关节型机器人的结构设计_周彦云

　第5期总第207期　2010年3月

内蒙古科技与经济

InnerMongoliaScienceTechnology&EconomyNo.5,the207thissue

.2010Mar

关节型机器人的结构设计

周彦云

(包头轻工职业技术学院,内蒙古包头　014035)

摘　要:文章主要介绍了串联关节型机器人的机械结构设计、运动学分析和控制系统设计,并以五

自由度关节型机器人为例,就机械结构、运动学分析、硬件驱动结构、软件控制系统、伺服通信协议等内容作了详细分析设计。

关键词:关节型;机器人;结构;运动学;控制　　中图分类号:TP242　　文献标识码:A　　文章编号:1007—6921(2010)05—0082—03　　机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的,通过可编程序动作来执行任务的,并具有编程能力的多功能机械手,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。机器人学是一门跨学科的综合性技术。动力学、机械设计、传感技术、模式识别、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能、仿生学、微机电系统以及计算机集成制造系统(CIMS)等学科都与机器人技术有着密切的关系。正是由于技术的这种复杂性导致了机器人形式多种多样,适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着重要的作用。1　串联机器人的机械结构设计

工业机器人的总体结构类型可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节型四种。其中,由于关节型结构动作灵活,操作机占地面积小,具有较大的操作空间,应用比较广泛,因此,本文也以多关节工业机器人作为研究对象。从常规体系结构的角度来看,多关节机器人应该由机器人执行机构(操作机)、电气控制系统、作业环境以及人机接口等部分组成。

由于关节型机器人在相同条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间,因此串联机器人的机械结构采用关节型结构,其结构见图1。本图例的机器人有五个自由度,腰部转动关节实现机器人本体除基座以外的机构的转动;肩关节是个直移关节,可以带动肘关节、腕关节、指关节及工件的上下移动,以满足机器人工作空间上高度的要求。可以在小范围内调整小臂、手爪和工件的位姿。手腕包括两个转腕和旋腕关节,分别可以实现手爪的俯仰和摆动。

机器人的结构布局,对其综合性能有很大影响。首先看一下机器人本体主要部件的布局。按照设备安装、拆卸和检修方便的原则,把驱动腰部关节转动的电机1就安装到机座上;但是对于驱动肩关节上下移动的电机2则应该放置到上边。如果把电机2同样安装到机座上,那么它的传动则是一个问题,因为电机1、2均在机座上,并且都要传动到腰部和肩关节,无疑会增加机座和腰部的体积,AdeptOne工业机器人的直接驱动结构就是一个很明显的例子。而且在丝杠的传动中可以达到很高的速度,故把电机2安装到机器人的顶部,直接驱动丝杠。机器人的肘关

节和腕部的摆动关节均是通过同步带传动,由于大

臂、小臂、手腕等均是悬空的,所以把二者驱动电机3、4均配置到大臂的末端,以便来平衡机器人的重量。对于手腕的转动,则因为其需要的扭矩较小,故电机的体积小、重量小,按照就近的原则,把其放在手腕的末端。综合考虑机器人机械设计各方面的问题,拟该机器人总体结构布局如图1所示

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图1　机械人结构布局和传动系统

2　串联机器人运动学正解与反解

机器人运动轨迹可分为点位控制方式、轮廓控制方式和柔顺控制方式,但无论哪一种类型都是要求控制机器人末端作用器的位姿、轨迹、速度

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1.腰部关节　2.肩关节　3.肘关节　4.腕关节

图2　五自由度机器人方案

为了对机器人进行运动模拟和控制,需对机器人进行运动学分析。从机构学角度来看,关节型非移动机器人操作机是由一系列用关节连在一起的构件所组成的具有多个自由度的开链型空间连杆机构。所以对机器人进行运动学、动力学分析时,可将机器人简化成由各连杆和末端执行器首尾相接,并通过

