六自由度机器人控制系统设计.docx

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六自由度机器人控制系统设计

1前言

1.1焊接机器人的发展历史与现状

现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。

美国原子能委员会下属的阿尔贡研究所为解决可代替人进行放射性物质的处理问题，在1947年研制了遥控式机械手臂；1948年又相继开发了电气驱动式的主从机械手臂，从而解决了对放射性物质的进行远距离操作的问题。

1954年，美国科学家戴沃尔最先提出工业机器人的概念，并申请了新的专利。

其主要特点是借助伺服技术来控制机器人的关节，并利用人手对机械手臂进行动作示教，机械手臂能实现人物动作的记录和再现。

这就是示教再现机械臂，现在所用的机械手臂差不多都采用这种控制方式。

伴随着现代社会的发展，为了提高生产效率，稳定和提高产品的质量，加快实现工业生产机械化，改善工人劳动条件，已经大大改进了机械手臂的性能，并大量应用于实际生产中，尤其是在高压、高温、多粉尘、高噪音和重度污染的场合。

焊接机器人的诞生可以追溯到上世纪70年代，是由日本发那科（FANUC）公司生产的小型机器人改进的，受限于当时的技术手段以及高昂的造价，使得当时的焊接机器人不能得到很好的应用。

机械手臂是一种工业机器人，它由控制器、操作机、检测传感装置和伺服驱动系统组成，是一种可以自动控制、仿人手操作、可以重复编程、可以在三维空间进行各种动作的自动化生产设备。

机械手臂首先是在汽车制造工业中使用的，它一般可进行焊接、上下料、喷漆以及搬运。

它可代替人们进行从事繁重、单调的重复劳动作业，并且能够大大改善劳动生产率，提高产品的质量[1]。

到了90年代初，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。

工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。

在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机，采用机器人的利润显然要比采用人工所带来的利大，使得焊机机器人得到了推广，同时技术的进步也使得焊机机器人技术得到很大提高。

进入新世纪之后，由于各国对焊接机器人的不断重视，使得焊接机器人技术取得了很大的进步。

同时由于其焊机精度及更低的生产成本，也使得它得到了越来越多的应用。

目前，焊接机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻以及热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都还不能满足工业生产发展需要。

在一些特殊的行业，使用它来代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间小等的不适于人工作业的环境。

1.2焊接机器人发展趋势

近些年来，国际机器人界都在加大科研力度，随着机械工程、电子工程、自动控制工程以及人工智能等长足的进步，焊接机器人技术也得到了长足的发展.不断向智能化和多样化方向发展是未来一段时间的总体发展趋势。

具体而言，表现在如下几个方面:

1）机器人操作机结构

通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计.探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。

机器人结构向着模块化、可重构方向发展机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。

2）机器人控制系统

重点研究开放式，模块化控制系统。

向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。

3）虚拟机器人技术

虚拟现实技术在机器人中的作用已重仿真、预演领域发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。

4）机器人传感技术

机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。

5）机器人性能价格比

机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格却不断地下降。

由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。

1.3焊接机器人简介

焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。

焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。

焊接机器人由机器人本体和控制柜组成。

而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。

对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。

世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人，绝大部分有6个轴。

其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。

1）机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。

执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。

驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。

驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。

焊接机器人手臂是一种仿人式的机械。

其模仿人类的手臂，而要实现像人手一样的功能来就要借助类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构，而提供动力的肌肉就由驱动－传动系统来代替[2]。

其结构框图如图1.1所示：

机器人

执行机

驱动-传动机

控制系统

机器人各关节

电、液或气驱动装置

关节协调及其它信息

单关节伺服驱动

图1.1焊接机器人结构框图

2）与通常的过程自动控制系统类似，焊接过程自动控制系统一般为闭环反馈系统。

它可分为被控对象、比较器、控制器以及执行机构四部分。

为了实现焊接机器人对空间焊缝的自动实时跟踪和焊接参数的实时控制，设计的是以DSP为主控制器的焊缝实时跟踪和控制的交互式控制系统。

DSP作为系统的核心控制器产生控制信号，驱动步进电机动作，同时利用DSP的数字通讯功能与PC进行通讯，从而实现对焊缝的实时跟踪和控制。

其结构框图如图1.2：

比较器

控制器

执行机构

被控对象

焊接过程检测系统

焊接过程

图1.2控制系统结构框图

2焊接机器人机械部分设计

本次的设计是参考机械学院二楼机器人实验室中的Motoman机器人而设计的。

它的一些参数也是对实验室中机器人的观察、测量而得到的。

2.1焊接机器人设计

本次设计的机器人具有六个自由度，它们分别是腰关节的移动和转动、大臂的摆动、小臂的摆动和腕部的转动（两个自由度），都为关节连接，除了这些结构外，还必须有导轨以及一个用于夹持焊枪的机械手。

2.1.1导轨的设计

焊接机器人的底座并不只是固定不动的，它可以利用导轨在一定的范围内移动，根据实际情况，此次设计的导轨可以在水平方向上移动，以增加它的工作范围，方便焊接工作的完成。

导轨的结构简如图2.1所示：

图2.1导轨的结构简图.

