一体化校表机器人末端执行系统的研究及其实现.docx
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一体化校表机器人末端执行系统的研究及其实现
一体化校表机器人末端执行系统
的研究及其实现
重庆大学硕士学位论文
（专业学位）
学生姓名：
汪建文
指导教师：
熊庆宇教授
兼职导师：
甘建锋高工
学位类别：
工程硕士（控制工程领域）
重庆大学自动化学院
二O一五年五月
StudyandRealizingontheendexecutionsystemforsmartammetercheckingrobot
AThesisSubmittedtoChongqingUniversity
inPartialFulfillmentoftheRequirementfor
theProfessionalDegree
By
JianwenWang
SupervisedbyProf.QingyuXiong
PluralisticSupervisedbyJianfengGan
Specialty：
ControlEngineering
CollegeofAutomationofChongqingUniversity,
Chongqing,China
May2015
摘要
21世纪以来，各种日新月异的科学技术不断发展，随着电力系统运行的不断趋于复杂化、多样化，以及电力体制的不断改革，传统电网已经不能满足国家电力部门的工作需求，正逐渐实现向智能电网的转变。
而随着智能电网的发展，各个省市电力部门的工作车间也将逐渐实现自动化、智能化以及无人化管理。
针对目前电网公司一整套智能电能表柔性自动化检定系统中，将电能表摆放到检验台这一环节上还是有人工完成这一问题，本文提出了利用一套一体化校表机器人来代替传统校表工人进行相关的电表抓取以及电表检测等工作，而课题主要是针对一体化校表机器人末端执行系统进行研究并设计。
首先，本文结合课题来源以及项目背景，提出了课题研究的目的以及意义。
通过分析当前国内外各种机器人末端执行系统的研究现状，提出了课题主要的研究内容以及技术改进方案。
其次，根据实际工作需要以及项目设计要求，提出了校表机器人末端执行系统的设计方案，主要包括系统力学分析、末端执行器本体设计以及控制系统的设计。
系统力学分析主要针对电表抓持机构的驱动力以及抓持力的进行计算分析，得出系统的相关参数指标，末端执行器本体设计主要是执行器结构功能设计以及系统机构选型，而末端控制系统的设计主要包括系统硬件电路的设计和控制程序软件设计。
最后，通过系统多次可行性测试分析，验证了系统结构设计的合理性以及数据传输的稳定性。
目前，这套一体化校表机器人系统已经在重庆电网电表检定车间稳定和快速地运行，随着后期校表机器人本体以及末端执行系统的改进和完善，这台系统的功能将变的越来越丰富，系统的实用性也将越来越强大。
关键词：
智能电网，一体化校表机器人，末端执行器，控制系统
ABSTRACT
Sincethe21stcentury,allkindsofrapidtechniquesisdeveloping.Withthedevelopmentandreformofelectricpowersystem,thetraditionalgridisnotmeetingtheneedsofelectricpowerdepartment,whichischangingtosmartgrid.Withthedevelopmentofsmartgrid,theelectricpowerdepartmentisrealizingautomatic,intelligentandunmannedmanagement.Thisarticlehaspresentedthatitisagoodideabyusingthesmartammetercheckingrobotinsteadofpeopletocheckammeter,whichmainlydiscussestheresearchanddesignoftheendexecutionsystemofrobot.
Firstly,withthesourceofthispaperandthebackgroundofproject,thearticlehaspresentedtheresearchgoalandthesignificanceoftheresearchsubject.Besides,throughtheanalysisofthecurrentdomesticandforeignresearchstatusofallkindsofrobotendexecutionsystem,thearticlehaspresentedthemainresearchcontentandimprovementprogramoftheresearchsubject.
Secondly,throughtheneedsofworkofproject,thearticlehaspresentedthedesignprogramofthesmartammetercheckingrobotendexecutionsystem,whichincludethemechanicalanalysis,thedesignofendexecutorandcontrolsystem.Themechanicalanalysismainlycontaintheanalysisofdrivingforceandgraspingforceofthesystem.Thedesignofendexecutormainlycontainstructuraldesign,functiondesignandmodelselectionofdevices.Thecontrolsystemmainlycontainthedesignofhardwareandsoftware.
Atlast,throughmoretestsandanalysis,thearticlevalidatedthefeasibilityandvalidityofendexecutorsystem.
