【机械臂协作系统设计8800字（论文）】

机械臂协作系统设计TOC\o"1-3"\h\u目录 绪论1.1研究背景机械臂涵盖了许多先进技术，其机械和电气集成度很高。它广泛用于连续生产线的重复工作。随着使用机械臂的技术的发展，该机械臂被用于具有高生产强度和高工艺要求的许多工业领域，例如焊接汽车的生产线和机械设备的装配线。工业机器人操纵器技术是近年来由于社会需求度增加以及科技发展迅速从而兴起的一项先进技术，具有很高的跨学科性：大多数研究和应用机构不断对机器人操纵器进行深入研究。近年来，机械臂的使用发展迅速。机器人机械臂具有以下优点：工作结构小，使用方式灵活，可连续高性能使用以及广泛的应用环境，因而在工业生产市场中得到了广泛应用。在20世纪60年代，一些国外发达国家开始更加重视工业领域中使用机器人武器的研究，随后开发了许多用于机器人武器的应用技术。国外的包括德国日本等机器人公司在工业机器人的开发和使用方面具有极高的技术水平和丰富的经验。随着从串行模型到标准化的逐步转变和现代化，市场对机器人操纵器的需求不断增长，机器人操纵器的性能指标不断提高，并且机器人操纵器的应用和解决方案领域在各个领域和生产环境中不断扩大。高度。对于世界上大多数工业动力，机械臂主要用于水泥，肥料，汽车，家用电器等批量生产企业。在机械臂较低的产品中，重量可以超过500公斤，速度可以超过0.8m/s工作半径可超过3.0m，重新定位精度可达到±0.1mm。与国内外的机械臂技术相比，在开发和应用上还存在较大差距。为了不断缩小使用机械臂的技术以缩小国内外差距并提高企业生产的自动化水平，机构和企业的许多研究都开始从事机械臂的自动化，智能应用技术。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状最早的外国曾经在核能领域使用机器人技术。以美国日本等先进技术国家在核能领域的机器人技术要早于国内。结果相对显著。最早开始研究核能机器人领域的时间可能是在1940年代。当然，较早开始的国家在这一领域仍然取得了相对可喜的成就。许多模型已在几个核电站中使用。其中以美国开发的带有遥控功能的人造机械臂M1最具有代表性，是世界上最早出现在核电站中的机械臂。在核电厂，它被用来转移危险的放射性物质，取代了旧的手动传输方法，并减少了对工人的辐射损害。此后，美国开发了用于核电站运行的Odex模型，并取得了良好的效果。1997年，世界上第一个双足步行机器人诞生于日本早稻田大学。研发后，该机器人用于执行核电站测试任务。日本的Monirobo核机器人是一种履带机器人，两条履带的最高速度可达40m/min。机械臂具有抓握功能，可以清除路径中的障碍物并完成采样。Monirobo有两个系列：红色MoniroboA和黄色MoniroboB。MoniroboA配备了各种传感器以完成环境检测，主要是在步行巡逻中。MoniroboB专注于机械臂的功能，该机械臂可以执行诸如收集环境样本和确定环境中气体浓度之类的任务。随着核电厂装机容量的增加，尤其是发达国家核能份额的增加，许多国家增加了在这一领域的投资，并开发了更稳定，可靠和智能化的核应用机器人，这应该属于核能领域发展趋势。1.2.2国内研究现状相比之下，中国对核动力机器人的研究起步相对较晚，而且大多数主要设备依赖进口。这是由国情决定的，部分原因是过去中国的核电厂数量很少，整个核能领域的设备交易范围也很小。基于上述原因，国内研究人员对该领域的热情低下，产品的稳定性和可靠性也是非常重要的因素。由于中国核能工业的飞速发展，大量外国用于核能的机器人设备被引入中国，这已成为许多核电公司所有者的主要选择。以这种方式购买的设备不仅昂贵，而且在维护设备方面面临困难。真正的核心技术仍在大型外国公司手中。这不再是仅购买外国设备的好方法。出台了国家大力发展核能战略后，中国核电站的建设达到了新的水平，国内核能市场需求巨大。技术研究工作。其中，最具代表性的是广东省核能集团正在与多家研究机构合作进行核能设备的研究和开发，并已设立专项资金来建立实验室，以扩大家用核能设备的研究和开发能力及标准。具体的发展领域包括：具有高抗辐射能力的水下机器人的方向，操作设备的无损检测的方向以及机器人自动维护的方向。机械臂运动学研究的主要内容是每个驱动关节与最终机械臂效应器之间的每个关节变量之间的关系。