导轨选用的是滚动导轨，其结构简单、安装方便且具有较小的摩擦系数，选择合适的滚珠丝杠螺母副用来带动导轨运动，最后再选择适当的电机。

丝杠螺母副的选择：

计算最大动载荷C

C=fwF（2.1）

L=60*n*T/106（2.2）

n=100*vs/L0（2.3）

上式中，L0——滚珠丝杠的导程，初步选为6mm；

vs——最大负载下的速度，这里选其为vs=0.6m/min；

T——使用寿命，可按其为24000h；

fw——运转系数，取值为fw=1.2~1.5；

L——使用寿命，以106转为1个单位；

n=100*vs/L0=50（r/min）

L=60*n*T/106=72

C=fwF=4776.3（N）

查阅机电课程设计指导书可看出，选择WD4506外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副可满足要求，选定等级为3级。

丝杠电机的选择：

首先来选择齿轮传动比：

取其值为i=0.8，取z1=32，z2=40。

计算传动系统折合到电机轴上的总的转动惯量为

J=JM+J1+（Z1/Z2）2[（J2+JS）+W/g（L0/2）2]（2.4）

在式中，JM—电机转子转动惯量；

J1,J2—齿轮Z1,Z2的转动惯量；

—滚珠丝杠转动惯量；

初选伺服电机为PAC12,其转动惯量为10.7kg*cm

JZI=0.78*10-3*d14*L1=2.71（kg*cm2）（2.5）

JZ2=0.78*10-3*d24*L2=6.42（kg*cm2）（2.6）

JS=0.78*10-3*d4*LS=35.837（kg*cm2）（2.7）

代入上式：

=JM+J1+（Z1/Z2）2[（J2+JS）+W/g（L0/2）2]=39.374（kg*）

考虑电机与传动系统款两相匹配问题。

Jm/J=0.273（2.8）

基本满足设计要求。

2.1.2基座的设计

图2.2基座示意图

基座主要起着支撑整个机械人的作用，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢制造，设计合适的基座能够减少机器人在运动中的产生的震动，避免因震动而使焊接出现误差。

除此之外，基座还必须能够旋转，以保证机器人具有较大的工作空间，较好的完成焊接工作，这里选用带有滚珠的轴承来支撑，其比一般的结构具有较大的支撑力和较高的稳定性。

大臂小臂腕部所有质量为80kg，最大回转半径。

则转动惯量：

执行器回转从~，需要时间。

加速度：

回转驱动力矩：

2）确定电机的额定功率。

可以按下式确定：

力矩：

2.1.3机器人腕部的设计

腕部用来连接操作机手臂和末端执行器，并决定末端执行器在空间里的姿态。

腕部一般应有2～3个自由度，结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用分离传动。

焊接机械手的腕部运动一般可以分为上、下运动以及转动，上下运动可由电机带动带轮来控制，转动可以由电机带动键连接来实现其转动[4]。

腕部结构形式的设计要根据机器人的运动形式、末端执行器的重量、运动精度以及完成动作的自由度要求等来决定的。

因此设计腕部是应该考虑以下几点要求的：

（1）腕部的结构和尺寸应该满足机器人的空间要求；

（2）所选结构要紧凑，尽量减轻重量以减少手臂部分的载荷；

（3）根据腕部的承受载荷和结构的特点，合理选用材料；

（4）要求运动速度高，惯性小。

下面为齿带轮的传动示意图：

图2.3传动带示意图

计算同步带：

（1）总体参数：

有所选电机特性可知：

输出功率0.2kW，锥齿轮效率0.98

（2）设计计算：

1.设计功率

2.选定带宽和节距L型带，节距9.585mm，基准宽度25.4mm

3.小带轮齿数

4.小带轮节圆直径

5.大带轮齿数

6.大带轮节圆直径

7.带速

8.初定轴间距

故取

9.带长及其齿数

由文献[2]表14.1-51选取标准节线长，

10.实际轴间距

11.带宽

12.作用在轴上的力

2.1.4机械抓手的设计

机械抓手在本设计中具有很大的作用，现在在抓具市场中倍受青睐的机械抓手主要有：

多工位机械抓手；手自动更换器，转塔多爪手[5]。

机器人的作用要靠末端部件才能落实．然而末端部件不可能做得象人手那样通用和灵巧．因此，为了使机器人具有柔性必须准备若干套应付不同作业和不同对象的手。

在本次设计中所采用的机械抓手不需要太多的功能，因此并没有设计的过于复