工业机器人设计.doc

工业机器人总体设计方法摘要：本文介绍了工业机器人的总体设计思想及其研制，开发的顺序，并通过五自由度码垛机器人的设计实例，分别讨论了机器人动作机能，机械结构，控制方式，操作方法及计算机控制系统方案的决定方法。关键词：工业机器人；设计 AN OVERALL DESIGN METHOD OF INDUSTRIAL ROBOTSAbstract:The overall design consideration of industrial and the steps of development of them are described in this paper. The action capability, mechanical structure, control, operation and computer control system of robots are also discussed through the design of the Five-DOF palletizing robot.Key words: industrial roborts；design1、工业及机器人的总体设计思想及其开发顺序 工业机器人是典型的机电一体化产品，需采用系统的观点，立足全局，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用，可以实现功能互补。因此，研制开发工业机器人是一项难度较大的工作，需要有有充分的技术准备与一定的物质条件。一个完整的工业机器人可以分为三部分：传感部分、控制部分和机械部分。其中传感部分包括感知系统和机器人与环境交互系统，控制部分由人机交互系统和控制系统构成，机械部分则包括机械驱动系统和具体机械结构系统。一般机器人的总体设计及其开发顺序如下：1.1明确研制开发工业机器人的目的 根据研制开发工业机器人的不同目的，其总体设计是有很大差别的。一般来说，机器人的研制可分为两大目的，即以研究为目的机器人与针对某种用途的专用工业机器人。前者主要追求它的通用性和扩展性；后者则主要追求它的实用性和低成本。1.2明确工艺要求，作业内容与机器人的动作机能 工艺要求与作业内容直接决定了机器人的动作机能。机器人动作机能的实现，又牵扯到机器人机械机构，控制方式及其控制系统的组成。1.3机构的决定 根据作业要求，决定其机械结构的形式（坐标形）及其自由度的分配和传动方式。1.4控制方式的决定 控制部分是整个机器人设计的关键，其结构和功能的划分与及设计的合理性对提高机器人系统的整体可靠性、实用性有重要的意义，它除满足工作性能要求外，需具有较强的可靠性、较高的运行速度以及较好的性价比。1.5软件设计 在T/P（示教/再现）方式工业机器人中，应有机器人的动作机能和所采用的语言形式，来确定操作盘，示教盘按键的种类，排列及其意思。按照实时控制的要求，进行计算机硬件（接口，容量，扩展余地等），软件（机器人语言，模块分类，系统框图等）的分工及其协调设计。1.6反复讨论，协调总体方案 这是最关键也是花费时间的一环。有些环节往往需要经过反复试验才能最后确定。2.五自由度码垛机器人总体设计举例 本课题以米袋的抓取搬运为对象，研究机器人在系统中的应用，确定机器人的任务要求和基本技术参数，进行机器人的总体方案设计。 下面以五自由度码垛机器人为例，介绍其总体设计方法：2.1目的 设计一台五自由度用于搬运码垛的机器人，机器人能稳定抓取并搬运物体。2.2工艺、作业要求与机器人的动作机能 在机器人设计过程中，首先考虑其作业要求，即性能方面需满足负荷要求、精度要求、速度要求、环境要求等，几何方面在满足空间姿态要求前提下尽量使结构紧凑。机器人是一种多自由度组成的高精度空间运动机械，必须具有运动的灵活性和准确性，以及动态性能的平稳性。因此，机器人与普通机械设备相比，除满足强度、刚度等之外，还必须具有轻巧灵活的构形和良好的动态性能。设计具有空间搬运、码垛功能的机器人，将机器人的手爪开合机构送到待抓取的目标物体处。机器人距离目标物体较远的时候设计机器人接近目标物体，当目标物体距离机器人较近时（大约几毫米的距离）设计机器人放缓抓取速度，以较慢的速度接近目标物体，然后通过触觉和滑觉传感器的信号反馈，采用自适应控制技术实现对目标物体的稳定抓取后并搬运。 该工业机器人的作业工序为：位置检测抓取并夹持搬运（包括提升、翻转、旋转等动作）放置快速返程，其工作流程框图如下图 2.1所示：图2.1 机器人工作流程图2.3机械结构的决定 机械结构主要取决于：（1）作业的空间范围；（2）姿势的控制；（3）动作速度；（4）负载能力；（5）位置决定精度等。 工业机器人可以按照预先设定的程序去完成一定的作业，例如，搬运物体、装卸零件以及操持喷枪、焊把等工具，可在繁重、高温和多粉尘等较差工作环境的作业中部分代替人工操作。工业机器人主要由执行机构（即机械部分）、驱动机构、和控制机构（包括传感检测装置）三大部分组成。