
搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。
目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。
部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。
搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。
它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。
应用搬运机器人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用搬运机械人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有搬运机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
可见，有效的应用搬运机械手，是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的应用和发展。
搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。
1.2机器人的产生与发展史
“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够取代人去进行各种工作。
1920年，捷克剧作家卡雷尔·凯培克（KarelCapek）在他的幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人》中，第一次提出来“机器人”这个名词。
各国对机器人的译法，几乎都从斯洛伐克语“robota”音译为“罗伯特”，只有中国译为“机器人”。
1939年，美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。
它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。
但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。
1942年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。
即
（1）机器人不应伤害人类；
（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。
这是给机器人赋予的伦理性纲领。
虽然这只是科幻小说里的创造，机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。
1954年，美国人乔治·德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并与1961年发表了该项机器人专利。
1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。
随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。
由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。
1962年，美国万能自动化（Unimation）公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司（GM）投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。
从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。
进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右。
2004年增长率达到创记录的20%。
其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。
日本是目前使用机器人最多的国家，机器人数量占世界总量的60%以上，其次是美国、德国、新加坡使用机器人的数目也在飞速增长。
经过半个多世纪的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。
在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。
如在毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。
随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。
此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。
机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。
1.2国内外研究概况及发展趋势：
1.21、国内现状及发展趋势
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
机器人的分类方法有多种,按其应用可分为：
工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。
搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，如图1的搬运机器人。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
搬运机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，搬运机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了搬运机械手的发展，使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
搬运机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，搬运机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用
国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点：
①搬运机械手性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。
②机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:
由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。
③搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:
大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
④搬运机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器，
⑤虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。
1.21国外现状及发展趋势
现代国际工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。
因此其各种生产流水线以及物流管理中更是多元化的使用着气动机械手。
其中化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，搬运机器人就是为实现这些工序的自动化而产生的。
搬运机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
国外机械手工业、铁路工业中不仅在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。
并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。
采用搬运机械手在流水线进行生产更是目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到准确搬运的目的。
国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。
使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。
