上下料机器人设计Word文档格式.doc

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sin0一（d2一d1）／D其中，D为传感器之问的距离。

机器人在竖直动态控制时倾倒角度范围较小，此时sin0~-．0，即可由传感器的距离信息得到机器人的倾倒角度。

角速度可以通过对时间求导获得。

选用的红外测距传感器为Sharp公司的GP2D12，输出为0．4～2．4V的模拟信号，对应的测量距离为1O～80cm。

在同一温度下，传感器的输出与测量结果呈良好的线性关系，可以满足自平衡机器人的要求。

3控制系统设计

3．1机器人平衡控制原理

当车体偏离平衡位置（竖直位置）向前倾斜时，传感器采集信息并传送到单片机进行计算和判断，车轮随之作出响应向前运动，将车体向平衡位置调整；

同样当车体向后倾斜时，车轮将向后运动。

这样机器人一直处在倾斜判断、运动调整的动态过程中，使车体始终保持在平衡位置附近，达到一种动态平衡。

3．2控制系统硬件设计

控制系统主芯片选用Atmel公司基于RISC结构的8位单片机ATmegal28。

它采用

低功耗CMOS工艺；

具有丰富的片上资源，包括4个定时器、4KB的数据SRAM、l28KB的程序Flash、可外扩至64KB的EPROM和8个1O位ADC通道；

拥有UART、SPI、I。

C、JTAG接口，方便外部扩展和传感器的接入一。

3．2．1传感信息输入电路

传感器信号通过放大器引入，通过设置反馈电阻（R1和R2）和输出端电阻（R3和R4）的阻值可以使输入的电压值在要求的范围内。

具体硬件电路如图4所示。

3．2．2扩展CAN通信电路

单片机与电机控制器采用CANe2,线通信，CAN接口采用Philips公司的CAN物理层和链路层接口芯片

SJA1000和PCA82C250。

单片机直接控制SJA1000的ADO～AD7、ALE、INT引脚。

SJA1000工作在Intel模式下，MODE脚接高电平，片选脚CS接地，始终处于选通状态。

扩展CAN通信电路如图5所示。

单片机对SJA1000的操作主要是对寄存器的操作：

一方面，对SJA1000的模式寄存器、命令寄存器、状态寄存器、中断寄存器、中断允许寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器、时钟分频计

数器进行设置和检测；

另一方面，对收发缓冲区进行读写，从而和CAN设备交换数据。

图5扩展CAN通信电路

控制系统软件设计

自平衡机器人的控制系统需要实现以下功能：

传感器信息处理和机器人姿态信息计算，电机控制PID算法实现和CAN口的数据处理。

系统控制流程如图6所示。

系统上电后从主函数开始执行。

主函数负责初始化控制器的i／o口、CAN口、控制周期定时器、A／D转换器、各个中断接收数据和发送数据模块等。

初始化完毕，控制周期定时器时间到后，传感器信息输入到A／D转换器中进行转换，计算机器人的倾倒角度和倾倒角速度；

然后调用PID

系

统上电后从主函数开始执行。

算法计算电机控制数据，并通过

CAN口输出给电机驱动器。

速度PID控制算法

机器人采用经典的PID算法进行平衡控制。

控制系统采用典型的双闭环控制结构和前馈控制方法。

速度环路设计有利于提高电机输出速度精度。

前馈控制主要是为了补偿电机转轴与车轮转动轴以及传动系统的间隙误差，这些误差是稳定的、可以测量的。

当电机在正反转变换时，控制系统可以检测到变换方向，经过位置误差环节调整后把确定的偏差补偿量叠加到驱动主函数系统初始化CANH控制信号输出到电机驱动器器输出端。

这样电机转动的角度在图6系统控制流程原理基础上增加了补偿量，机械误差得以修正。

采用PID控制算法公式如下：

“（忌）一（忌一1）+A“（是）

Au（k）一KP[P（愚）一e（k一1）]+K1P（）+Kd[P（尼）一

28（矗一1）+e（k一2）]

