四自由度搬运机械手论文

串联手臂式机器人设计与分析

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

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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

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目 录

第1章 绪论?????????????????????????? 3 1.1 机器人概述??????????????????????? 4 1.2 机器人的历史、现状??????????????????? 4 1.3 机器人的发展趋势???????????????????? 4 第2章 机器人实验平台介绍及机械手的设计?????3

2.1自由度及关节??????????????????????? 4 2.2 基座及连杆??????????????????????? 4

2.2.1 基座???????????????????????? 7 2.2.2 大臂???????????????????????? 7 2.2.3 小臂???????????????????????? 7 2.3 机械手的设计???????????????????????4 2.4 驱动方式?????????????????????????4 2.5 传动方式?????????????????????????4 2.6 制动器??????????????????????????4 第3章 控制系统硬件???????????????????????4 3.1 控制系统模式的选择????????????????????4 3.2 控制系统的搭建????????????????????? 4 3.2.1 工控机???????????????????????4 3.2.2 数据采集卡?????????????????????4 3.2.3 伺服放大器?????????????????????4 3.2.4 端子板??????????????????????? 4 3.2.5电位器及其标定??????????????????? 4 3.2.6电源???????????????????????? 4

第4章 控制系统软件?????????????????????? 4

4.1预期的功能??????????????????????? 4 4.2 实现方法????????????????????????4

4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 ?????????4

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4.2.2直流电机的伺服控制??????????????????4 4.2.3电机的自锁??????????????????????4 4.2.4示教编程及在线修改程序????????????????4 4.2.5设置参考点及回参考点?????????????????4

第5章 总结??????????????????????????? 4

5.1 所完成的工作?????????????????????? 4 5.2 设计经验???????????????????????? 4 5.3 误差分析???????????????????????? 4 5.4 可以继续探索的方向??????????????????? 4 致 谢?????????????????????????????? 4 参考文献???????????????????????????? 4

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第1章 绪论

1.1 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、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。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（国内称作工业机器人或通用机器人）。 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。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机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。

简而言之，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。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，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机器人来进行探测月球等。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。

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，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。

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。

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开，系统检修和排除故障时不必全部停止运行。

②．将每一路信号经过各自的传送路线到达端子板后，可以根据各路信号和传送路线的特点，在端子板上对各路信号进行简单的调理，如经电阻衰减、分流或经过RC低通滤波后进入采集卡。 图3.3所示为端子板电路

图3.3端子板电路

图3.3所示的电路图中，为防止直流电机产生的噪声影响电路的正常运行，使用了光电耦合器4N25。在机电一体化技术中，光电耦合电路是重要的接口电路。

其中PCL-812PG通过五路数字量输出来控制电机电路的通断，PCL-726通过五路模拟量输出来控制电机的正反转和运行速度，另外PCL-812PG还负责采集五个电位器的电压，以此将电机的运行角度反馈给计算机。

3.2.5电位器及其标定

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电位器是一种可调电阻，也是电子电路中用途最广泛的元器件之一。它对外有三个引出端，其中两个为固定端，另一个是中心抽头。转动或调节电位器转动轴，其中心抽头与固定端之间的电阻将发生变化。

本文采用的电位器是单圈的，也就是说各关节的运动角度小于360o，对于该机器人已经足够了。电位器安装在机器人的各个关节输出轴上，所以在关节角的运动范围内，电位计的输出电压和关节角是一一对应的，存在着一定的函数关系。 从理论上来讲，电位器应该是线性的测量元件，但由于电位器的滑动噪声以及滑线电阻的工作过程中的磨损，这种函数关系并非理想的线性关系，而是存在一定的偏移。电位器的标定就是根据在各个角度处测量的电压值，拟合出一条直线， 近似替代真实的函数关系。