收稿日期:2009-10-11

作者简介:周彦云(1971-),女,硕士研究生,工程师,讲师,主要研究方向:机械设计。

　周彦云·关节型机器人的结构设计

关节相连而构成的一个开式连杆系。据此将机器人简化为连杆机构,并在底座上建立基坐标系,每个关节上建立一相对运动坐标系。连杆系统坐标系如图2所示。

当机器人操作机的结构参数和运动参数确定后,便可由机器人运动学方程来确定机器人末端执行器在机座坐标系中的位姿。根据连杆系统变换矩阵T的通式,将连杆参数代人通式中,可得到连杆变换矩阵,然后将连杆变换矩阵代入运动方程中,即可解得机器人末端参考点在基坐标系中的位姿矩阵T,完成整解。

若已知机器人操作机的末端位姿(n,o,a,p)。通过齐次坐标变换,即可求出末端执行器在基坐标系中的位置和方向。经推导可求出其五个关节变量的运算公式。3　串联关节型机器人控制系统设计

机器人驱动一般采用交流伺服电机,对于性能指标要求不太高的场合也可以采用步进驱动系统;步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移)的机电元件。步进电机的优点归纳起来主要有:步距值不受各种干扰因素的影响;位移与输入脉冲信号相对应,步距误差不长期积累;可以用数字信号直接进行开环控制,整个结构简单廉价;无刷,电动机本体部件少,可靠性高;控制性能好。本例机器人的控制系统结构分三级,PC机为第一级,主单片机为第二级,从单片机为第三级。PC机控制系统包括机器人控制界面和串行通讯程序两部分,通过PC机的COM2口将各种控制命令和数据发送给主单片机。在NGR01型机器人设计过程中,基于上述思路构造了一种三级结构多CPU并行工作方式的电气控制系统,如图3所示。图中第一级计算机选用工业级嵌入式PC机,主要完成机器人路径规划、正向运动学和逆向运动学的计算,然后把计算结果通过RS-232C串行口送给下一级计算机。第二级计算机一方面接收到PC机下发的命令信息(如示教方式、自动方式、状态查询等)或各关节旋转角度数据后,立即转发给下一级计算机执行;另一方面它还具有独立的下位机手动示教键盘接口功能。第三级计算机通过内部并行数据总线和握手信号按约定的逻辑关系进行数据通信,它主要接收上一级计算机发来的命令和数据,然后控制对应关节电动机旋转相应的角度,驱动机器人手指到达所要求的位置

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2010年第5期

CMOS单片机。该器件运用了ATMEL公司的高密度非易失存储器技术,与工业标准的80C51的指令和管脚排列兼容。芯片内可下载的FLASH存储器可通过SPI串行接口或通过通用的非易失存储器编程器对程序存储器进行系统内的重新编程。通过将可下载的FLASH存储器与通用的8位CPU相结合,AT89C51成为一种许多嵌入式应用系统中低成本,灵活性好的单片机[4]。

下位机AT89C2051控制系统的主要功能是实现对步进电机的调速控制、与上位单片机AT89C51的通讯及完成行程开关信号调理。下位机控制电路主要由AT89C2051单片机、SH-20402A驱动器组成。其中AT89C2051单片机是美国ATMEL公司AT89系列中经济低价产品,与MCS-51结构基本一致,区别是减少了P0和P2端口,增加了一个模拟比较器。

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件,它不能直接接到交直流电源上工作,而必须使用专用设备——步进电机控制驱动系统。典型步进电机控制驱动系统如图4所示

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图3　控制系统示意

3.1　硬件系统的组成

机器人的控制系统是一种分级式结构系统。上位机控制系统是PC机与下位单片机之间的桥梁,是整个机器人控制系统的核心部分。其主要功能包括与PC机、下位单片机之间的通讯控制,数据的处理与存储,轨迹插补,以及对系统的实时监控。上位机控制系统主要由AT89C51单片机、MAX232电平转换器、62256数据存储器、INS8250组成。其中AT89C51是整个上位机控制系统的核心。AT89C51是一种低功耗,高性能,内部带有4K字节的可下载FLASH存储器、128字节RAM的8位