其中，“（惫）为当前调节器输出量；

“（一1）为上一次调节

器输出量；

Au（k）为当前控制增量；

（愚）为当前控制误差量；

为比例系数；

KI为积分系数；

K为微分系数。

PID控制算

法流程如图7所示。

图中，e为调试过程中设定的误差值。

实验

利用该控制方法，对原理样机进行了多次实验。

实验中，在机器人正上方水平位置安装陀螺仪，以采集机器人的倾倒角度数据。

实际测量角度信息随时间变化的曲线如图8所示。

通过测得数据分析可以看到，机器人大致可以稳定在0。

附近，最大偏差为±

2。

。

图8机器人角度变化曲线

基于plc的控制系统的设计

数控机床上、下料机器人是油缸自动生产线上的专用机器人,其要完成卸料和装料动作,并且要与数控机床、料架协调,实现生产自动化。

机器人为六自由度的关节式结构,由液压驱动,运行平稳,工作力矩大。

通过限位开关、压力继电器采集信号,再由PLC控制液压系统的电磁换向阀,来控制机器人的动作和位置。

由于可编程控制器具有抗干扰能力强、可靠性高、易于使用和维护等特点,所以,以PLC为核心的这套控制系统运行非常稳定。

1控制系统的硬件设计

机器人的操作控制面板如图1所示。

油泵电机的启/停及外部负载电源的通/断由总启动按钮和急停按钮控制,手动调整或自动运行两种操作方式由转换开关（SA1）选择。

选择自动方式时,按下启动按钮,机器人自动运行一个周期后停下;

选择手动方式时,用转换开关（SA2）选择相应运动形式,由启动（正向）/停止（反向）按钮分别控制其两个方向的运动。

机器人电气系统采用限位开关（SQ1～SQ8）作为位置检测信号,从而实现准确定位。

为了保证抓取工件时,手指达到足够的夹紧力后才可运动,在夹紧油缸的液压回路中安装一压力继电器（SQ9）,作为压力检测信号。

要保证机器人能准确地从料架上取到工件,须有一料架位置正确检测开关（SQ10）和有无工件

检测开关（SQ11）。

系统的输出信号分别接各油缸的电磁换向阀电磁铁及原点指示灯。

由于机器人为纯开关量逻辑控制,所需I/O点数为21/12,各I/O设备名称及相应功能。

系统的PLC选用三菱公司生产的FXON–40MR,系统硬件接线图如图2所示。

为了保护PLC输出继电器,在电磁铁的两端各并联一阻容吸收电路,防止在感性负载断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流对PLC输出点及内部电源的冲击。

机器人的开关设计

机器人有手动和自动两种工作方式,由万能转换开关SA1选择。

在手动操作方式下,各种动作都是用按钮控制来实现,其控制程序可单独设计,与自动工作方式控制程序相对独立。

因此总程序设计成两段独立的部分:

自动操作程序和手动

操作程序。

当选择手动操作方式时,输入点X015接通,其常闭X016常闭触点闭合,则跳过自动程序段。

若选择自动操作方式,则跳过手动程序,执行自动程

序段。

手动操作系统的设计

手动操作主要用于检修调整,通过按钮对机器人的每一步动作进行单独控制。

例如,当选择小臂伸/缩运动时,按下启动按钮,小臂伸出;

按下停止按钮,小臂缩回。

其它动作以此类推。

这样,其控制较简单,可按照一般继电器控制系统的逻辑设计法来设计。

为了安全起见,程序中需要设置联锁保护。

例如,只有大臂竖立时小臂才能上/下摆动,因此小臂上/下摆动用大臂上限条件作为联锁保护。

还有小臂处于上限位时,才允许大臂上/下摆动;

小臂伸出时料架不能转位。

另外,由于大、小臂和手腕、手指的运动都采用双线圈三位电磁阀控制,两个线圈不能同时通电,因此在其电路中设置互锁环节。

自动操作程序设计

在正常运行时,机器人处于自动操作方式。

数控机床在加工零件时,机器人大臂竖立、小臂伸出并处于水平、手腕横移向右、手指松开,即处于原始位置,原点指示灯亮。

加工完毕后,按一下启动按钮SB1,机器人动作顺序为:

原始位置（大臂竖立、小臂水平且缩回、手腕横移向右、手指松开）→手指夹紧（抓住卡盘上的工件）→手腕横移向左（从卡盘上卸下工件）→小臂上摆→大臂下摆→手指松开（将工件放在料架上）→小臂缩回→料架转位→小臂伸出→手指夹紧（抓住待加工的工件）→大臂上摆（从料架上取走工件）→小臂下摆→手腕横移向右（把工件装到卡盘上）→手指松开（原位）。

