外文翻译--一个具有竞争力的低成本的四自由度机械人手臂的设计与开发

1、 外文翻译Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of Freedom一个具有竞争力的低成本的四自由度机械人手臂的设计与开发 系 别： 机械工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导老师： 职称： 教授 完成日期 2014年 3月摘 要这项工作的主要重点是设计，开发和实施具有竞争力的机器人手臂具有增强控制和粗短的成本。机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成精确简单的任务，如光材料处理，这将被整合到了作为一个助理为工业劳动力的移动平台。机器人手臂上配有数个伺服电机的臂之间做链接和执行的手臂动作。伺服电机编码器包括使没有控制器实施。控制我们使用LabVIEW ，它执行逆运动学计算和串行通信的适当的角度，以一个微控制器，驱动伺服电机，修改的位置，速度和加速度的能力的机器人。机器人手臂的测试和验证，进行和结果表明，正常工作。关键词：机器人手臂，低成本，设计，验证，四自由度，伺服电机， Arduino的的机器人控制， Labview的机器人控制目 录1引

2、言12机械设计13机械手逆运动64最终选择效应65机械手的控制75.1逆运动学控制85.2 手动96测试和验证107结果与讨论117.1伺服电机运动范围117.2 电流消耗127.3 最大负载127.4 最终位置128 结论13参考文献141引言机器人实际上是定义为研究，设计和使用机器人系统的制造1。机器人通常用于执行不安全的，危险的，高度重复的，和单调的任务。它们具有许多不同的功能，如材料处理，组装，电弧焊接，电阻焊接，机床的装载和卸载功能，刷涂，喷涂等。主要有两种不同类型的机器人：一个服务机器人以及工业机器人。服务机器人是机器人，工作半或完全自主地去履行服务，有用的福祉人类和设备，但不包括生产操作2 。工业用机器人，在另一方面，被正式通过ISO定义的自动控制和多用途可编程操纵器在三个或更多个轴3。工业机器人是移动的材料，零件，工具，或通过可变的程式动作的专门设备来执行各种任务。工业机器人系统不仅包括工业机器人，但也能够执行其任务以及测序或监视通信接口需要对机器人的任何设备和/或传感器。2007年全球市场增长了3，约114,000新安装的工业机器人。截至2007年底，全国共有大约一万

3、个工业机器人的使用，估计有50,000服务机器人用于工业用途比较3 。由于增加使用工业机器人手臂，演变到该主题开始试图模仿人类动作的细节模式。例如一组学生在韩国做创新的设计，为舞蹈的手，举重，中国书法和颜色分类机械臂考虑4 。另一组工程师在美国开发八个自由度机械臂。该机器人是能够把握多个对象与很多从笔形状的一球，也模拟人类的手5。在空间上，航天飞机遥控器系统，被称为SSRMS或Canadarm ，其继任者是例子多度已经用来执行各种使用专门部署热潮的任务，例如航天飞机的检查自由机械臂有摄像头和连接在末端执行器和卫星的部署和检索演习从货舱航天飞机传感器6 。在墨西哥，科学家们已经上了轨道设计和发展许多机器人的手臂，墨西哥政府估计，在墨西哥有在不同的工业应用中使用了大约11,000机械臂。不过，专家认为，机器人手臂的最高点，不仅质量更高，而且准确，可重复性和粗短的成本。 大多数机器人都设置了一个操作的示教和重复技术。在这种模式下，一个训练有素的操作者（编程器）通常使用的便携式控制装置（示教）手动教机器人的任务。在这些编程会话机器人的速度很慢。 目前的工作是一个两阶段的项目，这需要一个移动机器

4、人能够运送工具从存储室到工业单元的一部分。在这个阶段中的项目，该项目开展了在科技，墨西哥蒙特雷大学，主要的重点是设计， 制定和实施了工业机器人手臂粗短的成本，准确和优越的控制。这个机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成简单的任务，如光队友里亚尔处理，这将被整合到移动平台的形式，作为一个助理为工业劳动力。2机械设计 机器人手臂的机械设计是基于一个机器人操作器具有类似功能的一个人的手臂6-8。这样的操纵器的链接是由关节，允许旋转运动和操纵器的链接被认为形成一个运动链连接。机械手的运动链的业务最终被称为末端效应器或臂端的 - 工具，它是类似于人的手。图1显示了自由体图的机器人手臂的机械设计。图1 机械手的自由体图 如图所示，端部执行器不包括在设计，因为市售的夹持器被使用。这是因为端部执行器是系统中最复杂的部分之一，并且，反过来，这是很容易和经济地使用商业化生产它。 图2示出了机器人手臂的工作区域。图2 机械手工作区域图这是一个机器人臂具有四个自由度（DOF 4）的典型的工作空间。机械设计仅限于4自由度，主要是因为，这样的设计允许大部分必要的运动，并保持 成本和机器人竞争的复杂性。因此，关节

5、的旋转运动被限制，其中旋转的肩完成围绕两个轴和周围只有一个在肘和手腕上，参见图1。 机器人手臂的关节通常是由驱动的电气马达。伺服电动机被选择，因为它们包括编码器，它可以自动提供反馈给电动机并相应地调整位置。但是， 这些电动机的缺点是转动范围小于180跨度，从而大大减小了臂和可能的位置到达该区域的9。的基础上，选定了伺服电机的资格 由结构和可能的负载所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于构造的材料是丙烯酸树脂。 图3示出用于负载计算的力的图。的计算均只对具有最大负荷关节，由于其他关节将具有相同的电机，即电机可以移动的链接没有问题。计算考虑了权重 的电动机，约50克，除电机在关节B的重量，因为它是通过链接的BA。图4示出了力示意图上链路CB，它包含接头（B和C）具有最高的负载（携带了该书的DC和ED）和计算如下进行。图3 机械手负载分布图图4 CB段负载分布图用于扭矩计算的值： WD= 0.011千克（体重链接的DE） WC= 0.030千克（体重链接的CD） WB= 0.030千克（体重链路的CB） L = 1千克（负载） CM = Dm为0.050公斤（重电机） LBC为0.14米（公元