Atpresent,thesmartammetercheckingrobotendexecutionsystemhasbeenworkedsteadilyontheelectricpowerdepartment.Withtheimprovementandfunctionalintegrity,thesmartammetercheckingrobotendexecutionsystemwouldbecomemoreandmorepowerfulandpractical.
KeyWord:
smartgrid,smartammetercheckingrobot,endexecutor,controlsystem
目录
中文摘要I
英文摘要III
1绪论1
1.1课题来源及其背景1
1.2课题研究的目的和意义1
1.3末端执行系统研究现状2
1.3.1国外现状2
1.3.2国内现状4
1.4本文主要研究内容6
2系统总体设计分析9
2.1引言9
2.2系统概述9
2.3系统设计改进10
2.4驱动方式设计11
2.5系统力学分析12
2.5.1摩擦力测试12
2.5.2抓持力分析13
2.6本章小结15
3末端执行器设计17
3.1引言17
3.2执行器功能结构设计17
3.2.1电表抓持机构18
3.2.2电动旋拧螺丝机构19
3.2.3真空吸盘20
3.2.4红外通信模块20
3.3机构选型21
3.3.1光电编码器21
3.3.2驱动电机22
3.4本章小结25
4控制系统设计27
4.1引言27
4.2末端执行控制器27
4.2.1STM32最小系统27
4.2.2电源模块28
4.2.3串口通信电路设计29
4.2.4通信协议32
4.3伺服驱动器35
4.3.1伺服系统36
4.3.2驱动器接口设计37
4.3.3驱动器功能指令38
4.4红外通信模块40
4.4.1红外通信原理40
4.4.2红外通信系统组成40
4.4.3脉冲调制41
4.4.4硬件电路设计42
4.4.5红外通信协议45
4.5真空吸盘控制模块49
4.5.1结构与原理49
4.5.2硬件电路设计49
4.6软件设计50
4.6.1软件开发环境50
4.6.2设计流程51
4.7本章小结55
5系统仿真测试及其实现57
5.1引言57
5.2系统测试以及仿真曲线57
5.2.1电机PID调试57
5.2.2数据通信稳定性测试59
5.2.3电表抓持测试62
5.3实际应用65
5.3.1运行平台65
5.3.2实际现场应用66
5.4本章小结69
6总结71
6.1总结71
6.2展望72
致谢75
参考文献77
附录81
A.作者在攻读学位期间发表的论文目录：
81
B.作者在攻读学位期间参与的科研项目：
81
1绪论
1.1课题来源及其背景
目前，电力部门对于电能表检测多为人工操作。
人工操作既需要浪费很多人力资源，又存在安全隐患，为此国家电网重庆电力公司电力科学研究院组织自身力量和调配外部技术支持研发设计了一整套智能电能表柔性自动化检定系统，整套系统包涵自动化立体式存储仓库、AGV自动引导车、自动电能表检验平台和集成化后台操作平台[1]。
自动化存储仓库主要负责电表流水线的输入和输出；AGV引导车负责搬运来自存储仓库中运输来的电表到电表检测平台；电表检验平台完成电表的检测以及上下存放；而集成化操作平台主要负责完成后期的数据处理以及云数据传输。
但在将电能表摆放到检验台这一环节上还是由人工完成，人工校表存在着许多缺陷，包括浪费人力资源、存在安全隐患等。
为了解决这个问题，重庆电力科学研究院联合深圳先进智能技术研究所共同研发了一套一体化校表机器人系统，该套系统的主要任务是通过控制一个六轴机械臂及其末端执行系统来实现自动取周转箱、自动取表、定位、挂表（机械臂至少能够承受三只电能表的重量，约3Kg）、放表、检测、对表计进行操作、信号灯进行识别等工作流程。
本文就是基于一体化校表机器人这个研究项目进行研究以及论述的，主要研究对象就是一体化校表机器人末端执行系统。
1.2课题研究的目的和意义