机器人完成一个自动循环后处于原始位置,然后数控机床开始加工。

待加工完毕,再按启动按钮,机器人又重复上述动作。

这是一个典型的按顺序动作的步进控制系统,可用PLC的步进指令编程。

图3为机器人的自动操作程序的状态转移图。

3此系统的设计特点

用可编程控制器设计的机器人电气控制系统,线路简单,系统的可靠性高,功能强,整个系统运行稳定、精确,同时还可根据需要对其进行功能扩展。

典型机器人的自用度极其结构特点

并联机器人以其承载能力大、刚度大、精度高和适于在线控制等串联机器人无法企及的优点成为机器人学研究的热点．早期国内外对并联机器人的研究主要集中在6自由度和3自由度并联机器人，但是在相当多的场合，如飞行模拟器和并联机床等等，需要的是多于3自由度而又不必用到复杂的6自由度，因此，4自由度并联机器人的研究有着广泛的应用前景．目前，4自由度并联机器人基本上采用的是非对称结构，非对称结构会导致非对称的工作空间，从而使设计制造和任务规划的复杂性增加．Fang和Tsai提出了多种结构对称的4自由度并联机器人机构，这些机构都是过约束的，采用传统的机构学理论不能够正确计算这些机构的自由度数目及性质应用螺旋理论分析了多自由度并联机器人机构，所提出的方法不但能够正确分析机构的自由度数目，而且还可以确定各自由度的性质，即各自由度所对应的运动特性，并为这种机构的进一步分析研究和应用提供了理论基础．14一RRCR并联机器人机构的结构特点新型的4一RRCR是由4个结构相同的支链分别连接动平台和固定平台而组成的，每条支链由3个转动副R和1个圆柱副C所组成，并按RRCR的顺序自固定平台到动平台依次串联而成，如图1所示图1中，代表第i条支链的第J个运动副轴线的方向矢量，它们在空间方位上满足s平行ss。

位于同一平面上，sll和s3l平行，s2l和s4l平行，sSi4和s5在机构的运动过程中始终相交于0点，其中s3和s4分别表示圆柱副C的转动副轴线的方向矢量和移动副轴线的方向矢量，s3和s4都与s。

垂直相交．

1．1基于螺旋理论的机构自由度分析

螺旋$=（s；

s0）由两个矢量对偶组成，也可用PlUcker坐标表示为$=（L，M，N；

P，Q，R），（L，M，N）和（P，Q，R）分别代表了矢量s和矢量s0．这里，s代表空间一个矢量，称为对偶矢量原部；

s0=s0+hs表示了该矢量在空间的位置，其中s0=s0×

s称为对偶矢量的对偶部，，是由原点至该空间矢量任一点的矢径，h=s·

s0／（s·

s）称为螺旋的节距，是原点不变量．当h=0时，螺旋退化为线矢量，当h=OO时，螺旋退化为自由矢量，也称为偶量，其在空间只有方向而，并联机器人没有位置的概念．机构的所有运动副都可以用移动副和转动副单独表示或者组合而成，而移动副和转动副则可分别用移动速度偶量和角速度线矢量来表示．当两螺旋$和$满足$。

$=0时，则称$r为$的反螺旋，同样$r亦为$的反螺旋，它们是互逆的．其中“。

”表示两个螺旋作互易积．对于运动螺旋来说，它的反螺旋为力螺旋，代表着该螺旋所受到的力约束．对于一个空间阶螺旋系$（k=1～，≤6，个螺旋均线性无关），对应有6一阶的反螺旋系$（m=1～6一）．$和$之间应满足$。

$=0

（1）当给定一个螺旋系以后，通过式

（1）可求解出对应的反螺旋系．当该反螺旋系代表着机器人运动平台的约束力螺旋系时，动平台的自由度数目为F=6一C

（2）式中，C代表约束力螺旋系的秩．4一RRCR总共有4条结构相同的支链，每条支链由5个运动副组成．为研究方便，支链的运动螺旋系用矩阵Ti=[$]表示．与支链i的运动螺旋系对应的反螺旋为约束力螺旋，用$表示．因此，运动平台受到的约束力螺旋系用矩阵W=[$l$r2$r3$l4]表示．通过建立各支链的，可由式

