柑橘采摘機機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算
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摘 要
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)柑橘采摘機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)柑橘采摘機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)柑橘采摘機器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本文將設(shè)計一臺五自由度的工業(yè)柑橘采摘機器人，用于給采摘水果。首先，本文將設(shè)計柑橘采摘機器人的底座、大臂、小臂和機械手的結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的傳動方式、驅(qū)動方式，搭建柑橘采摘機器人的結(jié)構(gòu)平臺；在此基礎(chǔ)上，本文將設(shè)計該柑橘采摘機器人的控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計以及控制軟件的設(shè)計，重點加強控制軟件的可靠性和柑橘采摘機器人運行過程的安全性，最終實現(xiàn)的目標包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測柑橘采摘機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、柑橘采摘機器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。
關(guān)鍵詞：柑橘采摘機器人，示教編程，伺服，制動
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
目 錄
第1章 緒論…………………………………………………………………… 1
1.1 柑橘采摘機器人概述………………………………………………… 3
1.2 柑橘采摘機器人的歷史、現(xiàn)狀………………………………………… 4
1.3 柑橘采摘機器人的發(fā)展趨勢…………………………………………… 5
第2章 柑橘采摘機器人機械手的設(shè)計…………………………5
2.1自由度及關(guān)節(jié)……………………………………………………………6
2.2 基座及連桿…………………………………………………………… 7
2.2.1 基座……………………………………………………………… 8
2.2.2 大臂………………………………………………………………9
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 10
2.3 機械手的設(shè)計……………………………………………………………12
2.4 驅(qū)動方式…………………………………………………………………13
2.5 傳動方式…………………………………………………………………14
2.6 制動器……………………………………………………………………15
第3章 控制系統(tǒng)硬件……………………………………………………………16
3.1 控制系統(tǒng)模式的選擇……………………………………………………17
3.2 控制系統(tǒng)的搭建………………………………………………………18
3.2.1 工控機……………………………………………………………19
3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡………………………………………………………20
3.2.3 伺服放大器……………………………………………………21
3.2.4 端子板……………………………………………………………22
3.2.5電位器及其標定…………………………………………………22
3.2.6電源………………………………………………………………23
第4章 控制系統(tǒng)軟件…………………………………………………………24
4.1預(yù)期的功能……………………………………………………………25
4.2 實現(xiàn)方法……………………………………………………………26
4.2.1實時顯示各個關(guān)節(jié)角及運動范圍控制 ……………………26
4.2.2直流電機的伺服控制……………………………………………27
4.2.3電機的自鎖………………………………………………………28
4.2.4示教編程及在線修改程序………………………………………29
4.2.5設(shè)置參考點及回參考點…………………………………………30
第5章 總結(jié)………………………………………………………………………32
5.1 所完成的工作…………………………………………………………33
5.2 設(shè)計經(jīng)驗………………………………………………………………35
5.3 誤差分析………………………………………………………………36
5.4 可以繼續(xù)探索的方向………………………………………………… 38
致 謝………………………………………………………………………………39
參考文獻……………………………………………………………………… 40
第1章 緒論
1.1 柑橘采摘機器人概述
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。柑橘采摘機器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。
“工業(yè)柑橘采摘機器人”（Industrial Robot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)柑橘采摘機器人或通用柑橘采摘機器人）。
柑橘采摘機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。柑橘采摘機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點的柑橘采摘機器人稱為專用柑橘采摘機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用柑橘采摘機器人。
簡而言之，柑橘采摘機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。
柑橘采摘機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用柑橘采摘機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作柑橘采摘機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)柑橘采摘機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種柑橘采摘機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
