物料抓取机械手结构与控制系统研究要点.docx
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物料抓取机械手结构与控制系统研究要点
山东科技大学
硕士学位论文
物料抓取机械手结构与控制系统研究姓名：
李桂莉
申请学位级别：
硕士
专业：
机械工程
指导教师：
史大光;慕永刚20050501
山东科技大学硕士学位论文摘要摘要
本论文在综述近年来机器人技术研究和发展状况的基础上，结合物料抓取机械手的设计，对机器人技术进行了系统的分析，提出了整体结构和控制系统经济型设计方案。
采用机电一体化设计思想，充分考虑机、电、软、硬件各自特点进行互补优化，对物料抓取机械手整体结构、传动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计。
在此基础上，对物料抓取机械手运动学和动力学进行了分析和设计，得出了关节变量和操作空间在位置、速度以及加速度之间的对应关系。
采用牛顿一欧拉方法对物料抓取机械手操作臂进行了动力学分析，为步进电机的选型和结构优化提供了理论依据。
在物料抓取机械手控制系统设计中，采用ｐｃ工业控制计算机作为主机，选择ＰＣＬ一８３９卡作为控制单元，来完成系统功能的初始化、数据运算与处理、步进电机驱动以及故障报警与处理等功能，同时对ＰＣＬ一８３９卡的特点、工作原理及高精度的定位功能等给与了分析。
最后，提出了一种算法简单、易于实现、理论意义明确的步进电机交速控制策略，并通过了实验验证。
通过以上各部分的工作，得出了经济型、实用化、高可靠性物料抓取机械手的设计方案，对其他类型的经济型数控系统的设计也有一定的借鉴价值。
关键词：
经济型物料抓取机械手结构控制系统变速控制
山东科技人学硕ｊｊ学位论文摘要ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＩｎｔｈｉＳｐａｐｅｒ，ａｎｅｅｏｎｏｍｉｃｓｃｈｅｍｅｏｆｒｏｂｏｔｗｈｏｌｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉＳｐｒｏｖｉｄｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｏｂｏｔｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓａｎｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｏｂｊｅｃｔｈｏｌｄｉｎｇｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．
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ａｎｄｓｏｌｖｅａｎｄＳＯｏｎ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ。
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ｅｃｏｎｏｍｉＣｏｂｊｅｃｔｈｏｌｄｉｎｇｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｈｉｆｔｃｏｎｔｒｏｌ
声明
本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究结果。
该论文尚没有呈交于其他任何学术机关作鉴定。
研究生签名：
压毵钧日期：
伽圩／、ｇ
ＡＦＦＩＲＭＡＴｌ０Ｎ
Ｉｄｅｃｌａｒｅｔｈａｔｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｓｕｂｍｉｔｔｅｄｉｎｆｕｌｆｉ“ｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅａｗａｒｄｏｆＮａｓｔｅｒｏｆＰｈｉｌｏｓｏｐｈｙ，ｉｎＳｈａｎｄｏｎｇ
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Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ：
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山东科技大学硕．Ｌ学位论文绪论１．绪论
１．１研究背景
随着经济建设和城市化的快速发展，城市污水排放量增长很快。
