基于慧鱼模型的机构运动教学机器人设计.doc

摘要 11.1选题背景及意义 21. 2机器人及其相关技术概述 21.2.1国内外机器人发展现状 21.2.2机器人自动控制技术 31.3课题的冃标和主要研究内容 31.3.2论文主要研究内容 32. 1机器人任务要求和技术参数 52.2机器人运动形式的确定 62.3机器人驱动方案的对比分析及选择 72.4机器人传动方案的对比分析及选择 82. 4. 1腰部回转关节 82. 4.2手臂伸缩关节 82.5控制系统总体方案 83. 1机器人模块化设计方法 103.2机器人手部设计 113. 2. 1手部电机选择 113. 2.2手部传动方式选择 123.3机器人手臂设计 123.3.1手臂伸缩结构设计 123. 3.1手臂伸缩结构设计 133. 3.2手臂升降结构设计 143.4机器人立柱设计 153.4. 1电动机选择 153. 5机器人实验组装 163. 5. 1慧鱼创意模型简介 163. 5. 1. 1机械构件 163. 5.2机器人结构组装实验 163. 5.3机器人总体结构图 174. 1顺序控制的设计方法 194.2 R0B0控制系统软件设计 194. 2. 1控制系统的工艺流程 194. 2.2 控制系统流程图 204. 2.3 ROBO梯形图设计 204. 3 ROBO控制系统的调试 214. 3. 1调试前的准备工作 214. 3. 2 程序调试 214.4运行结果 225. 1全文工作总结 235. 2进一步研究设想 23参考文献 24ABSTRACT 25基于慧鱼模型的机构运动教学机器人设计摘要：随着机器人技术的发展和广泛应用，教学型机器人越来越受到科研单位以及高校的 重视。

本文以慧鱼创意组合模型为平台，设计并开发了一种教学型机器人一一三自由度机械手 首先对机器人的总体结构进行分析，确定驱动方案和传动方案，然后按照模块化设计方法组装 建立机械手结构，最后进行了机器人控制系统的研究本文的重点是机器人的控制系统的设计 控制系统釆用两级分布式结构，包括下位机的现场控制和上位机的监测系统两部分下位机采 用ROBO程序控制器，上位机采用PC机，软件上采用顺序控制法编制了机器人的梯形图程序， 并利用ROBO的通信功能，，实现了远程控制机器人的目的关键词：机械手控制系统ROBO慧鱼模型1概况及现状分析1.1选题背景及意义1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞牛于德国，是技术含量很高的工程技术 类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的 学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙報胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保 证反复拆装的同吋不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接， 独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充1.2机器人及其相关技术概述1.2. 1国内外机器人发展现状机器人从20世纪50年代诞生以來，在短短的50多年里得到了迅速的发展，经历了第 一代工业机器人的研究、实用化和普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第 三代智能机器人的研究等各个阶段。

现代工业机器人起源于数控机床和远程控制器1954年，美国的George. Devol首先把 远程控制器的杆结构与数控铳床的伺服轴结合起来，研制出了第一台通用机械乎这种机 械手可以通过让其沿一系列点运动，将运动位置以数字形式存储起來，动作执行吋，使伺 服系统驱动机械手各关节轴来再现这些位置，从而让机械手完成一•些简单的工作正是由 于这个机械手具有了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志mo在随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关节坐标、极坐标等许多种不同结构的机器人与第一代示教再现型机器人不同，第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人 这种机器人带有传感器，能感知环境和对象的情况以控制自身动作的变化在机器人视觉、 触觉研究的同吋，机器人其他感觉功能的开发也己经开始，对机器人的接近觉、听觉以及 会话等功能都进行了研究，并取得了一定的成果这种有感知功能的机器人已被广泛应用 于工业生产中的汽车制造、电子、机械等行业，从事焊接、油漆、装配、包装、零件加工、 搬运等专业性工作H前，这类工业机器人占总数的70%以上，全球正在工作的工业机器人 共有74万，我国有3000台左右。

智能机器人被人们称为第三代机器人，是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人 从七十年代后期开始，人们对智能机器人的规划生成系统（问题解决系统，路径搜索等）， 环境的理解系统（感觉智能，包括视觉，触觉等），知识获得与利用系统（知识工程和专家系 统等），人机接口系统，运动系统等问题展开了更加广泛深入地研究智能机器人的研究是 一个艰巨而又广泛的问题，随着研究的不断深入，相关科学的飞速发展，智能机器人在不 久的将来一定会出现我国的机器人研究开发工作始于上世纪70年代初，到现在已经历了 30多年的历程 前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢1985年后开始列入国家有关 计划，发展比较快特别是在“七五”、“八五”、“九五”机器人技术国家攻关和"863"高 技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展综上所述，我国机器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路今后的任 务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展 跨国区域交流合作，与国际接轨，早日跻身于世界先进行列1.2.2机器人自动控制技术一个完善的机器人系统，必须由-•个完善的机械系统和相应的控制器组成。

