电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真.docx
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电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真.docx
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电动式关节型机器人机械手的结构设计与仿真
摘要
本文简要介绍了电动式关节型机器人机械手的概念,机械手硬件和软件的组成,机械手各个部件的整体尺寸设计,气动技术的特点。
本文对机械手进行总体方案设计,确定了机械手的坐标形式和自由度,确定了机械手的技术参数。
同时,设计了机械手的夹持式手部结构,设计了机械手的手腕结构,计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。
设计了机械手的手臂结构。
设计出了机械手的气动系统,绘制了机械手气压系统工作原理图,大大提高了绘图效率和图纸质量,画出了机械手的装配图图。
关键词:
工业机器人机械手电动电动式关节型机器人机械手
Abstract
Atfirst,thepaperintroducestheconceptionoftheindustrialrobotandtheEller.Dairyinformationofthedevelopmentbriefly.What’smore,thepaperaccountsforthebackgroundandtheprimarymissionofthetopic.Thepaperintroducesthefunction,composingandclassificationofthemanipulator,tellsoutthefree-degreeandtheformofcoordinate.Atthesametime,thepapergivesouttheprimaryspecificationparameterofthismanipulator,Thepaperdesignsthestructureofthehandandtheequipmentofthedriveofthemanipulator.Thispaperdesignsthestructureofthewrist,computestheneededmomentofthedrivewhenthewristwheelsandthemomentofthedriveofthepump.Thepaperdesignsthestructureofthearm.Thepaperinstitutestwocontrolschemesofaccordingtotheworkflowofthemanipulator.Thepaperdrawsouttheworktimesequencechartandthetrapeziumchart.
KEYWORDS:
Industrialrobotrobotelectric
electric-typejointsrobotmanipulator
第1章绪论
1.1绪言
到目前为止,世界各国对“机器人机械手”还没有做出统一的明确定义。
通常所说的“机器人机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作,按照予定的程序、轨迹及其它要求,实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。
而“机械手”一般具有固定的手部、固定的动作程序(或简单可变程序)、一般用于固定工位的自动化装置。
因为国内外称作“机器人机械手”、“机械手”、“操作机”的这三种自动化和半自动化装置,在技术上有某些相通之处,所以有时不易明确区分,就它们的技术特征来看,其大致区别如下。
“机器人机械手”(IndustrailRobot):
多数是指程序可变(编)的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置(国内称作机器人机械手或通用机械手)。
“机械手”(MechanicalHand):
多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置(国内一般称作机械手或专用机械手)。
如自动线、自动线的上、下料,加工中心的自动换刀的自动化装置。
“操作机”(Manipulator):
一般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作装置。
如锻造操作机或处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。
机器人机械手(IndustralRobot,简称IR)是1960年由《美国金属市场》报首先使用的,但这个概念是由美国George·C·Pevol在1954年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。