然而，排水管道的普及率和污水处理率却还很低。
大量污水未经处理直接排放，使大部分水资源遭到不同程度的破坏，城市附近水域已遭到严重污染。
根据国家环保总局统计，流经城市的１３６条河流中，Ⅵ类水质以下的就有１０５条。
不少城市周围的河流已经成为名副其实的纳污河道‘“。
城市周围的污水主要来源于生活污水和工业污水。
生活污水如不经过处理则会使水源不适应生活需要，同时造成对水生物的毒害作用，破环水产资源，还可能传播肠道传染病；工业污水中有无机物和有机物，使动植物的生活条件恶化，鱼类生产受损，人类的生活健康受到影响。
因此，污水处理已经摆在了人们的议事日程上来【甜。
污水处理的办法很多，可归纳为物理方法、化学方法和生物方法三大类【３１。
目前国内外多采用二级处理工艺或三级处理工艺治理污水。
一级处理又称预处理，主要利用筛网或沉淀等物理化学办法去除污水中的粘土、淤泥及其他碎屑等污染物；二级处理又称生物处理，主要利用微生物的作用来分解污水中的有机物；三级处理主要是去除排放中的无机盐类及其他悬浮污染物。
因为在二级处理后的出水中，含有氮磷等无机盐类，当它们随水排入水体后，能促成水体富营养化，造成二次污染。
在三级处理中，常用沉淀法去磷和用中性条件下增温使氨氮溢出。
而微生物法处理这两种废水是最经济又简便易行、且效果比较好的方法【３】。
污水的微生物处理原理是利用水体中的微生物，在自然界中的物质循环中的作用，利用微生物对有害物质进行转化，从而化害为利，变废为宝，保护和控制自然环境的一种方法ａ另外，微生物能够使水体中的有机污染物分解为Ｃ０２、ＣＩ－１４、Ｎ２、ＮＨ３、ＮＯ等，从而使水体受到净化。
微生物法处理污水通常采用活性污泥法。
活性污泥由细菌、霉菌、酵母菌、原生动物、藻类等大量微生物和一些原生动物凝聚而成的绒絮状泥粒，具有很强的吸附和氧化分解有机物的能力，活性污泥中的细菌多数以菌胶团的形式存在，只有少数以游离态存在，菌胶团是活性污泥的主体，具有粘性，能使水中的有机物粘附在颗粒上，然后加以分解利用，菌胶团为原生物及丝状细菌提供了栖息和生活场所，其中的细菌具有很强的分解有机物的能力，而且由于菌体细胞埋在胶体中，可避免被原生动物吞噬。
山末科塑杰学硕士学位论文绪论
活性污泥中的细菌类群随不同污水而呈现不同的优势菌群，因此，人们可以根据污水成分含量的不同，人为地增添些优势菌种，加速废水有机物的分解。
过去，人们常在废水流经流域投入树枝等，然后加入活性污泥来处理污水。
由于树枝随时问的流逝会慢慢腐烂，使活性污泥菌群失去可附着的场所。
随着科学技术的发展和人类知识水平的提高，人们越来越认识到污水处理的重要性和迫切性，科学家和研究人员发现塑料在水中不易腐烂变形，是很好的污泥菌群的附着体。
于是各大、中、小污水处理场所急需要大量的有一定强度和通透性又可附着污泥菌群的孔状塑料制品。
我们科研小组承担了这个项目，研制出可以将塑料块一次热挤压成型的塑料成型机。
每次热挤压成型的塑料的耿放采用机械手来完成，目前各行各业机械手（也称机器人）应用很多，相关研究电不少，可是我们所研究的塑料成型机的中｝Ｌ状塑料抓取机械手却很少，因此，我选取了“物料抓取机械手韵结构和控制系统研究”这一课题。
本课题是基于中孔状塑料抓取机械手的开发为背景，对该机械手（也称为机器人）进行了功能分析并在此基础上进行了总体结构设计；在对它的控制性能分析的基础上设计了经济性、实用化的机器人控制系统。
因此，对其他经济性机器人系统的分析与设计也有一定的借鉴价值。
＇．２本课题的意义
１．２．１理论上的意义
随着世界经济和技术的发展，人类活动领域的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。
像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。
伴随着人类文明的进步．由机器人代替人完成危险、恶劣环境下的作业是社会发展的必然趋势，世界上许多国家都在积极进行特种机器人的开发研究工作。
机器的产生本身已经大大提高了劳动生产率和产品的质量。
随着机器人的产生和大量应用，很多领域，已经是许多单一、重复的机械工作由机器人（或者说是机械手）来完成。
如：
用于飞机、轮船，大型油罐、高层建筑等的日本的清洗机器人；用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查等的美国的ＡＵＳＳ、俄罗斯的ＭＴ～８８、法国的ＥＰＡｇＬＡＲＤ等水下机器人：
