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1、摘 要随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展,机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域.在各种类型的机器人中,模拟人体手臂而构成的关节型机器人,具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点,是应用最为广泛的机器人之一.尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人在服务机器人与康复机器人领域中的应用和需求越来越突出.本文将设计一台四自由度的工业机器人,用于给冲压设备运送物料.首先,本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构,然后选择合适的传动方式、驱动方式,搭建机器人的结构平台；在此基础上,本文将设计该机器人的控制系统,包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选
2、择、端子板电路的设计以与控制软件的设计,重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性,最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点.关键词：机器人,示教编程,伺服,制动ABSTRACTWith the development of microelectronic technology, sensor technology, the rapid development of control technology and machinery manufacturing technology level,
3、the application of robots gradually expanded from cars to other fields. In all types of robots, the articulated robot arm simulation human form, has the advantages of pact structure, small occupied space, large moving space, is one of the most widely used robots. Especially flexible biomimetic robot
4、 posed of flexible joint in the field of service robot and rehabilitation robot application and demand more and more prominent.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 s
5、mall 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 c
6、ircuit 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 programmi
7、ng and modifying the program online,setting reference point and returning to reference point.KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake目 录第1章 绪论 31.1 机械手概述 41.2 机械手的发展 41.3 机器人的发展趋势 4第2章 机器人实验平台介绍与机械手的设计32.1自由度与关节 42.2 基座与连杆 4 基座 7 大臂 7 小臂 72.3机械手的基本结构42.4 驱动方式42.5 传动方式42.6 制动器4第3章 控制系统软件 43.1预
8、期的功能 43.2 实现方法43.2.1实时显示各个关节角与运动范围控制 43.2.2电机的自锁43.2.3示教编程与在线修改程序43.2.4设置参考点与回参考点4致 谢 4参考文献 4第1章 绪论1.1 机械手概述机械手是模仿着人手的部分动作,按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置.在工业生产中应用的机械手叫做工业机械手.在实际生产中,应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率,可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产.尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下,它代替人进行正常的工作,意义更为重大.随着生产的发展,功能和性能的不断改
9、善和提高,在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以与轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用. 国内外对机器人与机械手所作的定义不尽相同.国际标准化组织对机器人的定义:机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机.这类操作机具有几个轴,在可编程序操作下,能处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行各种任务. 美国国家标准对机器人的定义:一种可编程,并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置.日本工业机器人协会对工业机器人的定义:一种装备有记忆装置和最终执行装置,能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器.它又分为以下两种情况来定义:工业机器人:一种能执
10、行与人的上肢类似动作的多功能机器.智能机器人:一种具有感觉和识别能力,并能够控制自身行为的机器. 机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类.专用机械手:它作为整机的附属部分,动作简单,工作对象单一,具有固定程序,使用大批量的自动生产.如自动生产线上的上料机械手,自动换刀机械手,装配焊接机械手等装置.通用机械手:它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手.它适用于可变换生产品种的中小PLC的硬件结构主要分单元式和模块式两种.将PLC的主要部分 体积小,安装方便,全部安装在一个机箱内.要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机
11、构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统.这些系统的性能就决定了机器人的性能.一般而言,机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成,如图 1-1 所示.图1-1 机器人的一般组成对于现代智能机器人而言,还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等.目前研究主要集中在赋予机器人眼睛,使它能识别物体和躲避障碍物,以与机器人的触觉装置.机器人的这些组成部分并不是各自独立的,或者说并不是简单的叠加在一起,从而构成一个机器人的.要实现机器人所期望实现的功能,机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约.它们之间的相互关系如
12、图1-2 所示. 图1-2 机器人各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成.执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动传动系统提供动力,按控制系统的要求完成工作任务.驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统.驱动机构提供机器人各关节所需要的动力,传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩.有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分.其中的机械系统又叫操作机,相当于本文中的执行机构部分.1.2 机械手的发展工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的,始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控
13、机械操作手研究,它是一种主从型的控制系统.1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手.它的结构是：机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的；1962年,美国联合控制公司在上述方案的基础上,又试制成一台数控示教再现型机械手,命名为Unimate.1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手,原意是灵活搬运,可作点位和轨迹控制；该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩,采用液压驱动,控制系统也是示教再现型.虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础.从60年代后期起,喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用.1978年美国U
14、nimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic-arm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差可小于lmm.联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业；联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快,应用国家最多的国家,自1969年从美国引进两种典型机械手后,开始大力从事机械手的研究,目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一.前苏联自六十年代开始发展应用机械手,主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作.我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代.1972年我国第一台机械手开发于#,随之全国各省都开始研制和应用机械手.从第七个五年计划开始,我国政府将工业机器人的发展列入其中,并且为此项目投入的大量的资