在这专利中所记述的机器人机械手,以现在的眼光来看,就是示教再现机器人。
根据这一专利,Devol与美国ConsolideControlCorp合作,于1959年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。
随后,美国的Unimation公司和美国的机械铸造(AMF)公司于1962年分别制造了实用的一号机,并分别取名为Unimate和Ver·satran。
Unimate机器人外形类似坦克炮塔,采用极坐标结构,而Versatran机器人采用圆柱坐标结构。
上述两种机器人成为机器人结构的主流,美国通用汽车公司和福特汽车公司在其金属冷热加工中,采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料,收到了良好的效果。
美国的机器人机械手技术的发展,大致经历了以下几个阶段:
(1)1963~1967年为实验定型阶段。
1963~1967年,万能自动公司制造的机器人机械手供用户做工艺实验。
1967年,该公司生产的机器人机械手定型为1900台。
(2)1968~1970年为实验应用阶段。
这一时期,机器人机械手在美国进入应用阶段。
例如美国通用汽车公司1968年订购了68台机器人机械手;1969年又自行研制出SAM型机器人机械手,并用21台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。
(3)1970年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。
1970~1972年,机器人机械手处于技术发展阶段。
1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国机器人机械手会议。
据当时统计,美国已采用了大约200台机器人机械手,工作时间共达60万小时以上。
与此同时,出现了所谓高级机器人,例如森德斯兰德公司(Sundstrand)发明了用小型计算机控制50台机器人机械手的系统。
在欧洲第一台机器人机械手是1963年瑞典Kavieldt公司发表的第一台操作机。
日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手,并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人,并获得迅速,很快研制出日本国产华的机器人机械手,技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家,目前机器人机械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。
我国虽然开始研制机器人机械手仅比日本晚5~6年,但由于种种原因,机器人机械手的技术发展比较慢。
但目前已引起了有关方面的极大关注。
除了引进、消化、仿制外,已经具备了一定的独立设计和研制能力。
在1958年新疆维吾尔自治区成立30年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人《阿依古丽》。
在1986年地十六届广交会上,成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人《成蓉小姐》已经用汉语或英语向来宾问好,并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。
西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人《西电I号》,也于1985年9月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。
此外,清华大学自动化系研制的具有视觉手眼系统,北京钢铁学院研制的焊接机器人,均已达到了较高的水平。
同时,在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及人工智能诸领域研究,也取得了一定的进展。
近几年来的成就表明,我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。
相信在不久的将来,我们一定回赶上世界各国前进的步伐。
1.2课题工作要求
启动
初始化
手臂伸长
手部下降
手臂缩回
夹持工件
是否夹紧?
N
Y
手臂上升
手腕回转180度
手臂回转180度
回到原位
手爪松开
为了保证机器人在抓取工件时的精确度,我们在机器人的手部安装了力觉传感器。
用以对机器人的检测和监控。
该检测系统运用的是闭环控制。
整个抓取动作的流程见图。
图1.1机械手的工作程序图
1.3课题基本参数的确定
1、手部负重:
10kg(抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.)
2、自由度数:
4个,沿Z轴的上下移动,绕Z轴转动,沿X轴的伸缩,绕X轴的转动
3、坐标型式:
圆柱坐标,其圆柱坐标型式的运动简图如图所示(见图1)