（1）求得对应的$进而得到w．计算C=Rank（W），由式

（2）便可得到动平台的F．

机器人运动螺旋系的建立

建立如图1所示的坐标系，其中坐标原点ol在$ll的轴线上，轴和Y轴在基平面上，轴与sll位于

同一直线方向上，O点坐标为（z，Y，’），矢量，代表矢量O．O．

首先建立支链1各运动副所组成的运动螺旋系$tj=（sl；

，l×

sl）．

这里，（LIj，Ml，NIj）和（PIj，Ql，RlJ）分别表示运动螺旋系$lj的轴线方向矢量和轴线线矩矢量；

$11过原点，因此rll：

0；

s12与sl3垂直相交，因此两矢量的点积为零；

$13和s15均过0点，因此rl3=rl5=r．同理可以建立其余3个支链的运动螺旋系如下：

支链2（$2j）

$21=（0，1，0；

0，0，R21）；

$22=（0，1，0；

P22，0，R22）；

$23=（L23，0，N23；

yN23，zL23，一23）；

$24：

（0，0，0；

P24，0，R24）；

$25=（L25，M25，N25；

25一zM25，zL25一xN25，xM．25一25）．

支链3（$3j）

$31=（1，0，0；

0，0，R31）；

$32=（1，0，0；

0，Q32，R32）；

$33：

（0，M33，N33；

sN33，xN33）；

$34=（0，0，0；

0，Q34，R34）；

$35=（L35，M3s，N35；

yN35-zm35，zL35一xN35，5一止35）．

支链4（$4j）

$41=（0，1，0；

0，0，R41）；

$42=（0，1，0；

P42，0，R42）；

$43=（L43，0，N43；

SN43，-xN43+43，-43）；

$44：

P44，0，R44）；

$45=（L45，M45，N45；

yN45-45，45一xN4545）．

1．34一RRCR并联机器人反螺旋系的建立

给定一个螺旋系，其反螺旋都可以由式

（1）计算得到．根据所建立支链的，由式

（1）便可得到对应的

$令$=（s；

s）=（sr×

s+hri$）=（LMN；

PQR）．取支链1的T1，将其坐标

代人式

（1）中，得

可以看出，式（8）的系数矩阵为组成支链1的运动螺旋系坐标组合，该系数矩阵的秩为5，从而可知支链1

的运动螺旋系之间是彼此线性无关的．因此，由线性代数的理论可知，式（8）解出的基础解系为，任

一个都可以表示为$】：

t$，（t=1，2，3⋯⋯）．

同理，分别代入支链2、支链3、支链4的运动螺旋系坐标，可以得到4个支链的力螺旋基础解系：

$b=（1，0，0；

0，2，一），

$b2=（0，1，0；

一2，0，），

$b3=（1，0，0；

$b4=（0，1，0；

一2，0，z）

对上述力螺旋进行分析，可以得出以下结论：

（1）所有的力螺旋的轴线矢量与所选坐标参数无关，轴线矢量的第3项代表螺旋轴线与轴的方向

余弦，因为都为0，即均与2轴垂直，都平行于平面；

（2）因为s与的点积均为0，故所有的力螺旋均为线矢量，因此h=0；

（3）因为所有力螺旋均满足r×

f=s0故均过点O（z，．y，2）；

（4）反螺旋系W的C=2，这也可以从螺旋理论得到，因为对于任意平面汇交的线矢量，其最大线性无关数为2．因此，根据式

（2），可以得到动平台的运动自由度数目为4．

1．4动平台自由度性质分析

自由度的性质，即该自由度的种类（如转动自由度、移动自由度等等）及其进一步的描述（如转动自由

度的转轴描述、移动自由度的移动轴描述等等）．

如前所述，互为反螺旋的两个螺旋分别代表物体的运动螺旋和力螺旋，则互易积就是力螺旋对运动螺

旋所作的功．互易积为零，则力螺旋对运动螺旋作的功为零，此力螺旋必为物体的约束反力．因此，反螺旋

反映了物体被约束的运动和物体为约束所允许的运动，这样，通过对反螺旋的分析就可以知道运动平台的

哪些运动为约束所允许，哪些运动受到约束．

（1）平动自由度的分析从上面对动平台的力螺旋分析可知，动平台上所受到的4个力螺旋、

$r2、$r3和$在同一个与静平台平行的平面上，并且相交于O点．对于动平台沿2轴的移动，因为与xy

平面正交，即力螺旋与沿2轴移动的运动螺旋是相互垂直的，做功为零，因此这个方向的移动是为力螺旋