根据实际工作环境和项目设计要求，本文研究设计的校表机器人应该具备以下功能：
六轴机械臂能够实现空间内六自由度的运动，进行末端执行器的姿态调整；底座七轴运动模块具有一定的运动精度，能够实现精确的定位；末端执行系统能实现电表的合理抓取和无线检测功能，同时，能够合理利用空间，实现校表台的上表下表功能。
目前，随着科学技术的发展，自动化机械臂以及越来越成为自动化生产系统中重要的一部分，它能代替人类在极其危险恶劣的环境下进行工作，而且还能够代替人类从事极其重复、单调以及繁杂的劳动[2]。
本文研究的校表机器人系统能够快速和精确地完成电力部门里面极其繁琐的人工上下表任务，避免人类在重复、单调的工作中出现差错，提高了工作效率。
此外，目前电力部门对于电能表检测多为人工操作。
人工操作既需要浪费很多人力资源，又存在安全隐患，而且由于“肉眼观察”所带来的随机误差，电能表的抄表工作效率极低，误差极大，校表机器人末端执行系统上独有的红外通信模块，能实时对电表进行数据抄送，提高了系统的稳定性和准确性。
因此，一体化全自动校表机器人的开发与研制具有十分广阔的应用前景，主要体现在以下几个方面：
①全自动化机器操作
当校表机器人真正工作在电力部门校表车间时,这种全自动化操作让电机部门校表车间真正的“智能”起来，真正意义上实现了全部‘无人化’的工作模式，节约了更多的人力资源，提高了校表车间统一、全自动化管理[3]。
②效率高，节约人力资源
从“弯腰”抓起一只电能表,到安装完毕,校表机器人仅需要5秒钟的时间。
通过测试，当一台校表机器人稳定工作的时候，它的效率完全可以替代两个校表工人，极大地提高了车间的生产效率。
③红外抄表模块
机器人机械抓手上独有的红外抄表模块，能完全取代以前旧式、落后的人工抄表环节，不但能避免由于“肉眼观察”所带来的随机误差，而且精度极高，大大提高了抄表的效率。
④市场发展潜力巨大
随着校表机器人的不断发展和创新，新一代的校表机器人系统将增加各种新的功能模块，包括安装工业摄像头进行外观检测以及条形码扫描，随着机器人功能的不断完善，校表机器人将可以满足其他许多行业的需求，具有极大的市场发展潜力。
⑤现代时尚、美观大气
校表机器人开放式的控制系统集成了当代最先进的机电一体化计算机信息处理和智能检测等多项高新技术，可实现与计算机系统的实时信息交互。
同时，校表机器人集成度极高，外表短小精悍，当机器人工作在电力部门校表车间时，全自动的机械操作，充分表现出了现代化和智能化的美感。
1.3末端执行系统研究现状
机器人末端执行器是安装在机器人末端的执行机构，末端执行器的功能决定了机器人的功能，机器人末端执行器的研究涉及到各个领域，包括机器人学、计算机学、机电一体化学等，随着科学技术的发展，各种通用性末端执行器以及专用型末端执行器的研究越来越普遍，研究技术也已经相当成熟。
1.3.1国外现状
国外研究机器人末端执行器的时间较早，美国、德国、日本、俄罗斯等机器人研究强国很早之前就研制成功了多种通用和专用的机器人末端执行器[4]。
国外最早研究机器人的公司是日本FANUC公司，是全球最早的一家由机器人来制造机器人的公司[5]。
FANUC公司研发设计的焊接机器人是最早从事焊接的工业机器人之一，机器人末端的焊接装备就是执行器，如图1.1所示。
以弧焊和点焊为例，末端执行系统由系统电源，末端控制系统、送丝机以及焊枪等部分组成，有的还具备传感感应系统，如工业摄像头、压力传感器及其控制装置等。
这种机器人末端执行系统目前已广泛应用在汽车制造业、座椅骨架、汽车底盘、消声器、导轨以及液力变矩器等焊接中，极大生产效率和生产质量，改善了劳动环境。
图1.1焊接机器人
Fig.1.1WeldingRobot
国外另一家研究机器人比较早的公司为瑞士ABB机器人公司，该公司生产的码垛机器人是最典型的的工业机器人，机器人末端执行器为末端的机械抓手，如图1.2所示。
通过末端的机械抓手，机器人可以将已装入容器的物体，按一定排列码放在托盘、栈板（木质、塑胶）上，进行自动堆码，可堆码多层，然后推出，便于叉车运至仓库储存。