4、最大工作半径:
1800mm,最小工作半径1350mm
5、手臂最高中心位置:
1012mm
或伺服电机上端最高行程:
1387mm(见图2)
最小行程:
1237mm
ωφ
X
Z
图1.2
6、手臂运动参数:
伸缩行程(X):
450
伸缩速度:
〈250mm/s
升降行程(Z):
150mm
升降速度:
〈60mm/s
回转范围(φ):
0~180度
回转速度:
〈70/s
7、手腕运动参数:
回转范围(ω):
0~180
回转速度:
90/s
8、手臂握力:
由N=0.5/f*G定
这里取f=0.1G=10kg
N=0.5/f*G=50kg
即手指握力为50kg
9、定位方式:
闭环伺服定位
10、重复定位精度:
±0.05mm
11、驱动方式:
电气(伺服电机)
12、控制方式:
采用MGS-51单片微机
第2章结构的设计
2.1手部机构
手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件,它能执行人手的部分功能。
目前,根据被抓取工件、工件等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同,在工业生产中使用着多种形式的手部机构,最常见的是钳爪式、磁吸式和气吸式,也有少数的特殊形式。
不同形式的手部机构其夹紧力的计算各有不同。
钳爪式手部机构是最常见的形式之一。
手爪有两个、三个或多个,其中两个的最多。
抓取工件的方式有两种:
外卡式和内撑式。
从其机械机构特征、外观与功用来看,有多种形式,它们分别是:
(1)拨杆杠杆式钳爪
(2)平行连杆式钳爪
(3)齿轮齿条移动式钳爪
(4)重力式钳爪
(5)自锁式钳爪
(6)自动定心钳爪
(7)抓取不同直径工件的钳爪
(8)具有压力接触销的钳爪
(9)抓勾与定位销十钳爪
(10)复杂形状工件用的自动调整式钳爪
(11)同时抓取一对工件的钳爪与内撑式三指钳爪
(12)特殊式手指钳爪
同时对钳爪的选用也非常重要,应考虑以下几个方面:
1应具有足够的夹紧力,这样才能防止工件在移动过程中脱落,一般夹紧力为工件重量的2到3倍。
2应具有足够的张开角,来适应它抓取和松开工件之间较大的直径范围,而且夹持工件中心位置变化要小(即定位误差小)。
3应具有足够的强度和刚度,以免承受在运动过程中产生的惯性力和震动的影响。
4应能保证工件的可靠定位
5应适应被抓取对象的要求
6尽可能具有一定的通用性
夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。
其传力结构形式比较多,如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。
2.1.1手指的形状和分类
夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:
按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:
按模仿人手手指的动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动型(或称直进型),其中以二支点回转型为基本型式。
当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变成了一支点回转型手指;同理,当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时,就成为移动型。
回转型手指开闭角较小,结构简单,制造容易,应用广泛。
移动型应用较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件。
2.1.2设计时考虑的几个问题
(一)具有足够的握力(即夹紧力)
在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。
(二)手指间应具有一定的开闭角
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。
手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。
对于移动型手指只有开闭幅度的要求。
(三)保证工件准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。
例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,以便自动定心。
(四)具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。
(五)考虑被抓取对象的要求
根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支点,两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V型,其结构如附图所示。
2.1.3手部夹紧的设计
1、手部驱动力计算
本课题电动机械手的手部结构如图2-1所示:
图2-1齿轮齿条式手部
此处删减NNNNNNNNNNNNNNNN字
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第3章控制系统设计
由于微型计算机具有体积小,可靠性高,灵活性强,易于配置,功能丰富及价格便宜等特点,采用微型计算机对工业机器人进行控制,已经成为当今机器人控制技术研究和发展的主流。
机械手的控制系统,原则上可分为点位控制与连续轨迹控制两大类。
点位控制只要求按规定精度从起始点到达预定点,而对移动路径不做要求。
连续轨迹不仅与运动的起点与终点有关,还必须保证运动轨迹与设计轨迹一致。
因此,在连续轨迹控制中要进行轨迹设计,并对任意运动轨迹进行补插(补间)运算。
为了机器人运动平稳,就必须保证机器人的运动速度、加速度连续,这无疑也需要进行复杂的运算。
微型计算机对机器人的控制,一般采用分层控制的方法。
第一层为最高层,其任务是识别工作空间,并据此决定如何完成给定的任务;第二层是决策层,其任务是将给定的操作分成基本的运动;第三层是策略层,其工能是将基本的运动转化成各自由度的运动;第四层是执行层,它将控制机器人完成各自由度的运动。
其中第一层及第二层属于人工智能的范畴,机器人的控制主要是研究第三、第四层。
微型计算机种类很多,一般均由以下三部分组成。
A.中央处理器CPU,或称微处理器MPU。
B.内存储器,即主记忆装置ROM及RAM。
C.输入输出装置I/O,或称接口装置,联系这些装置的为三条总线,即数据总线DB,地址总线AB及控制总线CB。
不同型号的微型计算机主要是中央处理器CPU的内容的功能不同,因而有不同的指令系统和汇编语言。
由于外部设备之不同以及是否用于实时控制,其I/O接口装置因而很大差异。
RAM和ROM的存储量大小直接影响计算机的应用范围。
但一般微型计算机都可以在原有存储量的基础上加以扩充。
本机器人的控制系统的组织结构如图3-1。
它由主CPU板、I/O板、控制面板、示教盒、伺服板、和稳压电源板等组成。
I/O端口
及
电平转换电路
辅助运算回路
RAM
ROM
8031
CPU
控制板
伺服板
机器人
伺服控制电路
读位置电路
串行中断电路
串行
通讯
电路
示教盒
脉冲分配电路
图3-1控制系统组织结构图
主CPU板是本控制器的核心,其上有CPU、存储器、多级中断控制电路、脉冲分配电路、读位置电路以及串行通讯电路等,完成系统的管理、控制运算、伺服系统控制和仿置检测等控制功能以及与示教盒、控制板的通讯。
I/O接口板主要负责输入输出和监测各种故障报警的输入信号。
伺服板共8块,负责完成四个轴的位置环速度环和电流环的伺服控制。
本次控制系统设计主要设计CPU、ROM和RAM中断处理电路示教盒以及串行通讯电路键盘显示电路这几个部分。
1.CPU与存储器
CPU采用8031微处理器地址译码器内存RAM和EPROM以及锁存器组成。
(1)8031的结构
1)寄存器堆
8031中有12个通用寄存器,6个专用寄存器,两个累加器和两个标志寄存器。
由于寄存器很多,故称其为堆。
它们各个单元不是以序号作为地址号,而是以其名称作为地址号。
它们全是静态RAM实现。
各寄存器的功能如下:
堆栈指示器SP:
它是一个8位的专用寄存器。
用以指示堆栈区的最上面的存储单元的地址,即栈顶地址。
堆栈指示器是在计算机中接受中断要求而去处理某些外部设备提出的请求时需要用到的寄存器。
系统复位后,SP初始化为07H,使得堆栈事实由08H单元开始。
考虑到08H~1FH单元分属与工作寄存器区1~3,若程序设计中要用到这些区,则最好把SP值改置为1FH或更大值。
由于栈指针是一个8位的专用寄存器,其值可由软件改变,因此在内部RAM中的位置比较灵活。
响应中断或子程序调用时,发生入栈操作,入栈的是16位PC值,PSW并不自动入栈。
在指令系统中有栈操作指令PUSH(压入)和POP(弹出),如有必要,中断时可用把PSW的内容压入堆栈,加以保护,返回前用POP指令恢复。
除用软件直接改变SP值外,在执行PUSH、POP、各种程序调用、中断响应、子程序返回RETI等指令时,SP值将自动增量或减量。
变址寄存器IX及IY:
它们能将其内容加减一个称作偏移量的数,以达到一个新的地址。
中断向量地址寄存器IV:
这个寄存器用以存放中断服务子程序的入口地址。
存储器刷新寄存器R:
8031可以使用动态存储器。
刷新存储器是再生时进行计数用的。
特殊功能寄存器SFR:
8031单片机片内的SFR与存储器是独立的,但它能像访问内部RAM一样被访问。
8031单片机具有21个特殊功能寄存器,可分为3个16位寄存器和15个8位寄存器。
这些寄存器分散地分布在片内RAM的高128字节地址80H~FFH,访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式。
寄存器并未占满80H~FFH整个地址空间,对空闲地址的操作是无意义的。
片内的SFR能综合的实时反映整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式。
因此,它是非常重要的。
