柑橘采摘機(jī)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
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摘 要
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)五自由度的工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人，用于給采摘水果。首先，本文將設(shè)計(jì)柑橘采摘機(jī)器人的底座、大臂、小臂和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式，搭建柑橘采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計(jì)該柑橘采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)以及控制軟件的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)加強(qiáng)控制軟件的可靠性和柑橘采摘機(jī)器人運(yùn)行過程的安全性，最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動(dòng)問題、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柑橘采摘機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況、柑橘采摘機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點(diǎn)和回參考點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：柑橘采摘機(jī)器人，示教編程，伺服，制動(dòng)
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…………………………………………………………………… 1
1.1 柑橘采摘機(jī)器人概述………………………………………………… 3
1.2 柑橘采摘機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀………………………………………… 4
1.3 柑橘采摘機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………… 5
第2章 柑橘采摘機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)…………………………5
2.1自由度及關(guān)節(jié)……………………………………………………………6
2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 7
2.2.1 基座……………………………………………………………… 8
2.2.2 大臂………………………………………………………………9
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 10
2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)……………………………………………………………12
2.4 驅(qū)動(dòng)方式…………………………………………………………………13
2.5 傳動(dòng)方式…………………………………………………………………14
2.6 制動(dòng)器……………………………………………………………………15
第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………16
3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………17
3.2 控制系統(tǒng)的搭建………………………………………………………18
3.2.1 工控機(jī)……………………………………………………………19
3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………20
3.2.3 伺服放大器……………………………………………………21
3.2.4 端子板……………………………………………………………22
3.2.5電位器及其標(biāo)定…………………………………………………22
3.2.6電源………………………………………………………………23
第4章 控制系統(tǒng)軟件…………………………………………………………24
4.1預(yù)期的功能……………………………………………………………25
4.2 實(shí)現(xiàn)方法……………………………………………………………26
4.2.1實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動(dòng)范圍控制 ……………………26
4.2.2直流電機(jī)的伺服控制……………………………………………27
4.2.3電機(jī)的自鎖………………………………………………………28
4.2.4示教編程及在線修改程序………………………………………29
4.2.5設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn)…………………………………………30
第5章 總結(jié)………………………………………………………………………32
5.1 所完成的工作…………………………………………………………33
5.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)………………………………………………………………35
5.3 誤差分析………………………………………………………………36
5.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………… 38
致 謝………………………………………………………………………………39
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… 40
第1章 緒論
1.1 柑橘采摘機(jī)器人概述
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。柑橘采摘機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人或通用柑橘采摘機(jī)器人）。
柑橘采摘機(jī)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(dòng)化裝置。柑橘采摘機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點(diǎn)的柑橘采摘機(jī)器人稱為專用柑橘采摘機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用柑橘采摘機(jī)器人。
簡而言之，柑橘采摘機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。
柑橘采摘機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用柑橘采摘機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作柑橘采摘機(jī)器人來進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)柑橘采摘機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種柑橘采摘機(jī)器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
柑橘采摘機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型柑橘采摘機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)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(diǎn)，成為柑橘采摘機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名柑橘采摘機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的柑橘采摘機(jī)器人。
要柑橘采摘機(jī)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(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了柑橘采摘機(jī)器人的性能。一般而言，柑橘采摘機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。
對(duì)于現(xiàn)代智能柑橘采摘機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予柑橘采摘機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及柑橘采摘機(jī)器人的觸覺裝置。柑橘采摘機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)柑橘采摘機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)柑橘采摘機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，柑橘采摘機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。
柑橘采摘機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是柑橘采摘機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)－傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供柑橘采摘機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足柑橘采摘機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng).3 誤差分析
本文中每個(gè)關(guān)節(jié)的角度誤差在±2°左右，由于是開環(huán)機(jī)構(gòu)，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會(huì)較大，并且重復(fù)精度不夠。
下面簡要分析一下誤差的來源：
（1） 工作臺(tái)、基座的上下表面平行度誤差，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差，以及其它關(guān)節(jié)之間的平行度誤差
（2） 齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻
（3） 裝配誤差
（4） 各關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)誤差，各連桿的受力變形誤差；
（5） 運(yùn)行時(shí)，機(jī)械部分的振動(dòng)
（6） 電位器的滑動(dòng)噪聲，以及電源的不穩(wěn)定都會(huì)導(dǎo)致反饋電壓的不準(zhǔn)確
（7） 用程序?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)不如機(jī)械制動(dòng)裝置反應(yīng)快
5.4 可以繼續(xù)探索的方向
（1） 對(duì)于本文中的示教編程部分，將程序稍作修改，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)示教程序的保存和離線修改，進(jìn)而也容易實(shí)現(xiàn)離線編程。
（2） 可以用Opengl或者ADAMS訂作一個(gè)虛擬場景，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬示教編程，這樣會(huì)更加安全和方便。當(dāng)然手工編寫的程序代碼也可以在此虛擬場景中運(yùn)行，以驗(yàn)證其合理與否。
（3） 通過虛擬場景和網(wǎng)絡(luò)，也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)柑橘采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。
（4） 還可以嘗試在原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上加上視覺反饋。
（5） 控制界面如果用LabView設(shè)計(jì)，可能會(huì)更方便些。
（6） 通過進(jìn)一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)，可以將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。
致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是于德弘老師考慮到學(xué)生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次訓(xùn)練，提高了自己的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和編程水平，為學(xué)生日后順利進(jìn)入柑橘采摘機(jī)器人這一深邃的科研領(lǐng)域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生收獲頗多，這與于老師的悉心指導(dǎo)是分不開的。于老師身體狀況欠佳，且公務(wù)繁忙，但是還是經(jīng)常抽時(shí)間來視察學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度，就畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題給予耐心指導(dǎo)，敦敦教誨，身體力行，實(shí)在令學(xué)生欽佩感動(dòng)不已！特此，學(xué)生鄭重向于老師表示感謝！
另外，學(xué)生還要感謝何玉成師兄和任小剛師兄，他們?cè)趯W(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！
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