下面即是对各个关节的进行电位计标定。 电位器1的标定，如图 3.4所示：

图 3.4电位器

关节角1与电位计1的函数关系： a=33.3105v-16.895

电位器2的标定

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图 3.5

如图 3.5所示：

关节角2与电位计2的函数关系： a=33.2967v -124.2692

电位器3的标定

图 3.6

如图 3.6所示：

关节角3与电位计3的函数关系： a= 32.9333v-16.2222

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电位器4的标定

图 3.7

如图 3.7所示：

关节角4与电位计4的函数关系： a= 32.6333v-75.1389

电位器5的标定

图 3.8

如图 3.8所示：

电机5与电位计5的函数关系： a= 32.9000v -36.3611

注：以上标定工作都是在10.00v的电压下测量的

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3.2.6电源

电位器和伺服放大器都需要一定的电压，特别是电位计是在10.0v的条件下工作的，稳定的电压对于保证电位计反馈信号的真实性具有重大的影响；而伺服放大器是在12v~30v范围内工作的，电压只要在此范围内即可。

本文采用DH1715A-3型 双路稳压稳流电源，可以提供0~32v电压输出和0~2A电流输出。

这里设定两路电压输出：14.0v——供给伺服放大器运行，10.0v——保证电位计的正常工作。

第4章 控制系统软件

以上完成了机器人的本体设计和控制系统硬件的搭建，下面将通过设计控制软件，使计算机通过数据采集卡有条不紊地向外部发送指挥信号，最终驱动机器人各个关节的运动，使之按照人的意愿“工作”。

4.1预期的功能

（1）. 实时显示各个关节角，并且可以防止各个关节的运动角度超出预定的关 节角范围内；

（2）. 实现直流电机的伺服控制； （3）. 实现电机的自锁；

（4）. 实现示教编程及在线修改程序；

（5）. 可以设置参考点，使机器人在空间有一个固定的参考位置，可以回参考

点。

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4.2 实现方法

以模块化程序设计思想为指导，以预期要实现的功能作为各个模块，设计控制软件。

从图3.1可以看出，工控机通过数据采集控制 。编程的任务其实就是用计算机控制数据采集卡使之发出或获取一系列数字量、模拟量。

研华公司的数据采集卡驱动程序中，附带许多与板卡相关的函数和数据结构以供使用，极大的方便了程序编写。 本文采用了Visual C++作为编程工具。 4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 在BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()函数中， 设置定时器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)，

然后在void CRobotDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)函数中，

通过调用bool CRobotDlg::position_now(USHORT ka1_chan)，采样电位器输出电压，通过前面的电位器标定函数，换算出各个关节的角度，并显示出来。

在void CRobotDlg::OnChangeAngle?Edit()函数中（?表示1，2，3，4，5）， 将换算出的角度与该关节预设的运动范围作比较，看其是否在此区间内，否则弹出警告对话框，并且自动停止该关节的运动。

4.2.2直流电机的伺服控制

对于大功率的直流电机，一般采用PWM控制来调节运行速度，这样可以提高电路及电机的运行效率，而本文中的电机功率并不是很大，为方便期间，采用了线性控制方法来调速。

以关节1为例，与该模块相关的函数有OnZ1Button(), OnF1Button(), OnT1Button()，它们分别表示用来控制电机的正转、反转和停止，其中电机的运行速度靠输入的电压值调节；另外一个函数OnRun1Button()是用来实现电机的位置伺服控制，在预定的关节角范围内，电机可以运行到任何一输入的位置停止。

4.2.3电机的自锁

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前面在2.7节中讲到该机器人关节上未装制动器，所以必须通过软件程序实现关节的自锁，尤其是肩关节和肘关节的自锁。

解决思路：大臂和小臂在电机运转时不会由于重力而掉落，在电机停止的时候却会下落，因为电机一旦停止，就失去了驱动力矩，因此若想让大臂和小臂停止在预定位置，应该在此位置给关节电机施加一个电压，让它担负起大臂或小臂，而不让其由于重力而下落。但是，在不同的位置，重力对大臂或小臂的力矩不同，应提供给电机的电压也不同，如何选取电机的电压呢？