基础是研究关节空间和机械臂工作空间中的正负位置决定，然后从正负位置决定中寻找速度，加速度和时间之间的关系。张志强等人分析了混合机械臂的运动特性，首先，通过建立参考坐标系，获得了当驱动器的腰轴，驱动器的水平轴和驱动器的垂直轴发生变化时，最终执行器的空间位置与特定坐标系之间的矩阵变换之间的关系。该方法以简化的结构模型为基础，获得了正负位置解，并求解了位置方程，该方法基于方便规划运动轨迹的概念，为控制运动和设计机器人手臂的实时控制提供了方便。李伟和姚萌分析了具有四个自由度的机械臂。机械杠杆分为水平和垂直并联四连杆离合机构，也采用均匀变换矩阵法求解机械杠杆的运动学。在检测核能机器人方面，东南大学的孙爱国教授的研究小组成功开发了一种用于检测核的履带机器人。与以前的用于检测原子核的机器人相比，该机器人具有更强的抗辐射能力并且可以远程控制。1.3研究目的和意义在调试机械臂的过程中，当前的机械臂仍然没有“人”的概念。所谓的机械臂只是一种可以通过辅助编程或学习功能执行连续和重复动作的机器。对于连续生产设施，上述机械臂具有价值和存在价值，但对于具有极大的制造灵活性和定制能力的非永久性制造和制造设施，使用机械臂无法完全代替手动机械臂来执行过程或工位的某些实际工作。为了解决这个问题，将机器人操纵器运动程序和模型的控制参数，机器人操纵器的最终驱动器的捕获尺寸参数以及诸如制造产品的类型和模型的信息绑定到数据。最后，在主机上选择了产品之后，按下“单级启动”按钮，以允许所有机械臂根据与所生产产品和型号对应的过程参数进行自动数据切换对机械臂的动态特性的研究对于机械臂的开发和使用非常重要。机器人手臂的运动特性众多，分析非常复杂。包括加速度和速度的动态特性，运动的准确性和轨迹规划的稳定性以及工作空间和功能。近年来，由于机器人武器被广泛用于工业领域，因此机器人武器的市场份额逐年增加。许多专家和科学家正在积极投资于日常生产，以研究机器人武器运动的特征，以丰富和改进研究理论。要研究机械臂的运动特性，我们必须首先创建机械臂的数学模型。当腰部驱动轴，水平驱动轴和垂直驱动轴发生变化时，最终执行器的空间位置与特定坐标系之间的矩阵变换比率就可以得出，推导方法可以使获得机械臂速度和加速度的正负运动学表达式。对于具有四个杆以及六个杆的并联结构，尤其是具有局部闭合回路的机构，使用拉格朗日方法进行数学建模，以获得每个驱动连接的扭矩方程以及力与杆之间的平衡方程。加速度，位置和扭矩之间的关系，从中可以获得动力学方程，利用该方程可以进一步研究机器人手臂的动力学特性。在适应智能制造的敏捷制造的同时，使机械臂达到最大的可控性和稳定性。2.机械臂机构设计2.1机械臂运动学概述机械臂的运动学分析，分析的主要问题包括正解和负解的速度，加速度和位置。要研究对机械臂位置的正解和负解的问题，我们必须首先了解，正解是机械臂的最终执行器在空间中的位置，该位置是从关节变量获得的。逆解是一个组合变量表达式，该表达式通过在操纵器末端反转驱动器的所有空间位置而获得。这是分析机械臂移动时对速度和加速度的正面和负面决定的基础。分析机械臂的加速度和速度的整个过程应该是一个复杂的矩阵计算过程。为了分析机械臂的速度，必须在机械结构上安装矩阵，以便在笛卡尔工作区域的速度和机械臂最终效应器的关节空间之间建立线性关系，即两个空间之间的齿轮比。为了分析机械臂的加速度，有必要安装一个间歇泉矩阵来构造机械臂。工作空间是机械臂性能的重要指标。机械臂特征分析也占有重要地位，性能指标和特征是研究运动特征的基础。2.2机械臂自由度分配如图1所示，该机臂有三个自由旋转方向，其中1号舵机在Z轴周围自由旋转，初始位置角度900。2、3、4号舵机在Y轴周围有旋转自由度，从而实现机械手的全动性；肩关节的每一节，每一个俯仰自由度，关节基础，手腕和机械的拳头关节，每一个偏转自由度，有4个自由度。图1机械臂运动方向示意图2.3机械臂的执行装置舵机是位置伺服机构，电动机械结构与闭路控制系统，由小直流组成，变速箱；可调电位计、控制板等。使用MG996R型通用操舵机，工作电压为4.8-6V，扭矩是适当的。舵角不超过1800，可实现机械手转动角度的灵活操纵和平稳运动。2.4机械臂的运行分析在动臂时，首先要让每台操舵机回归于初始状态；然后在一定条件下旋转地基膝关节方向，让机械手和臂向同一方向旋转，而基础的上部在关节旋转，所以整个机械手都在水平位置；其次让机械爪封闭，身体保持；然后将肱关节旋转到原来位置，垂直于下臂位置，肘关节旋转，肩部水平位置；再次让地基关节向另一特定方向旋转，机械手打开，身体下垂；最后将机械爪关闭，机械手关节旋转到原始状态，并关闭肘部节点转动，使手返回到原来位置，以及腕关节旋转，使机械臂返回原来位置，完成运动循环。