这种码垛机器人可以集成工作在任何自动化生产线中，实现生产现场的自动化、智能化以及无人化[6]。
一般情况下，这种码垛机器人末端执行器除了真空抓手外，还包括翻盖式抓手以及有袋子式抓手等。
在不同的生产环境需求下，机器人可以安装不同的末端执行器实现不同的生产功能。
图1.2码垛机器人
Fig.1.2StackingRobot
1969年挪威Trallfa公司（后并入ABB集团）发明了第一台喷涂机器人，是可进行自动喷涂或喷漆其他涂料的工业机器人，如图1.3所示。
机器人末端执行器为多功能全自动喷枪，主要包括控制系统和末端执行机构。
这种喷漆机器人腕部采用柔性关节手腕，不但可以向空间各个方向弯折，还可以转动，其动作类似人类的手腕，同时，它能顺利地通过一些较小的孔或者洞伸入物体的内部，喷涂其内表面。
喷漆机器人驱动方式一般采用液压驱动，具有防爆性能好、动作速度快等特点。
目前，喷漆机器人已经广泛应用于汽车、仪表等生产行业。
图1.3喷涂机器人
Fig.1.3Paintingrobot
1.3.2国内现状
国内机器人行业发展较慢，起步较晚，目前发展最快的是沈阳新松机器人自动化股份有限公司，中科院下的子公司，是一家以机器人以及机器人末端执行系统为核心技术的上市公司。
该公司生产的机器人以及机器人末端执行系统覆盖多个生产领域，包括移动机器人、洁净机器人、特种机器人、工业机器人以及智能服务机器人等多种机器人产品。
其中很多工业机器人产品打破了国外技术多年的封锁和垄断。
这些机器人产品不但在国内被大规模生产运用，而且好多还被大量出口。
其中，移动机器人还被美国等机器人强国列为重点采购目标。
随着公司的发展和壮大，新松机器人将成为中国机器人产业的领导企业，也将成为国内对外生产提高机器人最大的生产厂商。
如图1.4所示，为新松研发生产的洁净机器人。
图1.4新松自主研发的第一台洁净机器人
Fig.1.4TheFirstCleaningRobotbySINSUN
国内另外一家比较成熟的机器人公司还有安川首钢机器人有限公司，由中国首钢总公司和日本株式会社安川电机共同投资，是一家专门从事机器人及其自动化生产线制造、设计、安装、调试以及销售的中日合资公司。
由安川电机有限公司生产的装配机器人，末端执行器为可编程通用装配操作手，如图1.5所示。
这套装配机器人由工控机、机器人控制器、末端执行系统以及传感系统组成，功能极其强大，能适应任何环境下的机械操作。
目前，这种装配机器人已经广泛地被运用在各行各业，包括电器制造业、汽车零部件组装业以及机械加工业。
和新松机器人发展模式不一样，安川机器人属于中外合资的机器人产品，就中国目前而言，鉴于机器人业起步较晚，发展较慢，这种模式将是中国机器人业发展的新模式[7]。
图1.5安川的装配机器人
Fig.1.5AssemblyRobotbyYaskawa
综上所述，目前国外的机器人行业起步较早，发展比较迅速，很多机器人通用型或者专用型的末端执行器的研制也已经相当成熟。
而国内机器人的研究起步相对较晚，末端执行器研究也相对落后。
但是随着近几年来国内科学技术的发展以及相关政策的实施，国内的机器人行业也将经历一个良好发展的时期，各种类型末端执行系统的研究也将进入一个新时代。
1.4本文主要研究内容
整个校表机器人控制系统总共有5大部分组成：
6自由度串联机械臂、末端执行系统、移动底座、视觉定位模块、电源模块。
移动底座主要实现机械臂在检验台平行位置进行平稳和准确移动；6自由度串联机械臂主要实现末端执行器的连续轨迹控制，将末端执行器运行到指定位置；末端执行器主要实现对电表的抓取、检测功能，电表抓持机构为硬力控制，可实现转速及压力的无级调整，对目标电能表进行有效稳定抓取，红外模块与电表进行实时通信，实现对电表的检测和数据抄送功能；视觉定位模块用于机械臂在拾取仪表或放置仪表时对目标或对表架表位的状态进行实时判断，以确保操作过程中的安全性和准确性，以实现作为机械臂的视觉伺服系统；电源模块给整体机器人系统提供工作所需要的能源，取代过去电源电缆供电的方式，可使机器人系统的工作范围更广，增加作业的移动性和可调整性，并使得整个计量实验室的作业流程更加灵活[8]。