视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。
触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。
总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。
更重要的是将搬运机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
1.3机械手的组成
机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。
1.31执行机构
机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。
手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。
手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。
简单的机械手可以没有手腕。
支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。
1.32传动系统
执行机构的动作要由传动系统来实现。
常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。
1.33控制系统
机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。
机器人的分类
机器人分类方法有多种。
（1）按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP），连续轨迹控制型（CP）：
（a）点位控制型（PointtoPointControl）：
机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。
例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。
（b）连续轨迹控制型（ContinuousPathControl）：
机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。
（2）按机器人的结构分类，可分为四类：
（a）直角坐标型：
该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。
缺点是占地面积大、工作空间小。
（b）圆柱坐标型：
该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以q,r,z为坐标，位置函数为P=f（q,r,z）,其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向的位移，q是手臂绕垂直轴的角位移。
这种形式的机器人占用空间小，结构简单。
（c）球坐标型：
具有两个转动关节和一个移动关节。
以q,f,y为坐标，位置函数为P=f（q,f,y），该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。
（d）关节坐标型：
有垂直关节型和水平关节型（SCARA型）机器人。
前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。
（3）按驱动方式分类：
按驱动方式可分为：
（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。
电气驱动是20世纪90年代后机器人系统应用最多的驱动方式。
它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。
（4）按用途分类：
可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。
1.4课题研究的目的、意义及主要研究内容
搬运机器人是一种典型的工业机器人，在工业现场中有着广泛的应用，通过该系列教学机器人可使学生能够模拟工业现场的实际运行状况。
结构紧凑，工作范围大，具有高度的灵活性，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。
多自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断更新。
普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。
本课题正是在此背景下，通过电控系统来控制研究六自由度搬运机械手复杂运动控制。
1、理论意义
六自由度串联机械手是由六个关节组成，机械手安装在工作台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于普通的移动机器人和传统的机械手；另一方面，工作平台和机械手不但具有不同的动力学特性，同时考虑轨迹规划的不同特点，六自由度串联机械手在对固定机械手具有优势的同时，在运用上存在诸多难点，如逆解优化、控制方法、路径规划、解决方案的选用等。
因此，六自由度串联机械手复杂运动控制的研究有十分重要的理论意义。
2、应用价值
本课题的六自由度串联机器人具有重量轻、运动速度快、空间通过能力强、完成空间范围大等特点，通过在通用控制窗口上不同轴的控制上各个关节角度来实现不同的功能以完成各种示教及工作任务，由于其采用的控制方式为软件编程实现，对于国内工业发展各种机械手运用于现代工业焊接和汽车企业等的喷漆等方面有重要意义，
因此对提高国家工业水平、实现其重要价值也具有十分重要的意义。
1.4设计任务
本次课程设计实验对象为深圳德普施公司制造的六自由度机械手，该机械手采用电机驱动实现了伸缩、旋转、夹物等动作，共有六个自由度，我们主要对六自由度机械手的物理结构，关节安排，运动分析，驱动电路及程序控制进行研究。
第二章机械部分设计
2.1机械手的“坐标形式”与“自由度”
按照机械手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标形式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。
由于本次课题所设计的机器人的手臂与人体上肢类似，采用了2个回转关节和4个弯曲关节，因此采用了典型的“空间关节式”机械手。
综上可知，2个回转加上4个弯曲关节，总共有6个自由度。
因此为：
6自由度机械手。
2.2机械手的主要参数
1.机械手的最大抓重：
由于整体结构较小，又采用小型伺服电机驱动，因此考虑抓取物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，最终得出：
本设计机械手抓取最大重量为：
550克。
2.3.机械手的技术参数列表：
（一）用途：
用于自动输送流水线的上下料。
（二）设计技术参数：
1.坐标形式：
空间关节式
2.最大抓重：
550克；
3.最大工作半径：
1029mm
4.基座高：
412mm
5.上臂长（肩到肘）：
450mm
6.前臂长（肘到腕）：
166mm
7.腕到手爪中心：
413mm
8.各回转范围：
360度
9各旋转范围（摆动）：
180度
2.4底部设计
六自由度机械手底部做成圆盘状，和臂部相连接，对臂部起支撑作用。
底部只做旋转运动，结构虽然简单，但是它能带动机械手臂部做360°旋转，并且圆盘机构比较稳定，承载能力较强，适合于360°运转。
机身设计的要求：
①机身要有足够的刚度、强度和稳定性；②运动要灵活，用于实现升级运动的导向套长度不宜过短，以避免发生卡死现象；③驱动方式要适宜；④结构布置要合理。
2.5臂部设计
六自由度机械手臂部由大臂和小臂组成，具备伸缩功能，共有2个自由度，在运动时，直接承受腕部、手部和工件的载荷，但由于本机械载荷较小，在设计时不用过多考虑此因素，但在进行一般机械设计时，臂部载荷能力的计算非常重要。
臂部是工业机器人的主要执行部件，除支承作用外，它还负责改变手部的空间位置。
臂部设计的基本要求：
①手臂应具有足够的承载能力和刚度；②导向性要好；③重量和转动惯量要小；④运动要平稳、定位精度要高。
2.6腕部设计
工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。
六自由度机械手的腕部按自由度数目分类，为一个二自由度手腕，由一个B关节和一个R关节组成的BR手腕，这也是最为常见的二自由度手腕；按驱动方式分类，为直接驱动手腕，是将驱动元件直接装在手腕上，这样结构十分紧凑。
2.7手部设计
手部是机械手用来抓握物品的机构，具有一定的人手功能。
在设计手部时，需要充分考虑抓取物品的性质，以此来确定手部结构的样式。
一般手部有以下特点：