一个完善 的机械系统是机器人完成各种作业的必要条件：臂机构能把末端操作器伸到作业中任意的 预定位置，腕机构能保持任意的预定姿态，末端操作器能完成诸如夹持、释放等操作机 器人控制器的功能是控制机械系统的运动和操作，以满足作业要求在各种作业中，机器 人的运动主要表现为末端操作器沿预定的路径移动并保持预定的姿势，在运动中或在预定 的某些位置上完成作业规定的操作⑵为实现机器人的上述各种功能，每个机器人都配有相应的控制器机器人控制器由一 组硬件和软件组成，相当于机器人的“大脑”作为机器人系统不可分割的一部分，机器人 控制系统的工作原理、结构和机器人的功能、精度要求有密切关系随着计算机科学和自 动化水平的不断提高，人们在各种领域内大量采用计算机控制系统计算机控制系统的应 用使得科学研究、工农业生产、工艺实践的效率大大提高，同时也大幅度提高了产品和成 果的质量⑶1.3课题的目标和主要研究内容1.3.1论文研究目标本文以慧鱼创意组合模型为平台，设计并开发了一•种教学工业机器人——三自由度机 械手，并进行了机器人的系统研究该机械手的机械结构可以实现反复拆装，无限组合； 控制系统确定以R0B0为核心，控制机械手完成一系列复朵动作：如手爪张合，腰部回转， 水平手臂仲缩和垂直手臂升降等动作。

1.3.2论文主要研究内容（1） 教学机器人总体设计确定机器人的任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、驱动方案、 传动方案、控制系统方案等2） 机器人机械结构设计按照模块化的设计方法，将机器人分为手部结构、手臂和立柱三部分，分别对各个结 构的关键部件进行设计并校核，通过实验使用慧鱼零件搭建机械手的结构3） 控制系统的设计木课题是一个典型的“计算机控制系统”从系统总体的角度而言，它应包括硬件和软 件两大部分从硬件角度考虑，机械手控制系统以开关量为主，因此采用ROBO作为控制核心，主控 计算机作为上位机通过研究ROBO的工作原理，选用合适的传感器作为输入信号，电动机 作为输出信号，配置ROBO输入输出端子，对ROBO的输入输出电路进行了详细说明，最后 安装调试；上位机的主要任务是对现场采集来的信号进行显示、处理和动态监视，对机械 手的每个动作进行开关操作软件设计包括ROBO梯形图、状态转移图的设计和上位机监控软件的开发通过编写ROBO 手动运行和自动运行的梯形图程序，完成机械手的动作，实现把个人计算机建设成ROBO控 制系统终端的戸的2教学机器人的总体设计本课题所研究的教学型机器人即机械手系统是一个典型的机电一体化系统。

所谓的机 电一体化系统是指在系统的主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并 把机械装置、执行部件、计算机等电子设备以及软件等有机结合而构成的系统，即机械、 执行、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行组合而形成 的一种新型机械系统机电一体化系统由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成这三大部分可分为驱 动系统、机械结构系统、感受系统、机器人——环境交互系统、人机交互系统、控制系统 六个子系统，如图2-1所示该机械手的设计就是依据机电一•体化系统的组成原则进行⑷2.1机器人任务要求和技术参数机械手以双工作台流水线丄的工件为作业对象，完成上料和下料动作上料主要完成: 手爪夹取一垂直手臂上升一腰部旋转一水平手臂伸出一手臂下降一手爪张开这一系列动 作，将工件从送到流水线的传送带上下料完成：手爪夹取一腰部旋转一手臂下降一手爪 张开一系列动作，将加工好的工件从流水线的传送带丄夹取到指定位置该机器人的特点 是动作灵活、通用性强、结构较紧凑，能灵活抓取工件根据其用途和特点其技术参数如 表2-1所示：表2-1机器人技术参数表项目单位白由度数目3定位精度1mm负载能力（含末端执行器）0.3 kg几何尺寸185mmx260mmx270mm腰部转动180°手臂伸缩95mm手臂升降105 mm最大展开半径260mm木体总量2婕驱动系统育流电动机2.2机器人运动形式的确定机器人手臂部分的主要功能是使机械手达到空间的指定位置，一般需要有三个自由度。

由各关节按不同的配置方法可组合成结构类型各异的机器人，其坐标形式也各不相同，最 常见的机器人结构类型主要有下列几种：（1） 直角坐标型：通过沿x-y-z三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端执行器空 间位置的改变特点是定位精度高，结构简单，三个关节运动相互独立，其问没有耦合， 但是这种形式机器人占地面积大，操作灵活型差2） 圆柱坐标型：由一个升降直线运动关节，一个圆周旋转运动关节和一个水平直线运 动关节组合而成这种结构优点是动作过程中负荷变动少，容易控制，缺点是动作区域狭 窄3） 球坐标型：由二个回转运动关节和一个直线移动关节分别作为方向旋转关节、俯仰 旋转关节和径向直线运动关节组合而成特点是占地面积小，工作空间较大，但是移动关 节不易防护4） 多关节型：这类机器人由两个肩关节和一个肘关节进行定位，由两个或三个腕关节 定向其中一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰，这两个肩关节轴线正交 肘关节平行于第二个肩关节轴线这种结构动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的 干涉最小，结构紧凑，占地面积小但是结构比较复杂5） SCARA型：这种机器人由两个回转关节和一个移动关节组成回转关节控制前后、 左右运动；移动关节实现上下运动。

特点是结构轻便、响应快最适用于平面定位，垂直 方向进行装配的作业⑸⑹⑺针对本系统小机器人的任务要求，为了使它具有一定的操作 灵活性、较好的使用性和普及型，在结构设计上采用圆柱坐标型由度是指机器人所具 有的独立坐标轴运动的数其中不包括手爪（末端操作器）的开合自由度，手指的开合。