3.机械臂的硬件设计3.1Arduino简介Arduino是一个用于意大利教学的开源硬件项目，主要面向的是物理类科研学者，民间有奇思妙想的创造家以及艺术家等等人群，同时根据不同人群的需要也可以进行修改。图2Arduino控制板硬件系统高度模块化，通过USB接口与计算机连接，具有14通道数字输入/输出，包括6通道PWM输出、6通道10位ADC模拟输入/输出/输出。主控板周围有开关量输入输出模块、各种模拟量传感器输入模块、总线传感器输入模块、网络通讯模块等。通过在主控板上添加网络控制模块，可以轻松连接到互联网。Arduino还提供了自己的开发语言，并支持Windows、Linux和MacOS等传统操作系统。Arduino系统以单片机为基础，采用了多种通用和标准的电子元器件。整个设计，包括硬件和软件，都是使用开源代码发布的，从而降低了采购成本。在各种电子产品竞赛中，Arduino越来越多地被用作电子艺术品的创意设计开发平台。它还可以接受由MacromediaFlash软件生成的动画传输的信号，并从中控制特定的运动设备（如服务器）。Arduino是一个简单、灵活和开放的原型电子平台，自公布以来已得到全球电子发明者的广泛接受，该装置是由一个机械臂设计的，有四个自由度。系统的硬件包括一个ArduinoUNO模块、操舵装置、摇杆、机械控制台、电源等。3.1.1Arduino的优势要学习一个Arduino微控制器，根本不需要了解它的内部硬件结构和寄存器设置，只需要知道它的端口能力。使用简单的C语言，无需了解任何硬件知识就可以使用Arduino微控制器进行编程。Arduino软件语言只需要几条指令就可以学会，而且指令的可读性也很强。C的一点知识就足够了，它是一个易于使用且快速的应用程序。Arduino的理念是开源，软硬件完全开放，没有技术保留。对于外围I/O设备的Arduino编程，很多常用的I/O设备已经有库文件或示例程序。在此基础上，可以进行简单的更改以创建更复杂的程序并实现各种功能。由于Arduino是开源的，这意味着从Arduino相关网站、博客和论坛中获取大量共享资源。借助共享信息，资源整合可以加快作品创作的速度和效率。与其他开发板相比，Arduino和外围设备相对便宜，学习或创造的成本更低。重要的一点是不需要刻录机来编写代码，直接用USB线就可以完成下载。3.1.2Arduino语言Arduino使用C/C++编写程序，虽然C++兼容C语言，但这是两种语言，C语言是一种面向过程的编程语言，C++是一种面向对象的编程语言。早期的Arduino核心库是用C编写的。目前，最新的Arduino核心库是用C和C++混合编写的。我们所说的Arduino语言通常是指Arduino核心库文件提供的不同应用程序编程接口(API)的集合。这些API是通过重新封装较低级别的MCU支持库而形成的。在传统的开发方式中，在配置多个寄存器以达到目的之前，必须明确每个寄存器的含义及其关系。而在Arduino中，使用了清楚明了的API替代繁杂的寄存器配置过程。3.1.3ArduinoUNO控制模块这一项目管理模块使用了在Arduino最有效的UNO控制面板，与传统的单片计算机相比，Arduino平台有一个更方便的环境的IDE，大大简化了一台计算机的硬件设计，这将通过在全球一级建立稳定和可靠的多功能模块和简单易懂的语言，提高系统开发的效率。UNO接口主要包括14个I/O数字输入通道、6个模拟输入通道和1个连续输入通道，这将为本项目的离岸外包模块的收集和通信提供一个有利的环境。图3ArduinoUNOR3硬件资源配置3.2舵机的工作原理舵机是一种机电结构的位置伺服驱动器，具有闭环控制系统。它由小型直流电机、一组变速齿轮、可调电位器和控制面板等部件组成，如图4所示。由于转向箱的转向角易于控制（是一个转向角，但转向角一般不超过180°），因此广泛应用于需要恒定角度的控制系统中改变。图4舵机组成结构当舵机启动时，控制器向舵机发送脉宽调制（PWM）信号以获得直流偏置电压。在伺服器内部有一个参考电路，该参考电路生成一个周期为20ms，宽度为1.5ms的参考信号。