2.3.1执行机构 通过对设计要求的分析，大体确定了五自由度码垛机器人的设计方案，机器人的手爪部分，采用的是回转型夹钳式，两个配合夹爪上安装触滑觉传感器和接近开关；手臂部分拟采用三自由度结构形式，分别为两个移动自由度和一个回转自由度，以满足搬运作业的空间位置要求；躯干部分采用腰部回转方式；即四关节五自由度机器人，方案如图2.2所示，四个关节分别为腰关节、立臂关节、悬臂关节、腕关节，五个自由度分别为腰部回转，立臂竖直移动、悬臂水平移动、腕关节俯仰及手爪开合。图2.2 机器人臂构型2.3.2驱动机构 机器人驱动系统的设计往往要受到作业环境条件的限制，同时还要考虑价格因素的影响以及所能达到的技术水平。机器人常用的方式主要有：液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。综合考虑控制的方便性、可靠性、各种驱动式的优缺点以及系统整体上的经济性，对机器人各关节的驱动方式采用如图 2.3所示的步进电机构成的开环驱动控制方式。步进电机驱动方式，可以大大简化系统结构，减轻计算机的运算负担，并且可以降低成本和提高可靠性。 图2.3 机器人驱动方式图 2.4 机器人运动方案2.3.5运动方案的确定常用于码垛、搬运等的机器人类型有直角坐标型、圆柱坐标型、水平关节型、垂直关节型。根据抓取机器人工作任务特点和类型特征，为了使它具有一定的操作灵活性和较好的使用性能，在结构设计上采用圆柱坐标型即可满足工作要求。整个机器人系统设计为四关节五个自由度，各部分的运动方式及其尺寸如图2.4所示。2.3.6传动方式的分析选择 传动装置的作用主要是将驱动元件的动力传递给机器人相应的执行部件，以实现各种预定的运动。工业机器人的传动系统要求结构紧凑、质量轻、转动惯量和体积小，要求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。根据此要求五自由度码垛机器人各关节所采用的传动方式分别为： 腰部回转：步进电机 1圆柱齿轮组腰部； 立臂竖直移动：步进电机 2丝杠螺母立臂； 悬臂水平伸缩：步进电机 3丝杠螺母悬臂； 腕部摆动：步进电机 4锥齿轮组腕部； 手爪开合：步进电机 5丝杠螺母手爪。2.4控制方式的决定 控制部分是整个机器人设计的关键，其结构和功能的划分与及设计的合理性对提高机器人系统的整体可靠性、实用性有重要的意义，它除满足工作性能要求外，需具有较强的可靠性、较高的运行速度以及较好的性价比。为此，在比较分析了当前机器人广泛采用的控制器结构及计算机技术的发展之后，提出了采用 TMS320 系列 DSP 芯片作为机器人的核心控制器，并对控制系统的硬件和软件结构进行了设计。 五自由度码垛机器人控制模块包括核心控制器模块、电机驱动模块、传感器模块三大模块，其中，核心控制器模块作为核心控制其他模块。本设计中选用 TMS320F2812 芯片作为核心控制模块驱动电机两相四线混合步进电机，步进电机的正反转控制是通过程序运行实现的；选用 SR8 驱动器驱动步进电机，其相数、通电方式和电压、电流都满足步进电机的需要；选用红外线传感器和触滑觉传感器作为反馈电路的核心器件。图2.5 硬件组成框图 机器人控制系统的硬件组成如图2.5所示，包括红外线传感器、PVDF 触滑觉传感器、TMS320F2812 芯片、步进电机、SR8 驱动器等。2.5软件设计 硬件设计是机器人控制系统的躯体，软件设计则是整个控制系统的大脑，是人的思维与系统硬件之间的桥梁。软件系统的优劣关系到整个机器人系统的正常运行、硬件功能的发挥以及控制性能的优劣等。机器人控制的软件部分主要包括自检及初始化模块、抓取控制模块、触滑觉信号处理模块、步进电机控制程序模块。五自由度码垛机器人的作业工序为：位置检测抓取并夹持搬运（包括提升、翻转、旋转等动作）放置快速返程，同时为提高堆垛效率，设置了 A 和 B 两个码垛位，根据以上要求，设计的其中一个码垛位的工作流程控制程序如图2.6所示。 图2.6 工作流程控制程序图2.6总体方案的协调在初步完成总体方案之后，要对部分子系统进行试验，以证明总体方案是可行的。如果通过试验，不能满足某些技术要求，则要重新协调各个子系统之间的任务分配，直至满要求为止。3总结这段时间通过对机器人总体设计相关文献的阅读，使得对其有了深刻的了解。在当今大规模制造业中，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。完善的机器人设计保障了机器人的性能，缩短了机器人的开发周期，从而提高了企业生产效率，保障了产品质量。参考文献1 余达太，马香峰，李春寿等.工业机器人的总体设计方法J.自动化学报， 1987.5,13（3）：191-1972 黄贤新.工业机器人机械手设计J.装备制造技术，2012,3:220-221.3 余晓明.四自由度码垛机器人设计及其控制系统性能研究D.西南交通大学，20054 程立艳.五自由度机械手的抓取设计D.西华大学，20125 杨林.工业机器人机械设计方法与机器人算法研究D.五邑大学，20136 周兰.工业机器人总体设计EB/OL.http:/wenku.baid