用于军事领域的美国的ＮＡＶＰＬＡＢ自主导航车、ＳＳＶ半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（Ｉ）ＡＲＤＳ），德国Ｍｖ４爆炸物处理机ＳＳＶ半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（ＤＡＲＤＳ），德国Ⅵｖ４爆炸物处理机
些查型垫查兰堡主兰堡垒壅
堕堡
器人等等１４８Ｊ。
由于我国经济的飞速发展，城市在不断扩大，城市的污水处理问题越来越迫切的提到了人们的议事日程上来，有一定强度和通透性又可附着污泥菌群的塑料制品需用量越来越大，生产设备的先进性要求也就越来越明显。
世界上用于物料抓取的机械手已经很多。
根据目前掌握的信息，用于塑料制品物料抓取的机械手则很少。
塑料制品物料抓取机械手的研究，不但在技术上可以追踪机器人的发展趋势，而且还可以填补工业机器人的应用的空白，促进我国工业机器人的技术水平的提高和产业化水平的发展。
１．２．２实践上的意义
本课题的意义首先在于它具有非常强的实际针对性，对该物料抓取机械手的成品机的产业化研究有直接的指导作用，也可以为其他机器人的动力学建模提供有益的借鉴。
该物料抓取机械手的驱动电机一步进电机的变速控制研究极少见诸于报端，是具有开创性的工作。
该机械手结构合理，性能完善，必将加速产品化的进程；改善工人的劳动环境，降低了工人的劳动强度；大大提高了劳动生产率。
这将意味着污水处理中活性污泥附着体的生产自动化的开始，开辟了工业机器人应用的新领域。
１．３国内外机器人的研究和发展状况
机器人学是一门迅速发展的前沿学科。
其特点之一是综合、交叉，涉及的领域广泛；另一特点是发展迅速、日新月异，尚待研究的问题层出不穷。
机器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果【鲥。
世界经济的发展与各行业对自动化程度要求的提高，推动着机器人技术迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。
随着机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益在扩大，现已广泛应用于制造业、农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。
机器人技术的研究与应用水平，反映着一个国家的经济实力和科技发展水平。
目前，机器人的发展已经历了三代：
第一代是示教／再现可编程的机器人；第二代是有感觉的能自适应的机器人：
第三代是智能机器人。
智能机器人『Ｆ在发展阶段，预计到２ｌ世纪初期将进入普及阶段。
我国在５０年代开始搞固定动作机械手（行程开关控制），６Ｏ年代开始搞数控机械手，７０年代末开始搞机器人。
目前，工业机器人与智能机器人已进入我国七．五、八．五科技发展计划及８６３高技术规划，受到各方而越来越多的重视。
坐墨型垫奎兰堡主兰竺笙兰
堕丝２１世纪将是人类开发资源由陆地转向海洋和空间的时代，无论是开发海洋，还是建立空间工业，由于海洋与空间都不适宜于人类的生存，适应这种需求，发展各种机器人将是一个可选择的途径，这将大大促进机器人的发展。
毫无疑问，机器人已成为当代高技术注目的一项重要内容【６】。
机器人作为新～代的生产工具，能够代替人完成人力所不及或人所不适宜的工作。
随着机器人在各个领域的应用，对机器人的综合性能提出了更高的要求，专业化更强，实用性更高，经济性要求也已经摆到了人们的面前，因此，结构简单、操作方便、能满足功能要求又具有一定的可靠性的微型机器人或者说功能专一的机械手需求量越来越大。
１．４机器人运动学、动力学研究及发展状况
机器人运动学是从几何的观点研究机器人手臂各连杆间的位移、速度和加速度的关系。
运用理论运动学的方法，很容易获取机器人的运动学方程。
对于给定的关节位置（速度），由正向运动学关系可直接计算出对应的手的位置和姿态，其解是唯一的。
与此不同的是，逆运动学的位置问题的解通常不是唯一的，且可能不存在闭式解。
逆速度问题常涉及雅可比，它在某些工作区域还会出现奇异，限制机器人的自由运动。
因此机器人运动学研究的重点是逆运动学的快速数值解法和奇异性解法１７】。
快速计算运动学逆问题有通过坐标旋转移动和反正切及其组合实现坐标逆变换的方法【８】，把矩阵变成代数方程，用因式分解法降低幂次的方法，把六自由度操作手分解为位置结构和姿态结构，再利用转换矩阵法对两结构进行分析的基础上，建立操作手的运动学求逆算法［９１，具有收敛速度快、能得到满足条件的全部解的特点。