将获得的DC偏置电压与电位计的电压进行比较，以获得电压差并将其发送到电机驱动器芯片。正负控制电动机的正负旋转。舵机的转向角是通过调节PWM信号的占空比得到的。标准PWM信号的周期固定为20ms。理论上，脉冲宽度（脉冲的高电平部分）范围为1ms到2ms，但实际上脉冲宽度在0.5ms到2.5ms之间，脉冲为0°，对应的转向角为0°〜180°。例如，伺服的角旋转以0.5ms〜2.5ms的脉冲宽度控制，旋转间隔为0°〜180°，对应的控制关系如图5所示。图5脉宽与舵角关系图5显示了当旋转角度为0°，90°和180°时相应脉冲的幅度。当旋转角度介于0°和180°之间的其他角度之间时，脉冲幅度在0.5ms和2.5ms之间线性变化。在接收到控制信号后，转向装置首先评估旋转方向，然后计算旋转角度，然后在没有铁心的情况下驱动电动机以开始旋转，并通过变速箱将动力传递给摆臂。最后，位置检测器将位置信号报告为旋转到。这确定舵机是否已到达设定位置。3.3舵机的选择舵机，如机械臂铰链，在设备中起着重要作用。从基本机械结构的角度来看，舵机可以分为两类：数字舵机和模拟舵机（AnalogServo）。主要由电动机、减速器、控制电路等组成，但数字操舵装置比模拟操舵机更多，从而使数字操舵机低，中等精度，高抗干扰性，这对提高舵机效率有决定性的影响。在设计系统时考虑到精度和成本，数字计算机可与模拟操舵机结合使用，使用数字操舵机，在可拆卸关节和机械手偏转关节需要高度精度的情况下，而其余的关节-模拟操舵机。此外，由于机械悬臂支柱比较重，从扭矩角度选择铁壳和金属齿轮的舵机，由于舵机的最大工作电流可以达到2-3A，Arduino输出屏蔽的电流只有50mA。对于不能满足电流中操舵机需求的mA，必须增加额外的转接模块提供舵机所需的工作电流。3.4舵机驱动模块通过在扩展板上焊接USB插座转接板用来供电，避免直接使用Arduino板自带的USB供电无法正常驱动四个舵机以及六个舵机的可能性。并如图6连接控制前后、抓取、左右、上下动作的舵机图6舵机连线4.软件设计在Arduino中，main函数是在内部定义的。要完成你的Arduino程序的编写，你只需要完成两个函数，voidsetup和voidloop，这两个函数负责初始化和执行Arduino程序的一部分。这两个函数都没有返回值。setup函数用于初始化，通常放在程序的开头。主要任务是设置一些引脚的输出/输入模式，初始化串口等。此功能仅在上电时执行一次，打开或重新启动。loop函数用于执行程序。这是一个无限循环，其中代码在循环中执行以完成程序的功能。4.1舵机角度控制设置值的编程舵机本身是一种电机，但与电机不同的是位置伺服系统。当舵机接收到单片机的控制信号后，内部基准电路产生一个周期信号作为基准信号，将电位器与直流偏置电压进行比较，输出两者的差值，并作出判断。之后电路判断旋转，安装减速装置，驱动电机，将动力传递给摆臂，反馈位置信号，判断是否到达。使用Arduino官方伺服库可以轻松控制舵机的旋转角度。通过控制方向舵写入角度延迟，可以在两种模式下操作方向舵。第一种是从初始角度到目标角度的步进式，按照指定的毫秒数匀速到达，第二种是先加速后减速，以达到舵机的最大角速度。4.1.1舵机数值的设定及初始化 在程序开头先定义数个数组用于定义或获取舵机的相关数据：intPIN[SERVOS],value[SERVOS],currentAngle[SERVOS],MIN[SERVOS],MAX[SERVOS],INITANGLE[SERVOS];然后通过调用init_Pins函数对舵机的各项初始数据进行设定，init_Pins函数会通过调用initMotors函数对机械臂状态进行初始化，分别设定每个舵机的最大角度以及最小角度，同时会将舵机的角度初始化至90度：voidinit_Pins(){PIN[0]=11；//连接舵机的针脚MIN[0]=10；//舵机的最小角度MAX[0]=179；//舵机的最大角度INITANGLE[0]=90；//舵机的初始角度PIN[1]=10;MIN[1]=10;MAX[1]=140;INITANGLE[1]=90;PIN[2]=9;MIN[2]=40;MAX[2]=170;INITANGLE[2]=90;PIN[3]=5;MIN[3]=10;MAX[3]=102;INITANGLE[3]=90；initMotors()；//设置舵机的初始角度for(inti=0；i<maxAutoActions；i++){for(intj=0；j<SERVOS；j++){autoAction[i][j]=0;}}voidinitMotors(){for(inti=0；i<SERVOS；i++){myservo[i].attach(PIN[i]);myservo[i].write(INITANGLE[i]);value[i]=0;idle[i]=0;}}4.1.2舵机的角度控制move_joy函数是用来控制舵机角度的，通过value[i]=analogRead(i)读取模拟值，并在比对后判断是哪个摇杆，再根据currentAngle[i]=myservo[i].read()所读取的当前角度，进行在设定角度范围内的角度控制，具体函数入下：voidmove_joy(){booleanjoyChanged=false；for(inti=0；i<SERVOS；i++){value[i]=analogRead(i)；//从0-3针口读取模拟值delay(2);currentAngle[i]=myservo[i].read()；//获取现有角度if(value[i]>threshR){idle[i]=0；joyChanged=true;if(currentAngle[i]>MIN[i])--currentAngle[i]；//根据操纵杆方向调整角度if(i==SERVOS-1)currentAngle[i]=clawCloseangle；//爪子的关闭或者打开}elseif(value[i]<threshL){idle[i]=0;joyChanged=true;if(currentAngle[i]<MAX[i])++currentAngle[i]；if(i==SERVOS-1)currentAngle[i]=clawOpenangle;}else{++idle[i];}if(idle[i]>=100){idle[i]=0;}}if(joyChanged){for(inti=0；i<SERVOS；i++){if(!myservo[i].attached())myservo[i].attach(PIN[i])；myservo[i].write(currentAngle[i]);}}delay(20);}4.2机械臂的自动程序通过按下扩展板设置于左侧的按钮，程序会开始记录舵机的运行轨迹，然后按下右侧的按钮，停止录制，并反馈一个true值表示录制结束且可以进行播放，再次按下右侧按钮便可执行播放，若并未录制时按下右键，则执行autoPlay函数。voidmove_mem(){if(!autoPlayMode){if(learningMode){if(!digitalRead(buttonR)){//录制完毕，准备自动播放autoPlayMode=true;return;}intbuttonPressed=!digitalRead(buttonL);delay(1);if(buttonPreState&&buttonPressed)return；//记录按钮按压次数elseif(!buttonPreState&&buttonPressed){//左边按钮被按下时进行录制actionIndex++;buttonPreState=true;if(actionIndex<maxAutoActions){Serial.print("actionIndex=");Serial.println(actionIndex);for(inti=0；i<SERVOS；i++){inttmp=myservo[i].read();Serial.print(tmp);Serial.print(",");autoAction[actionIndex][i]=tmp;}Serial.println("")；if(actionIndex==maxAutoActions)autoPlayMode=true;}}elsebuttonPreState=buttonPressed;if(!digitalRead(buttonR)){//右边按钮被按下autoPlayMode=true;}}}else{//自动运行模式autoPlay();}}voidautoPlay(){digitalWrite(3,HIGH);initMotors();delay(1000);cutcut()；while(1){for(inti=0；i<actionIndex；i++){Serial.println("startplaying...")