本文论述的这套机器人末端执行系统主要完成抓取三相电能表放置到检验台、打开透明挡板按动编程开关，故设计1个电能表抓取单元、1个电驱动旋拧螺丝刀、1个真空吸盘来实现相关功能。
并搭载红外通信模块，来完成机器视觉部分的电能表检测、抄表等功能。
本文着重对校表机器人末端执行系统进行研究与设计，末端执行系统由末端执行器和控制系统组成，末端执行器只要分为四部分：
电能表抓持机构、电动旋拧螺丝机构、真空吸盘、红外通信模块。
具体研究内容分为以下几个方面：
①系统总体设计分析
根据实际工作环境和项目需求，对系统总体设计进行分析，包括新一代校表机器人末端执行系统设计的改进，系统驱动方式设计以及其他驱动力分析。
②末端执行器设计
末端执行系统主要由前端执行器与后台控制系统组成，本文第二章介绍了机器人末端执行器设计，包括末端执行器结构功能设计，以及功能模块的机构选型。
③控制系统设计
本文研究课题的是校表机器人末端执行系统，结合校表机器人本体控制系统，末端控制系统需具备以下设计要求：
1）电机抓持控制，本套系统的主要功能就是实现对电力部门三相电能表的抓持和松卸。
设计末端执行控制器就是为了对末端抓手驱动电机进行控制，通过位置控制、力矩控制以及速度控制，实现驱动电机的正反转，进而控制机械抓手的抓紧和松开，实现抓放表功能。
2）电机旋拧控制，根据本项目的要求，末端执行系统另一个重要的功能就是对三相电能表表盖螺丝的拆拧，此功能对系统的物理位置要求极高，末端抓手需配合机器人七轴底座的定位，调制好自身姿态，实现对电表挡板螺丝的精确旋拧。
3）气缸电磁阀控制，当真空吸盘吸附电表挡板时，末端执行控制通过输入输出I/O信号，对电缸电磁阀的进行开合控制，使能吸盘，实现对电表挡板的吸附或者松弛操作。
4）红外驱动控制，末端执行控制器需要驱动抓手本身红外发光二极管实现与表台和电能表进行红外通信，检测电能表自身的红外功能是否良好，以及可以实现一些简单的抄表功能。
④系统测试及其实现
因为本文是基于项目本身进行开展的研究设计，所以系统的可靠性也得到了比较好的验证，主要从一下几个方面进行可靠性分析：
1）基于学术要求和项目要求，本套系统设计最重要的指标就是对末端执行控制器的驱动能力和抓持力大小的设计，通过对电表抓持机构自身的结构以及六轴机械臂运动轨迹和速度分析，对电表抓持机构抓持力可靠性进行全面分析测试。
2）本文系统采用全新的全双工422通信，实现系统与机器人以及表台系统之间稳定和快速的收发通信，通过电脑端串口调试工具或者软件进行实时监控，对串口通信可靠性进行分析测试。
3）在特定光亮环境下，对系统红外通信这一块进行可靠性分析，包括传输距离、传输途径以及传输效率的分析测试，能实现系统稳定的检测电表以及红外抄表的功能。
2系统总体设计分析
2.1引言
本文论述的末端执行系统是基于一体化校表机器人这个国家科研项目来研究设计的，系统的主要功能主要是实现电力部门中电表的抓取、检测、通信等校表功能，鉴于电力部门的需求，系统本身需满足一定的设计要求，末端执行器设计是否合理，对能否实现校表机器人末端无损抓取和抗干扰红外通信至关重要。
校表机器人末端执行系统总体设计主要分为以下几个方面：
①系统概述
校表机器人末端执行系统是一个单独的个体组成，通过对系统总体分析，
论述了末端执行系统的运行架构。
②系统设计改进
较之第一代校表机器人末端执行系统，新一代系统做出的改进。
因为一体化校表机器人这个科研项目已经进入了第二阶段，鉴于实际的工作环境和项目需求分析，新一代的机器人末端执行系统的设计较之第一代有了相当大的改进，这些改进使新一代校表机器人末端执行系统运行起来更加的稳定，便于控制。
③系统驱动方式的设计
机器人末端执行系统是实现校表机器人检测和抓取电表的最终执行机构。
系统的驱动设计尤为重要，一般机器人末端执行系统
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