提供给电机的电压小了，不足以抵抗重力的力矩；提供给电机的电压大了，会使电机转动，使大臂或小臂上升；所以，最好能通过程序来自适应选择这个制动电压，方法有多种，下面是本文的设计过程。 程序设计方法一：

在调用在OnT2Button()或OnT3Button()函数时，先给电机一个0电压，使电机失去驱动力矩，同时调用position_now(USHORT ka1_chan)函数获得此刻的关节位置，然后延时一段时间比如0.1s，再给电机一个小电压，形成一个小的制动力矩，通过采样此刻位置看其是否能使关节制动；如果不能，则使该电压值按照一定的步长线性增加，以增大制动力矩；这通过一个while()循环实现，如果采样位置不再减小，则表示大臂或小臂已停止下落，可跳出循环。

下图为程序流程图：

方法一验证：

循环采样一直到采样值fVoltage>=fVoltage_former 跳出循环，表示大臂或小臂已经制动在自所位置了 考虑到大臂或小臂上升时的惯性， 循环采样一直到采样值fVoltage<=fVoltage_former 跳出循环，表示大臂或小臂已经开始下落了 使电机电压为0，并采样此时位置，将电位器输出值存放在fVoltage_former中 调用OnT2Button()或OnT3Button()函数 串联手臂式机器人设计与分析

用方法一编写的程序，调用OnT2Button()或OnT3Button()函数后，对于正在上升的臂可以实现很好的制动，而对于下降的臂则不可靠，有时候下降的臂停止下落后会反弹又向上运动。

定性分析其原因是由于上升的臂在电机失去驱动力矩后，在重力作用下会慢慢下落，下落初速度为0，静止后的速度变化不大，制动时间短，容易制动；而下降的臂失去驱动力矩后，在重力作用下仍以原来的速度下落，静止后的速度变化较大，制动时间长，很容易使制动电压的线性增长时，超过平衡重力所需要的电压，从而导致反弹现象的发生，其实质是由于电压的超调造成的。

此后，针对这种反弹现象对程序作过多次修改，结果都不太理想，所以就尝试换一种方法。

程序设计方法二：

方法二采用传统的PID控制，电压超调后还可以减小，可以避免反弹现象的发生。

下图为程序流程图：

进入for循环 延时tms，再次采样，取得误差量， 使e2=e1，e1= fVoltage_former- fVoltage; 误差积累sume+=fabs(e1) 使电机输出电压v=kp*e1+ki*sume+kd*(e1-e2) 延时tms，再次采样，取得误差量 e1= fVoltage_former- fVoltage 使电机电压为0，并采样此时位置，将电位器输出值存放在fVoltage_former中 调用OnT2Button()或OnT3Button()函数 串联手臂式机器人设计与分析

方法二验证：

用for函数控制循环次数，经过n此循环后，跳出循环，大臂或小臂已停止下落实现制动 由于方法二采用PID控制，需要选择合适的比例、积分、微分系数；另外还要选择for()循环中的延时时间t和循环次数n。

选择结果：kp=2.0, ki=0.02, kd=0.04，

t=10, n=10;

所以最终制动时间为n*t=100ms 总结：

对于方法二，其控制框图如图4.1所示：

图4.1

4.2.4示教编程及在线修改程序

设计方法：当机器人停止在某个位置时，可以记录下在该位置所对应的一组关节角，这一组关节角用一个结构体存储

struct position {

float Voltage1; float Voltage2; float Voltage3; float Voltage4; float Voltage5;

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}

struct position *next;

记录的位置同时显示在列表框中，记录位置不超过1000个。 为了便于对这些位置作修改，本文采用链表来动态存储这些结构体。 当记录结束以后，就可以运行刚才记录的一系列位置了，由于采用链表结构存储程序，所以取用这些程序很方便，只需用一个指针从链表首部开始取程序，逐行运行，至到链表末尾即可。