约束所允许的．而沿平行xy平面的平动均可以分解为沿相互正交的力螺旋$rl，$r2方向，此时力螺旋对

这类移动做功不为零，这些运动都将被力螺旋所约束掉，即动平台没有沿平行xy平面的平动自由度．

（2）转动自由度的分析因为螺旋之间线性相关与否与坐标系的选择无关[n]，因此移动坐标系到如

图2所示的坐标系．

此时$1=（Sr1；

sUl）=（1，0，0；

0，0，0），$r2=（sr2；

so2）=（0，1，0；

0，0，0）．假设空间任一线矢量

$：

（Sz；

r×

S）=（L，M，N，P，Q。

，R）为动平台的某一个转动轴的线矢量，且该转动是为力螺旋约

束所允许的．动平台绕轴线$转动时，动平台上过原点沿s1和sr2直线方向上所有点的任何位移被约束，

即对于$，如果r×

S-$rl≠0或者r×

S·

St2≠0，那么这个转动是被约束的．因此，对于空间任一能够为

力螺旋约束所允许的转动轴线$，必将满足

Sr1=0，r×

Sz·

Sr2：

0（9）

同时，由于$为线矢量，故有

s：

r：

×

=L：

P：

+M：

Qz+N：

R：

=0，

代人各自的坐标计算可得

P=0，Q=0，NR=0（10）

机器人的机械结构设计

机器人的工作任务要求

工作任务要求该机器人在同一平面内的三个矩形区域内（如图l所示）的任意位置可拿起和放下物体。

标准物体为OII衄，高100mm的圆柱体，在平面上立式放置，材料为45钢。

机器人的结构型式

任务要求该机器人在～个固定平面的三个区域内拿起和放置物体，所以，可采用

水平关节式机器人。

有大、小两个臂，腰和肘此，这两个自由度要随时控制。

为了方便，采

用自身带有减速器的伺服电机驱动；

而手爪夹蘩松开和上下移动这两个自由度，则可由

开关量控翘，采用气缸驱动。

考虑到三个可达区域具有一定的对称性．并且三个区域的尺寸相同。

故将对称中心0点作为腰转中心。

因此，可初步确定该机器人的结构型式，如图2所示。

臂长的确定

大臂和小臂的长度L1和L2是两个关键尺寸。

合理的取值会降低机器人的转动惯量．从而提高机器人的回转速度，节约能量消耗，又使机器人外形美观、匀称。

臂长的确定，可以采用优化设计方法。

确定优化目标（如能量消耗最小、回转角之和最小等）后，以臂长L1和L2为设计变量，再确定并建立约束函数，就可以采用合适的优化设计方法进行优化设计。

在目标函数取得最小值的同时，得到设计变量I．和的最优化值。

关于该机器人臂长的优化设计，本文作者有另文叙述，在此不再赘述。

本文采用的则是一种比较实际的方法，即先由经验和任务要求选取合理尺寸，再进行验证，如果三个区域的任意位置都可到达，就取定该尺寸；

不满足则进行适当修改，再进行验证这实际上是一种经验设计法。

经验设计法最大优点最选取的尺寸往疰比较切合实际，不至于有太大的偏离。

某一可达区域的角点A是最远点OA=．两个臂都不能短于500mm／2=250mm．即1060mm>

，k>

250ram。

另外．当机器人末端达到最远点时机器人的肘关节应基本上处在180~角，为了保证有一定的回旋余地，可比l8略小，即L十—OA=IWoOrm-n。

从节约能耗方面考虑，应使大臂短于小臂，而从任务要求来看，两臂长度应比较接近才合理，故初步取定L：

500ram，L2=600rrma。

经过编制计算机程序并上机验证，结果证明该长度值能保证机器人末端达到三个区域的任意位置。

手爪的结构形式及关键尺寸计算

为使手爪的结构简单实用，又能获得较大的夹持力，因而采用了如图3所示的双支点结构形式。

两半手爪的回转中心的距离与被夹持物体的回转直径相等。

从结构上．显然可以看出，当O0o2=90~时，气缸的力传递最好，此时在手爪上获得最大的转矩M=F·

I1：

M·

L2。

l2的长度要尽可能短，为给被夹物体留出足够的空间和满足回转轴的结构尺寸要求，取=7Onmi，I1=40mm．I3的取值主要受

0角的限制，当0角接近90~时R从N转化面来的力量最大，此时b为．25rm'

n。

但这是极限值，考虑到实际结构，取I3=30nnn．被夹物体的质量m=／4xx100x7、8／1000=1．53kg、

B=mtetg4／3arc*in25／50=83．13。

．取摩擦系数f=O．1．假设手爪夹持物体后，向上移动的最大