图4　步进电机控制驱动系统原理

变频信号源是一个脉冲频率从几赫到几十千赫可以连续变化的信号发生器,它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后,经过功率放大器的放大驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类:一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能,通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器,通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大,以达到驱动步进电机的目的[5]。3.2　控制系统软件结构设计

机器人控制涉及运动学计算和传动路径,以实现各关节的实时控制,选用的软件环境要有针对性。复杂的运动学处理和友好的人机交互界面比较适合采用高级语言完成,而实时在线控制较多采用汇编语言实现。这种控制方式具有一定的通用性和代表性,可以推广应用到类似的上下位机控制场合。为了便于高、低级语言的混合编程,建议选用VC和Intel8086语言。下位机也可以使用MCS51系列单片机汇编语言实现各关节的控制,而与高级语言之间的接口可以通过串行通信等方式来完成。

对于如图3所示的电气控制系统来讲,控制系统软件包括上位机应用程序和下位机应用程序两部分。第一级计算机采用VC++高级语言编程,而第二级和第三级计算机采用了单片机汇编语言编程。

上位机AT89C51是PC机与下位机AT89C2051之间的桥梁,因此上位机AT89C51控制系统的软件设计尤为重要。上位机AT89C51控制系统的软件设计包括:上位机AT89C51利用自身所带的串行口与PC机的通讯程序,以及通过异步通讯接收发送器8250进行的上位机AT89C51与下位机AT89C2051之间的通讯程序。下位机AT89C2051控制系统的的主要功能是完成与上位机AT89C51的串行通讯和实现对步进电机的速度控制。下位机控制系统的软件设计主要包括下位机AT89C2051与上位机AT89C51的串行通讯子程序和下位机对步进电机

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的速度控制子程序。3.2.1　上位机AT89C51与PC机和下位机AT89C2051之间的多机通讯。串行通信是CPU与外界进行信息交换的一种方式。AT89C51单片机内部有一个全双工的通用串行异步收发器(UART)用于串行通信,发送时数据由TXD端送出,接收时数据由RXD端输入。有两个缓冲器SBUF,一个作发送缓冲器,另一个作接收缓冲器。上位机AT89C51通过自带的通用串行异步收发器(UART)和MAX232组成的电平转换电路完成与PC机的通信。

上位机AT89C51与下位机AT89C2051之间的串行通讯属于总线型主从式多机通讯。所谓主从式,即在数个单片机中,有一个是主机,其余的是从机,从机服从主机的调度、支配。AT89C51单片机的串口工作于方式2、方式3很适合这种主从式的通信结构

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完成对步进电机采用高速、中速、低速三种速度类型的选择,实现步进电机的正、反转,以及在各种既定的速度类型中精确地实现步进电机的点——位控制[6]。控制步进电机速度的子程序流程图见图5所示。4　结束语

关节型机器人以工作范围大、动作灵活、结构紧凑等特点备受设计者和使用者的青睐。具有广泛的实际意义和应机器人技术的出现,不仅大大提高了劳动生产率和产品的质量,降低了成本,而且降低了人的劳动强度,改善了劳动条件,因此世界上许多国家将其列入高新技术发展计划。作为一门综合了机械、电气、计算机等诸多专业的学科产物,该机器人可以很好地帮助人们直观地分析机器人的总体机械结构和控制系统结构,全面地理解机器人运动学规律,熟练地掌握机器人的操控,完成机器人系统分析、设计教学的要求。

[参考文献]

[1]　蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版

社,2000.