程序运行的时候，机器人各个关节同时运动，工作效率高；正在运行的那行程序，以高亮状态显示。

另外，对于记录的位置可以做删除、清空等操作。

4.2.5设置参考点及回参考点

程序启动或退出的时候，机器人应停留在预设的参考点上，这个参考点在初始对话框函数BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()中预先设置。在程序运行期间，使用者也可以自行设置。

回参考点的程序和回放示教程序一样，不过回参考点只是运行到一个位置。

第5章 总结

5.1 所完成的工作

（1） 对实验平台的改造

本文利用的是报废的焊接机器人，要改造成送料机器人，不但要对末端执行机构进行重新设计，还要重新布线。

（2） 对关节轴电位器进行重新标定

由于标定电压不同，标定曲线和所得的函数关系就不同，本文选用的是10v电压。

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（3） 设计端子板电路及驱动电路

端子板是计算机、板卡控制信号端与机器人电路端的“桥梁”，承担着信号调理、驱动放大等任务。

（4） 控制软件的设计

软件是机器人的“大脑思维”，软件的设计就是将人的意志赋予机器人的“大脑”。

5.2 设计经验

（1） 底座设计成长方体不合理

当腰关节在不同的位置时，肩关节运动的下限不同，不便于编程；最好将底座设计成圆柱体，并且下面带有法兰支撑。

（2） 最好安装机械制动装置

仅依靠程序来实现制动并不可靠，例如突然掉电，将无法制动。 （3） 电机上应安装放电回路

电机相当于一个线圈，在电机启动或者停止瞬间，会产生很高的感应

电动势，很可能会对电路中的元器件造成破坏，所以要加上稳压或者续流元件。

（4） 电位器输出电压会在一定范围内会有无规则的波动

由于电位器材料电阻率分布的不均匀以及电刷滑动时接触电阻的无规律变化，会引起所谓的“滑动噪声”。这导致电位器反馈电压并不准确。

（5） 关节角的方向及电位器的安装

关节角最好符合关节角坐标系，并且电位器输出电压最好随关节角的增大而增大，这样便于编程。

5.3 误差分析

本文中每个关节的角度误差在±2°左右，由于是开环机构，所以综合叠加起来，末端误差可能会较大，并且重复精度不够。 下面简要分析一下误差的来源：

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（1） 工作台、基座的上下表面平行度误差，腰关节转轴的垂直度误差，

以及其它关节之间的平行度误差

（2） 齿轮、轴承的间隙，齿形带的变形不均匀 （3） 装配误差

（4） 各关节轴的回转误差，各连杆的受力变形误差； （5） 运行时，机械部分的振动

（6） 电位器的滑动噪声，以及电源的不稳定都会导致反馈电压的不准确 （7） 用程序实现制动不如机械制动装置反应快

5.4 可以继续探索的方向

（1） 对于本文中的示教编程部分，将程序稍作修改，就能实现对示教程序的保

存和离线修改，进而也容易实现离线编程。

（2） 可以用Opengl或者ADAMS订作一个虚拟场景，进而实现虚拟示教编程，

这样会更加安全和方便。当然手工编写的程序代码也可以在此虚拟场景中运行，以验证其合理与否。

（3） 通过虚拟场景和网络，也可以进一步实现对机器人的远程监测和控制。 （4） 还可以尝试在原有实验平台上加上视觉反馈。 （5） 控制界面如果用LabView设计，可能会更方便些。

（6） 通过进一步完善控制方式和控制结构，可以将控制系统的软件嵌入到嵌入

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式系统上去。

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致 谢

衷心感谢导师王效岳教授和张妍斐副教授对本人的精心指导。他们的言传身教将使我终生受益。二位导师广博的学识和严谨的治学态度将使我受益终生。

感谢318教研室的全体老师和同学多年来的关心和支持！感谢所有关心和帮助过我的人们！

参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kg57.html