柑橘采摘機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型柑橘采摘機器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為柑橘采摘機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名柑橘采摘機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的柑橘采摘機器人。
要柑橘采摘機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運動的驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了柑橘采摘機器人的性能。一般而言，柑橘采摘機器人通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。
對于現(xiàn)代智能柑橘采摘機器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予柑橘采摘機器人“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及柑橘采摘機器人的觸覺裝置。柑橘采摘機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個柑橘采摘機器人的。要實現(xiàn)柑橘采摘機器人所期望實現(xiàn)的功能，柑橘采摘機器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。
柑橘采摘機器人的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是柑橘采摘機器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供柑橘采摘機器人各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足柑橘采摘機器人各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動.3 誤差分析
本文中每個關(guān)節(jié)的角度誤差在±2°左右，由于是開環(huán)機構(gòu)，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會較大，并且重復(fù)精度不夠。
下面簡要分析一下誤差的來源：
（1） 工作臺、基座的上下表面平行度誤差，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差，以及其它關(guān)節(jié)之間的平行度誤差
（2） 齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻
（3） 裝配誤差
（4） 各關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)誤差，各連桿的受力變形誤差；
（5） 運行時，機械部分的振動
（6） 電位器的滑動噪聲，以及電源的不穩(wěn)定都會導(dǎo)致反饋電壓的不準確
（7） 用程序?qū)崿F(xiàn)制動不如機械制動裝置反應(yīng)快
5.4 可以繼續(xù)探索的方向
（1） 對于本文中的示教編程部分，將程序稍作修改，就能實現(xiàn)對示教程序的保存和離線修改，進而也容易實現(xiàn)離線編程。
（2） 可以用Opengl或者ADAMS訂作一個虛擬場景，進而實現(xiàn)虛擬示教編程，這樣會更加安全和方便。當(dāng)然手工編寫的程序代碼也可以在此虛擬場景中運行，以驗證其合理與否。
（3） 通過虛擬場景和網(wǎng)絡(luò)，也可以進一步實現(xiàn)對柑橘采摘機器人的遠程監(jiān)測和控制。
（4） 還可以嘗試在原有實驗平臺上加上視覺反饋。
（5） 控制界面如果用LabView設(shè)計，可能會更方便些。
（6） 通過進一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)，可以將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。
致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計，是于德弘老師考慮到學(xué)生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次訓(xùn)練，提高了自己的動手能力、設(shè)計能力和編程水平，為學(xué)生日后順利進入柑橘采摘機器人這一深邃的科研領(lǐng)域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計，學(xué)生收獲頗多，這與于老師的悉心指導(dǎo)是分不開的。于老師身體狀況欠佳，且公務(wù)繁忙，但是還是經(jīng)常抽時間來視察學(xué)生畢業(yè)設(shè)計進度，就畢業(yè)設(shè)計過程中遇到的問題給予耐心指導(dǎo)，敦敦教誨，身體力行，實在令學(xué)生欽佩感動不已！特此，學(xué)生鄭重向于老師表示感謝！
另外，學(xué)生還要感謝何玉成師兄和任小剛師兄，他們在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！
參考文獻
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1． 設(shè)計（論文）擬解決的主要問題 （ 1） 針對柑橘結(jié)構(gòu)特點提出柑橘采摘機機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案； （ 2） 對機械臂各部分結(jié)構(gòu)進行詳細的設(shè)計與計算； （ 3） 對機械臂進行運動學(xué)及動力學(xué)仿真分析。 2．設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容和基本要求 主要內(nèi)容 ： 機械臂的結(jié)構(gòu) 設(shè)計。 （ 1） 針對柑橘結(jié)構(gòu)特點提出柑橘采摘機機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案； （ 2） 對機械臂各部分結(jié)構(gòu)進行詳細的設(shè)計與計算； （ 3） 對機械臂進行運動學(xué)及動力學(xué)仿真分析。 基本要求： （ 1） 機械臂伸縮及轉(zhuǎn)向靈活，能夠完成機械臂基座左右 圍內(nèi)的柑橘采摘，采摘高度范圍為 2m；機械臂完全伸長后的總長度是 滿足六個自由度，一個旋轉(zhuǎn)自由度。手臂至少四段。 （ 2） 車長 1m 寬 （ 3） 機械臂動作連貫、采摘效率高 ； （ 4） 設(shè)計圖樣全部用計算機繪制，符合最新制圖標準；投影正確，表達完整，布局合理； （ 5） 設(shè)計推導(dǎo)簡明扼要，計算正確可靠。 （ 4） 推薦參考文獻（ 5 篇以上 ，其中外文文獻至少 2 篇） [1] 姜麗萍 ,陳樹人 J] 2006，32（ 1）： 8[2] 張立彬 ,楊慶華 ,胥芳 ,鮑官軍 ,阮健 J]2004, 20(3):271[3] 任燁， 蔣煥煜，申川 J] 2007， (3)： 201[4] 李三玉，梁森苗，汪國云，等 — 柑橘 [M]2002. [5] 張鐵中 ,徐麗明 J]2001（ 2）： 14－ 15 [6] ]. of 1998 [7] of on of a ]. of 68):215