对单片机应用者来说,掌握个各SFR的工作状态,工作方式,从而实现对整个单片机系统的控制具有重要的意义。
表3-1列出了个SFR的名称几地址。
·ACC
累加器
0E0H
·B
B寄存器
0F0H
·PSW
程序状态字堆栈指针
0D0H
SP
堆栈指针
81H
DPTR
数据指针(包括DPH和(DPL)口0
83H和82H
·P0
口0
80H
·P1
口1
90H
·P2
口2
0A0H
·P3
口3
0B0H
·IP
中断优先级控制
0B8H
·IE
允许中断控制
0A8H
TMOD
定时器/计数器方式控制
89H
·TCON
定时器/计数器控制
88H
+·T2CON
定时器/计数器2控制
0C8H
TH0
定时器/计数器控制0(高位字节)
8CH
TL0
定时器/计数器控制0(低位字节)
8AH
TH1
定时器/计数器控制1(高位字节)
8DH
TL1
定时器/计数器控制1(低位字节)
8BH
+TH2
定时器/计数器控制2(高位字节)
0CDH
+TL2
定时器/计数器控制2(低位字节)
0CCH
+RLDH
定时器/计数器控制2自动再装载(高位字节)
0CBH
+RLDL
定时器/计数器控制2自动再装载(低位字节)
0CAH
·SCON
串行控制
98H
SBUF
串行数据缓冲器
99H
PCON
电源控制
97H
数据指针DPTR(83H,82H):
数据指针DPTR是一个16位专用寄存器,其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。
即可以作为16位寄存器DPTR来处理,也可以作为2个独立的8位寄存器DPH和DPL来处理。
DPTR主要用来保持16位地址,当64KB外部数据存储空间寻址时,可作为间接寄存器用。
这时有两条传送指令MOVXA,@DPTR和MOVX@DPTR,A。
在访问程序存储器时,DPTR可用作基址寄存器,这时采用一条基址+变址寻址方式的指令MOVCA,@+DPTR,常用于读取存放在程序存储器内的表格数据。
2)8031的引脚功能
8031为40引脚芯片如图3-4,按其功能可分为三个部分:
a.I/O口线:
P0,P1,P2,P3共4个8位口。
P0(双向I/O)口(39~32脚):
P0口既可作地址/数据总线使用,又可作通用I/O口用。
P1(准双向I/O)口(1~8脚):
P1是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。
P2(准双向I/O)口(21~28脚):
在结构上,P2口比P1口多了一个输出转换控制部分。
当转换开关倒向左面时,P2口作通用的I/O端口用,是一个准双向口。
P3(双功能)(10~17脚):
P3口是一个多用途的端口。
b.控制信号引脚:
PSEN(片外取指控制),ALE(地地锁存控制),EA(片外存储器选择),RESET(复位控制)。
c.电源及时钟:
Vcc,Vss,XTAL1,XTAL2。
其应用特性:
a.I/O口线不能都用作用户I/O口线。
b.I/O口的驱动能力,P0口可驱动8个TTL门电
路,P1、P2、P3则只能驱动4个TTL门。
c.P3口是双重功能口,其功能如图3-5所示。
P3.0:
RXD(串行输入口);
P3.1:
TXD(串行输出口);
P3.2:
INT0(外部中断0输入线);
P3.3:
INT1(外部中断1输入线);
P3.4:
T0(T0外部记数脉冲输入线);
P3.5:
T1(T1外部记数脉冲输入线);
P3.6:
WR(外部RAM写选通脉冲输出线);
P3.7:
RD(外部RAM读选通脉冲输出线)。
译码器采用74LS138(8205),它具有以下特性:
能作为I/O口或存储器地址选择器,扩充简便,有输入选择端,采用了遵肖特基双极型工艺,最大延迟为18ns,连接与TTL逻辑电路兼容,低电平输入负载电流最大为0.25A,是标准TTL输入负载的1/6。
INTEL8205译码器可以扩充那些输入口、输出口和带有低电平有效的片选输入存储器件的系统。
当8205被片选时,它的八个输出端之一变“低”,于是存储器系统的一行被选中。
对于扩大的系统,可把8205级联系起来,使得每一译码器能驱动8个译码器,可任意扩充存储器。
8205的逻辑符号、引脚排列,选通和译码真值表如下:
引脚说明:
A0~A2为选址输入,E1~E3为选通允许输入(既片选),O0~O7为译码输出。
8205译码真值表如下:
地址
选通允许
输出
A0
A1
A2
E1
E2
E3
01234567
-
-
-
-
-
+
-+++++++
+
-
-
-
-
+
+-++++++
-
+
-
-
-
+
++-+++++
+
+
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-
+
+++-++++
-
-
+
-
-
+
++++-+++
+
-
+
-
-
+
+++++-++
-
+
+
-
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+
++++++-+
+
+
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