①手部与腕部相连处可拆卸；②手部是工业机器人的末端操作器；③手部的通用性较差；④手部是一个独立的部件。
工业机器人的手部有机械钳爪式和吸附式之分。
本次设计采用齿轮传动的机械钳爪式手部，其结构简单，造价低廉，适用于一般场合下的物品夹紧与放松。
第三章电气部分电控系统设计
电气电控系统设计主要由计算机、KinetisK60单片机、BTN7971驱动芯片组成。
在计算机上编写好程序后输出.hex文件格式源程序，将其通过RS-232串行总线载入Kinetis K60单片机，打开电源开关后由KinetisK60产生三路占空比可调的PWM信号，PWM信号输出到直流电机，控制舵机按程序规定的步骤运动，从而带动机械手各关节的转动，由此来使机械手完成规定的动作。
由于单片机系统是一个数字最小系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。
4.1计算机与KinetisK60通信
计算机与KinetisK60单片机之间通过串行总线RS-232来联系，它是计算机与单片机之间信息传递的枢纽，一切数据的传输必需由它完成。
本实验只需将用计算机编好的程序通过RS-232串行总线烧入单片机，然后由单片机控制直流电机运行即可。
RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
单片机和RS232的电平标准是不一样的，单片机与电脑串口通信应该遵循下面的连接方式：
在单片机与上位机给出的RS232口之间通过电平转换电路实现TTL电平与RS232电平之间的转换。
4.2KinetisK60单片机简介
Kinetis是基于ARMCortex-M4具有超强可扩展性的低功耗、混合信号微控制器。
第一阶段产品由五个微控制器系列组成，包含超过两百种器件，在引脚、外设和软件上可兼容。
每个系列提供了不同的性能，存储器和外设特性。
通过通用外设、存储器映射和封装的一致性来实现系列内和各系列间的便捷移植。
Kinetis微控制器基于飞思卡尔创新的90纳米薄膜存储器（TFS）闪存技术，具有独特的Flex存储器（可配置的内嵌EEPROM）。
Kinetis微控制器系列融合了最新的低功耗革新技术，具有高性能、高精度的混合信号能力，宽广的互连性，人机接口和安全外设。
飞思卡尔公司以及其他大量的ARM第三方应用商提供对Kinetis微控制器的应用支持。
如图所示：
KinetisK60单片机引脚图
BTN7971驱动芯片介绍：
该BTN7971是一个集成的高电流半桥为电机驱动应用。
它是NovalithIC™的一部分家族包含一个p沟道高侧MOSFET和一个n沟道MOSFET的低边带集成驱动芯片在一个封装中。
由于P沟道高侧开关需要一个电荷泵被消除从而减少了电磁干扰。
连接到微控制器是由简单的集成驱动器IC哪些功能逻辑电平输入，诊断与电流检测，转换速率调整，死区时间生成和保护，防止过热，过压，欠压，过流和短路。
该BTN7971B提供保护的高电流PWM马达驱动器的成本优化的解决方案，具有非常低的电路板空间的消耗。
产品特点
•最大的路径阻力。
30.5米Ω@150°C（典型值16米Ω@25°C）
高压侧：
最大。
12.8米Ω@150°C（典型值7米Ω@25°C）
低端：
最大。
17.7米Ω@150°C（典型值9米Ω@25°C）
•（典型值）的低静态电流。
7μA@25°ç
•高达25kHz的结合活性随心所欲PWM能力
•增强的开关速度，可降低开关损耗
•开关模式电流限制可降低功耗在过流
•50A最小电流限制水平。
/70A（典型值）。
（偏低）
•状态标志诊断与电流检测功能
•过热关机锁存器的行为
•过压锁定
•欠压关闭
•驱动电路与逻辑电平输入
•可调摆率优化的EMI
电机的选型：
驱动电机采用直流电机，我们在此选用的是RS-380SH型号的电机，这是因为直流电机具有优良的速度控制性能，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。
在很多方面有优越性，具体来说，它具有以下优点:
（1）具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。
（2）调速范围宽，高精度，机械特性及调节特性线性好，且运行速度平稳。
（3）具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。
（4）电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响。
（5）可以长时间地处于停转状态而不会烧毁电机，一般电机不能长时间运行于停转状态，电机长时间停转时，稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩，相应的电枢电流为连续堵转电流。
图3.1为该电机的结构图。
图3.2是此电机的性能曲线。
图3.1电机的结构图
图3.2电机的性能曲线
RS-380SH型号的直流电机的参数如下：
额定转速
6800-17000（rpm）
额定功率
4.5-15.4（W）
额定电压
4.0-24.0（V）
额定电流
0.05-0.70（A）
额定转矩
41.0-83.3（NM）
一、直流电动机的工作原理
如图1-1所示，电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这是便有电流从电源正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经过电刷B流回电源的负极。
在图1-1所示位置，在N级下面导线电流是由a到b，根据左手定则可知导线ab受力的方向向左，而cd的受力方向是向右的。
当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩是，电动机逆时针旋转。
当线圈转过180度时，这是导线的电流方向变为由d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的,这样就使得电机一直旋转下去。
图1-1直流电动机的工作原理图
二、直流电动机的内部结构
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。
图2-1直流电机结构图
1、定子
主磁极——主磁极的作用是建立主磁场。
绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。
主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。
换向极——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。
机座——机座有两个作用，一是用来固定主磁极、换向级和端盖；另一个是作为磁路的一部分。
电刷装置——电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。
由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成
2、转子
电枢铁心——电枢铁心也有两个用处，一是作为主磁路的主要部分，二是嵌放电枢绕组。
电枢绕组——电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。
换向器——换向器也是直流电机的重要部件。
在直流电动机中，它的作用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流；在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。
4.2KinetisK60单片机PWM控制电机
PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。
而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。
这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。
由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。
利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。
加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。
PWM变频电路具有以下特点：
1.可以得到相当接近正弦波的输出电压
2. 整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数
3. 电路结构简单
4.
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