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1、摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生 产过程的自动化程度，工业柑橘采摘机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐 渐被企业所认同并采用。工业柑橘采摘机器人的技术水平和应用程度在一定程度 上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业柑橘采摘机器人主要承担着焊 接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取 示教再现的方式。本文将设计一台五自由度的工业柑橘采摘机器人，用于给采摘水果。首先， 本文将设计柑橘采摘机器人的底座、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，搭建柑橘采摘机器人的结构平台；在此基础上，本文将 设计该柑橘采
2、摘机器人的控制系统，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择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制 软件的可靠性和柑橘采摘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、实时监测柑橘采摘机器人的各个关节的运动情况、柑橘 采摘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：柑橘采摘机器人，示教编程，伺服，制动ABSTRACTIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degr
3、ee of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of theautomation production line, industrial robots are gradually approved and adopted byenterprises. The technique level and the application degree of industrial robot
4、s 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
5、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 struct
6、ure 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 r
7、obot 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, servoc
8、ontrol, brake目录第1章 绪论 11.1 柑橘采摘机器人概述 31.2柑橘采摘机器人的历史、现状41.3 柑橘采摘机器人的发展趋势 5 第2章 柑橘采摘机器人机械手的设计52.1自由度及关节62.2 基座及连杆 72.2.1 基座 82.2.2 大臂92.2.3 小臂 102.3 机械手的设计122.4 驱动方式132.5 传动方式142.6 制动器15第3章 控制系统硬件163.1 控制系统模式的选择173.2 控制系统的搭建183.2.1 工控机193.2.2 数据采集卡203.2.3 伺服放大器213.2.4 端子板223.2.5电位器及其标定223.2.6 电源23第4章
9、控制系统软件244.1预期的功能254.2 实现方法264.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 264.2.2直流电机的伺服控制274.2.3电机的自锁284.2.4示教编程及在线修改程序294.2.5设置参考点及回参考点30第5章总结325.1 所完成的工作335.2设计经验355.3误差分析365.4可以继续探索的方向38致谢39参考文献 40第 1 章 绪论1.1 柑橘采摘机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。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。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床
10、、加工 中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削 加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。 柑橘采摘机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业柑橘采摘机器人（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的 独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业柑橘采摘机器人或 通用柑橘采摘机器人）。柑橘采摘机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装 置。柑橘采摘机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少， 适应性较差。目前我国常把具有上述特点的柑橘采摘机器人称为专用柑
11、橘采摘机 器人，而把工业机械人称为通用柑橘采摘机器人。简而言之，柑橘采摘机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指 定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。柑橘采摘机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用柑橘采摘机 器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可 以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理 性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的， 称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成 特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作柑橘采摘机器人来进行探测
12、月球等。 工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业柑橘采摘机器人，主要 附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种柑橘采 摘机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机 驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。柑橘采摘机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型柑橘采 摘机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座 周围的一些障碍物等这样一些特点，成为柑橘采摘机器人中使用最多的一种结构 形式，世界一些著名柑橘采摘机器人的本体部分都采用这种机构形式的柑橘采摘 机器人。要柑橘采摘机器
13、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构一一执行机构；像肌肉那样使手 臂运动的驱动一传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能 就决定了柑橘采摘机器人的性能。一般而言，柑橘采摘机器人通常就是由执行机 构、驱动一传动系统和控制系统这三部分组成，如图1T所示。图 1-1 柑橘采摘机器人的一般组成对于现代智能柑橘采摘机器人而言，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柑橘采摘机器人“眼睛”， 使它能识别物体和躲避障碍物，以及柑橘采摘机器人的触觉装置。柑橘采摘机器 人的这些组成部分并不是各自
14、独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构 成一个柑橘采摘机器人的。要实现柑橘采摘机器人所期望实现的功能，柑橘采摘 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 相互关系如图 1-2 所示。位形检测*控制系统（一4控制系统（二）驱动 传动执行工作对象1装置机构 智能系统 *图1-2柑橘采摘机器人各组成部分之间的关系柑橘采摘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 构是柑橘采摘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。驱动机构提供柑橘采摘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柑橘采摘机器人各关节力矩和运动所要求的驱动 力或力矩。有的文献则把柑橘采摘机器