；//触摸操纵杆时暂停，再次触摸时继续if(buttonPressed()){learningMode=false;autoPlayMode=false;autoDemoMode=false;return;}Serial.print("autoplay:=============")；Serial.println(i);armfromto(autoAction[i],autoAction[i+1]);}delay(500/demospeed);armfromto(autoAction[actionIndex],autoAction[0])；//回到第一个动作delay(500/demospeed);}}4.3机械臂的保护程序总程序内还编写一个armfromto函数，在执行自动播放程序是用以稳定舵机的运转速度，降低机械臂损坏的可能，同时也可以降低误操作机械臂时造成的损害。程序如下：voidarmfromto(int*arrf,int*arrt){intmaxAngles=0;floatlp[4];adjustSpeed();maxAngles=max(max(abs(arrt[0]-arrf[0]),abs(arrt[1]-arrf[1])),abs(arrt[2]-arrf[2]));maxAngles/=demospeed;maxAngles=maxAngles<1?1:maxAngles；Serial.print("speed=");Serial.println(demospeed)；for(inti=0；i<SERVOS-1；i++){}for(inti=0；i<SERVOS-1；i++){lp[i]=float(arrt[i]-arrf[i])/float(maxAngles);}for(intj=1；j<=maxAngles；j++){for(inti=0；i<SERVOS-1；i++){myservo[i].write(arrf[i]+j*lp[i])；}delay(20);}//爪子角度myservo[SERVOS-1].write(arrt[SERVOS-1]);delay(20)；if(autoPlayMode||autoDemoMode){}}//关上爪子voidcloseclaw(booleanop){if(op){myservo[SERVOS-1].write(clawCloseangle);}else{myservo[SERVOS-1].write(clawOpenangle);}}5.结论本文以机械臂为研究对象，具体完成工作如下：（1）根据机械手的特殊机械机构，对其力学特性进行分析，建立机械手运动学模型，通过均匀变换得到机械手各传动轴的空间坐标位置，即正负运动学解决方案。通过坐标值将其引入，在某种意义上是衡量理论的正确性。速度和加速度运动学的正负解通过一阶和二阶导数方法获得，针对机械手的奇异性问题，结合其力学约束，在分析中采用雅可比矩阵，数值计算了机械手理论工作空间的具体参数和关系表达式。（2）根据平行四连杆结构和六连杆机械手的特点，分别采用空间均匀变换法、空间几何法和坐标系运动学分析了机械手的运动位置。基于软件编程控制对机械手模型的准确性进行测试和验证。并通过位置推导得到速度和加速度的正负解。该软件用于模拟机械手的操作空间，采用雅可比矩阵法分析机械手运动的奇异性。参考文献[1]裴红蕾.机械臂关节空间轨迹的神经网络滑模跟踪控制[J].制造技术与机床,2020(05):43-48.[2]李萍,祁鲲,李萱.PLC课程实践教学模式改革探讨[J].中国现代教育装备,2020(07):63-65+68.[3]李懿,秦鹏,杨会丰.悬挂式协作机器人设计与分析[J].重庆理工大学学报(自然科学),2020,34(04):130-135.[4]巢惠世,梁宏斌,蔡土淇.基于Linux的机械臂实时控制系统研究[J].信息技术与网络安全,2020,39(04):81-85.[5]蔡东伟,田金柱,秦方玮,陈赋秋.新型智能铺路机路径规划及控制系统设