云南师范大学的冯乔生等【１０１提出一种效率较高的计算机符号求解机器人逆运动学的方法。
它是基于ＰＡＵＬ的思想：
递推的分离出可解析求解形如ａｓｉｎｘ＋ｂｃｏｓｘ＝ｃ或舛＝ｂ的简单三角／代数方程。
该法在ＰＡＵＬ分离变量法失败的情况下，能从位置方程中递推的分离出可解析求解的简单三角／代数方程。
金永南等［“ｌ对多关节机械手臂关节与手腕姿态关系进行分析，把腕关节中的摇摆变换矩阵与俯仰变换矩阵区分开来，从而可以提高多关节机器人的控制速度。
南京航空航天大学的张伟盼”】贝０突破了文献局限于研究位置逆解的状况，首次实现了自组织神经网络求解机器人姿态逆解，创新了自组织神经网络训练算法并建立了一类工业机器人位姿逆解的神经网络方法。
机械手的雅可比矩阵是描述机器人操作臂特征的重要参量，对于分析操作臂的运动
山东科技大学硕士学位论文绪论学、动力学及判别机械手的奇异位形都是非常有力的工具。
为此，人们提出了许多高效率的计算算法【１４”。
１６１。
奇异性历来也是一个研究的热点。
雅可比逆的奇异处理是机器人逆运动学计算的一个重要问题。
东南大学的朱向阳等【１７ｌ研究了机器人运动学反解中的奇异点处理问题，给出的机器人微分运动雅可比矩阵条件数的上界，并在此基础上提出了机器人关节速度阻尼伪逆解方法中阻尼系数的一种自适应的调整方法，该方法可以保证奇异点附近伪逆解的稳定性。
推广的协调控制法【１”，能够充分利用不定位形的特点回避奇异位形，可以有效地用于６自由度机器人的控制而不会发生关节速度超限和手部运动偏差，是目前较为理想的回避奇异方法。
机器人操作臂是一个复杂的动力学系统，由多个关节和连杆组成，具有多个输入和多个输出，它们之间存在着错综复杂的耦合关系和严重的非线性关系。
因此，要分析机器人的动力学特性，必须采用非常系统的方法。
拉格朗日方法、牛顿．欧拉方法、高斯法等都是比较有效的动力学分析工具。
哈尔滨工业大学的王兴贵㈣等根据机器人控制器的计算容量采用相对误差准则设定动力学模型中各元素的采样周期系数，以满足系统单位控制周期内所允许的计算时间。
吉林工业大学的齐朝晖等【２０】把机械驱动力矩表示为状念变量的函数，克服了大多数方法中要通过求解一组微分方程才能得到驱动力矩数值的特点，从而大大缩短了逆动力学计算时间。
张京军【２”根据Ｈｅ．Ｇｏｌｄｅｎｂｅｒｇ的递推公式给出了一种逆动力学并行算法，具有很高的效率。
章定国吲等研制了一个机器人动力学高效建模软件，有效地解决了动力学方程的自动生成问题。
随着高速度、高精度和减轻重量的要求，系统的弹性问题已成为机器人动态分析的不可忽略的一个方面【２引。
考虑关节弹性的动力学问题受到了很多学者的关注，并在系统建模阱１、动力学控制口５１、以及最大动载荷【２６】等方面取得重要成果，但这些研究多集中在非冗余度机器人。
北京工业大学的赵京等旧指出当机器人高速运动时，由于关节弹性而产生的末端变形将会影响机器人的跟踪精度。
北京航空航天大学的曹彤等【２８１在运动学分析的基础上着重考虑各种驱动系统和平衡系统的弹性影响，对机器人系统进行有限元建模分析，求出整个系统的振动频率及手部末端弹性变形，并在此基础上对臂杆机构进行综合优化，使得机器人系统的各种动力性能指标达到良好。
将动力学分析用于机器人的杆件设计，其目的就是要优化各杆件的质量性能以及它们的运动学结构，以取得理想的动力学性能指标。
当操作手与环境发生机械作用时，柔顺性是一个重要的特征。
通过使末端执行机构具有一定的柔顺性，就可以应用较低级的机器人操作手完成较精密的装配操作。
长沙国‘
生查型垫查茎堕兰兰垡堡塞堕堡防科技大学的韦庆等１２９Ｊ对机械手力控制系统的稳定性进行了分析，特别是机械手力控制未建模特性等因素对机械手力控制稳定性的影响。
哈尔滨工业大学的戴铁成等【３０】对普通机器人和ＭＡＣＲＯ／ＭＩＣＲＯ组合式机器人两种力控制系统的稳定性进行了分析，提出了一种优化粘性阻尼系数的方法，结果表明该方法非常有效。
综上所述，有关机器人运动学方面的问题在九十年代初期研究较多，主要集中在计算效率和奇异性的研究，近年来主要在冗余度机器人和如何有效避免算法奇异性的问题上。
由于要对机器人进行有效控制和对机器人轨迹进行合理规划等都离不开动力学模型的建立，机器人动力学历来受到研究界的关注。
机器人动力学的研究主要集中在计算效率、力（力矩）的动态稳定性和弹性动力学的研究方面，柔性机器人的出现增加了机器人的操作灵活性，但是不可避免的带来力控制稳定性问题，这方面的研究还将是今后机器入动力学控制研究的重点。
１．５机器人控制器的研究和发展