[2]　冯辛安,黄玉美,杜文君.机械制造装备设计

[.北京:机械工业出版社,1999.M]

[3]　熊有伦.机器人技术基础[.武汉:华中理工M]

大学出版社,1996.[4]　张伯鹏,张昆,徐家球.机器人工程基础[M].

北京:机械工业出版社,1989.[5]　蔡自兴.机器人学[.北京:清华大学出版M]

社,2001.水,石灰石粉仓上装设布袋除尘器。5　固体废物综合利用

石灰石——石膏湿法脱硫工艺的副产品以二水石膏为主,来自吸收塔的石膏浆用泵打入脱水系统,经旋流分离器,再经脱水机脱水。脱水后的石膏含水量一般在10%,脱流石膏纯度在85%～90%之间,通过传送带送往石膏仓库储存,脱硫石膏是一种质量较好的化学石膏,如果将这些脱硫石膏利用起来,替代天然石膏,既能保护资源,又能增加经济效益。我国人均资源的拥有量很低,保护环境,合理利用各种资源非常重要,所以开展脱硫石膏的综合利用十分必要。6　建议

①从设备治理上下工夫,加强运行管理,优化运行质量方式。②本着又要环保又要节约原则,适当考虑使用脱硫添加剂。③为呼和浩特市热电厂争创“两型企业”而努力奋斗。7　结束语

2004年10月,北方联合电力有限公司呼和浩特热电厂成立,鉴于科林热电有限责任公司2×50MW机组运行已近10年且炉后无装设脱硫设施的空间以及增设脱硫后其削减的排放量有限,经研究对2001年～2002年相继投产的内蒙古丰泰发电有限公司2×200MW机组(已预留脱硫空间)进行烟气脱硫。一方面可超额完成国家环保局“十五”脱硫计划,另一方面又可以提高环保效益,为呼和浩特市的二氧化硫减排争取更大的总量空间。

[参考文献]

[1]　王文宗,武文江.火电厂烟气脱硫及脱销实用

技术[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

图5　控制步进电机速度的子程序流程

3.2.2　控制步进电机速度的子程序框图设计。下位机AT89C2051对步进电机速度的控制子程序主要(上接第81页)离。FGD废水经过以上中和、混凝、沉淀处理后,达到排放要求。4　污染防治措施4.1　固体废物的防治措施

本项目产生的脱流石膏优先进行综合利用,不能综合利用时用汽车运输送至灰场储存。石膏的特性稳定,储存在灰场的石膏不会二次扬尘,对周围的环境不会产生影响。同时,由于灰场具有粘土防渗层,石膏的储存不会污染下水。4.2　脱硫废水的防治措施

根据脱硫工艺的要求,石膏旋硫站分离出来的溢流液、真空皮带脱水机滤出液、以及石膏和脱水装置的冲洗水全部送入脱水废水处理系统,废水中含有CaSO4、CaCl2、氟化物、亚硫酸盐、重金属离子、pH值等污染物。脱硫废水处理系统工艺流程见3图。4.3　脱硫噪声防治措施

脱硫系统噪声主要为设备噪声,主要有流化风机、浆液循环泵、氧化风机、抽浆泵等噪声较大的传动机械产生的噪声影响,为控制电厂运行噪声对周边环境的影响,电厂本期工程采取了必要的隔声、降噪措施:①从设备选型入手,从声源上控制噪声。如对高噪声设备采取必要的措施,以达到降低设备噪声水平的目的。②优化电厂总平面布置,选用隔声吸音材料,以减少厂房内噪声回响反射。③脱流系统增压风机、氧化风机与密封风机等均按噪声限值选用设备,石灰石浆液循环泵布置于泵房内。4.4　石灰石粉尘防治措施

本项目直接采购石灰石粉,不存在厂内制粉带来粉尘污染,但石灰石粉运输、储存、转运等过程中易产生粉尘。为减少粉尘污染,本项目运输石灰石的车辆使用密封罐车,对石灰石粉仓周围勤打扫和洒

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