6、前链路的长度） 液晶显示屏为0.14米（链接的CD长度） 斯= 0.05米（LINK DE的长度） 执行力之和在Y轴，用负载，如图4中，并求解CY和CB，见方程（1） - （4）。同样，执行的时刻周围的点C的总和，式（5），和点B，方程 化（6），以获得在C和B，等式（7）和（8），分别在转矩。 （6） （7） （8）该被选择的基础上，计算在伺服马达，是Hextronik HX12K ，其具有280盎司/英寸的扭矩。该电动机被推荐，因为它比任何其他电机与同样规格便宜得多。由于我们需要更大的扭矩在关节B，见公式（8） ，我们使用两个电动机在点B处，以符合扭矩要求;然而，一个马达是不够的其它关节。采用两台电机的合资B比使用一个大电机560盎司/英寸便宜得多。图 5 伺服电机可以在图5中示出，其他有关的特征是，它们可以转动60度，在130毫秒和它们有各自47.9克的重量。一旦被定义为机器人手臂和电机的初始尺寸，设计进行了使用SolidWorks平台;设计应仔细考虑丙烯酸类片材的厚度和该块将被彼此连接的方式。用于使机器人的聚丙烯酸酯片材是1/8厚度和该薄片的选择，因为它更容易加工和更轻的重量以

7、良好的抗性。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。它是需要工具来烧，并加入丙烯酸零件和未提供的和球队认为机械结基于螺钉和螺母会比其他的替代品，如胶如多强。为了做到这一点，一个小的特征，设计这允许紧固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸层的螺丝。这个过程的结果是在图6所示立体设计。 图 6 机械手3D模型按照设计的结束，每个部分被印在满刻度的硬纸板，然后我们核实了所有尺寸和组件的接口。反过来，我们建立了机器人手臂的第一个原型。接着，上述机器人手臂的部件从使用圆锯和皮肤的工具的聚丙烯酸酯片材进行机械加工。的详细说明在各部分被做在一个专业工场因为机器人手臂的部分太小，这并不是一件容易的实现这种小而准确的切割。在组装机器人部件的电机，几个问题弹出。有报道说，没有抵抗所述紧固，并且，反过来，可能会破裂的临界点;因此，在这些点援军进行了审议。机器人手臂的最终结果示于图7。 图 7 机械手总体装配图3机械手逆运动为了验证机械臂的定位准确，逆运动学计算进行。这样的计算来获得每个电机从通过使用直角坐标系，图 8 坐标系如图8所示的位置上的角度各电动机将具有特定功能：位于A结合的位

8、置的马达，在y的最终元件轴，马达B和C的位置在x和z轴的最后一个元件。该问题已经通过使用xz平面简化，如图9在其下面的已知值被定义在9 ：LAB ：前臂长度。LBC ：臂长。Z：在z轴上的位置。X：在x轴的位置。Y：在y轴的位置。利用三角关系，如图9所示， 2和1可以得到，如在方程（9）可见，（10）的马达角度。图9 XZ平面马达B将使用1和马达C被打算用2。的角度为马达A的计算公式为EEN在等式（11）。通过这些计算，伺服电机的角度得到，从而他们采取的行动，整个结构移动到特定位置。4最终选择效应 端部执行器可能是该系统的最重要和最复杂的部分之一。明显的，它是非常容易和经济地使用商业人比构建它。端部执行器主要是根据应用和机器人臂完成的任务而变化;它可以是气动，电动或液压。由于我们的机器人手臂是基于在电力系统中，我们可以选择末端效应器的电基础。此外，本系统的主要应用是处理，因此，我们的末端执行器的推荐类型是一个夹持器，如图10。 图 10 夹持器与伺服5机械手的控制该机器人手臂能自动或手动控制。在手动模式下，训练有素的操作人员（程序员）通常使用的便携式控制装置（示教）教一个机器人做手工任务。在机器人的速度这些编程会话是缓慢的。在目前的工作中，我们所包围的两种模式。一个微控制器，一个驱动器和一个台电脑化用户界面：三个层次的呈现机器人手臂的控制基本上由。该系统具有独特的特点，允许灵活的编程和控制方法，它是利用逆实施运动学;此外它也可以在全手动模式下实现。控制的电子设计示于图11。 图11 控制器的电子方案用微控制器是一个的Atmega 368 ，它有一个名为“ Arduino的”发展规划板，如图12 。图12 Arduino的微控制器板 图13 伺服控制器驱动器编程语言非常类似于C ，但包括几个库，帮助在I / O端口，定时器的控制和串行通信。该微控制器被选中因为它具有低的价格，这是很容易重新编程，该编程语言是简单的，并且中断可用于这个特定的芯片。所使用的驱动程序是一个六通道微大师伺服控制器板。它支持三种控制方式： USB直接连接到一台计算机， TTL串口与嵌入式系统，如Arduino的微控制器和内部脚本中使用自包含和主机无需控制器的应用。这个控制器，如图13所示，包括位置和内置的速度和加速度控器0.25微秒分辨率用户界面取决于所使用的控制方法，即，逆运动学

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