随着机器人应用领域的不断扩大，人们对机器人的动态性能要求越来越高，系统中的非线性、强耦合性和时变的特点以及诸多不确定因素的存在，使计算机控制系统成为机器人的核心部分，它既决定了控制性能的优劣，又影响机器人的使用方便程度。
神经网络控制的一个新兴研究方向是将神经网络与模糊逻辑相结合，构造具有自学习和自组织能力的模糊控制器，既保持了常规模糊控制的各种优点，又克服了常规模糊控制的若干不足，如模糊规则抽取的复杂性和隶属函数确立的主观性。
基于神经网络的模糊控制器不但理论上取得了长足的进展，其实际应用也向人们展示了良好的发展前景，美国ＮＥＵＡＬＯＧＩＸ公司已成功的开发了ＮＬＸ系列神经模糊芯片，并进入商业化阶段，神经网络控制和模糊控制在机器人控制中的应用即将成为现实。
主动控制（ＡｃｔｉｖｅＣｏｎｔｒ０１）作为一种新的控制方法，目前已经受到国际控制学界的高度重视，它的主要特点是通过传感器和外加调节器，从外部注入适当的能量来提高所有控制系统的性能。
主动抑振控制已成为振动控制研究的主要方向，控制理论和计算机技术的发展也为主动控制的应用提供了有利工具。
另外，机器人工作空间的分析在机器人机构设计、路径规划、轨迹控制和机器人视觉等方面起了相当重要的作用，也是控制系统设计和研究的基础。
目前计算机控制系统的硬件结构大体有两种：
集中控制和分布式控制。
集中式控制是用一台功能较强的计算机实现全部控制功能，具有实现容易和经济性特点，但控制过程中计算量大、执行速度慢，常用于早期计算机造价高、机器人不多的场合。
分布式控制系统
山东科技大学硕士学位论文绪论（ＤＣＳ—ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ）在可扩展性、控制速度、系统模块化、可维护性、抗单点故障等方面明显优于混合式和集中式控制系统。
在分布式控制系统中，如数控系统，上位机担当系统管理、机器人语言编译、人机接口等功能，同时进行坐标变换、轨迹插补和主、从机之间数据交换，下位机完成全部关节位置数字控制以及反馈系统实际工作速度和位置等数据。
在机器人控制系统中，主控制计算机负责整个系统的管理及坐标交换和插补运算，下一级每个微处理器负责控制一个关节运动，采用并行处理方式完成控制任务，下位机微处理器和主控机之间通过总线形式进行控制和数据传输，因而提高了工作速度和处理能力。
分布式结构可以根据需要增加更多的处理器，以满足传感器处理和通讯的需要，结构是开放型的，它具有结构功能强、速度快的特点，是当今计算机控制系统的主流。
哈尔滨工业大学机器人研究所开发的机器人通用控制器和美国ＰＵＭＡ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＵｎｉｖｅｒｓａｌＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｆｏｒＡｓｓｅｍｂｌＹ）机器人控制系统都属于这种结构，ＰＵＭＡ机器人采用一种多关节结构型、全电动驱动、多ＣＰＵ两级微机控制，采用ＶＡＬ专用语言，可配置视觉、触觉和感觉传感器结构。
对于多关节机器人而言，每个关节对应一个处理器，将机器人控制中计算量大的动力学方程按关节分解，在主控制器协调下由关节处理机上同时进行计算，将计算结果送给机器人主控制器。
采用模块化结构、分布式多处理系统，是关节机器人控制系统的发展方向。
随着人们对控制精度、智能化程度要求的提高，嵌入式微处理器已经广泛应用于工业控制领域，并带来巨大的经济效益。
目前对嵌入式微处理器的各项性能指标的要求也越来越高，一个微处理器往往需要同时完成各项任务，因此随着软件规模的上升和对适时性要求的提高，采用实时多任务操作系统作为一种软件开发平台，逐步成为目前嵌入式系统领域的主流，其突出优点在于：
保证各项任务执行的实时性；简化多任务的切换和资源分配以及网络信息管理；模块化设计便于软件开发、移植和再利用；能够提高软件编写的可靠性。
１．６机器人的基本结构及其分类
机器人作为典型的机电一体化产品，其控制方式经历了三代发展：
第一代是示教再现式可编程机器人，具有记忆、存储功能，能按照作者在示教阶段给出的轨迹重复进行特定的作业过程，但对周围环境基本上没有感知和环境信息反馈控制的能力。
随着传感器技术包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人一具有感觉功能的自适应机器人，在获取作业环境和作业对
坐查型垫查堂堡主堂堡堡兰堑堡象的部分有关信息的基础上，能
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