水果采摘机器人设计【含11张CAD图纸】

喜欢就充值下载吧，，资源目录下展示的全都有，，下载后全都有，dwg格式的为CAD图纸，有疑问咨询QQ：414951605 或1304139763 毕业设计（论文） 任务书 设计（论文）题目：水果采摘机机结构设计 学 院 名 称： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 任仁成 学号： 指 导 教 师： 尚伟燕 2010年 11 月 15 日 1． 设计（论文）拟解决的主要问题 （1） 针对柑橘结构特点提出柑橘采摘机机械臂结构设计方案； （2） 对机械臂各部分结构进行详细的设计与计算； （3） 对机械臂进行运动学及动力学仿真分析。 2．设计（论文）的主要内容和基本要求 主要内容：机械臂的结构设计。 （1） 针对柑橘结构特点提出柑橘采摘机机械臂结构设计方案； （2） 对机械臂各部分结构进行详细的设计与计算； （3） 对机械臂进行运动学及动力学仿真分析。 基本要求： （1） 机械臂伸缩及转向灵活，能够完成机械臂基座左右1.5m范围内的柑橘采摘，采摘高度范围为2m； （2） 机械臂动作连贯、采摘效率高； （3） 设计图样全部用计算机绘制，符合最新制图标准；投影正确，表达完整，布局合理； （4） 设计推导简明扼要，计算正确可靠。 （4） 推荐参考文献（5篇以上，其中外文文献至少2篇） [1] 姜丽萍,陈树人.果实采摘机器人的研究综述[J].农业装备技术， 2006，32（1）：8-10. [2] 张立彬,杨庆华,胥芳,鲍官军,阮健.机器人多指灵巧手及其驱动系统研究的现状[J].农业工程学报,2004, 20(3):271-275. [3] 任烨，蒋焕煜，申川.农业机器人末端执行件的研究发展[J].农机化研究, 2007，(3)：201-203. [4] 李三玉，梁森苗，汪国云，等.浙江效益农业百科全书——柑橘[M].中国农业出版社，2002. [5] 张铁中,徐丽明.大有前景的蔬菜自动嫁接机器人技术[J].机器人技术与应用，2001（2）：14－15 [6] N.Kondo, K.C.Ting. Robotics for bioproduction system[J]. USA: American society of agricultural engineering publisher, 1998 [7] R.Noble, J.N.Reed, S.Miles, A.F.Jackson, J.Butler. Influnce of mushroom strains and population density on the performance of a robotic harveater[J]. Journal of agricultural Engng Res.1997,(68):215-222. 4．进度安排 2010.11.16—2010.12.24 接受任务，熟悉内容，完成文献综述和英文翻译； 2010.12.25—2011.01.19 完成开题报告，毕业实习开始； 2011.01.20—2011.03.10 熟悉机械臂系统结构； 2011.03.11—2011.04.10 柑橘采摘机械臂整体结构的设计； 2011.04.11—2011.05.02 零件图及装配图的绘制； 2011.05.03—2011.05.09 修改图样和整理设计计算书，上交毕业设计资料； 2011.05.10—2011.05.17 论文评阅； 2011.05.18—2011.05.25 准备答辩。 指导教师（签字） 2010年 11 月16 日 教研室主任审核意见： 教研室主任（签字） 2010年 11 月 17 日 摘 要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业柑橘采摘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。工业柑橘采摘机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业柑橘采摘机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台五自由度的工业柑橘采摘机器人，用于给采摘水果。首先，本文将设计柑橘采摘机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建柑橘采摘机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该柑橘采摘机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和柑橘采摘机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测柑橘采摘机器人的各个关节的运动情况、柑橘采摘机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：柑橘采摘机器人，示教编程，伺服，制动 ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake 目 录 第1章 绪论…………………………………………………………………… 1 1.1 柑橘采摘机器人概述………………………………………………… 3 1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状………………………………………… 4 1.3 柑橘采摘机器人的发展趋势…………………………………………… 5 第2章 柑橘采摘机器人机械手的设计…………………………5 2.1自由度及关节……………………………………………………………6 2.2 基座及连杆…………………………………………………………… 7 2.2.1 基座……………………………………………………………… 8 2.2.2 大臂………………………………………………………………9 2.2.3 小臂……………………………………………………………… 10 2.3 机械手的设计……………………………………………………………12 2.4 驱动方式…………………………………………………………………13 2.5 传动方式…………………………………………………………………14 2.6 制动器……………………………………………………………………15 第3章 控制系统硬件……………………………………………………………16 3.1 控制系统模式的选择……………………………………………………17 3.2 控制系统的搭建………………………………………………………18 3.2.1 工控机……………………………………………………………19 3.2.2 数据采集卡………………………………………………………20 3.2.3 伺服放大器……………………………………………………21 3.2.4 端子板……………………………………………………………22 3.2.5电位器及其标定…………………………………………………22 3.2.6电源………………………………………………………………23 第4章 控制系统软件…………………………………………………………24 4.1预期的功能……………………………………………………………25 4.2 实现方法……………………………………………………………26 4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 ……………………26 4.2.2直流电机的伺服控制……………………………………………27 4.2.3电机的自锁………………………………………………………28 4.2.4示教编程及在线修改程序………………………………………29 4.2.5设置参考点及回参考点…………………………………………30 第5章 总结………………………………………………………………………32 5.1 所完成的工作…………………………………………………………33 5.2 设计经验………………………………………………………………35 5.3 误差分析………………………………………………………………36 5.4 可以继续探索的方向………………………………………………… 38 致 谢………………………………………………………………………………39 参考文献……………………………………………………………………… 40 第1章 绪论 1.1 柑橘采摘机器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。柑橘采摘机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业柑橘采摘机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业柑橘采摘机器人或通用柑橘采摘机器人）。 柑橘采摘机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。柑橘采摘机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的柑橘采摘机器人称为专用柑橘采摘机器人，而把工业机械人称为通用柑橘采摘机器人。 简而言之，柑橘采摘机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 柑橘采摘机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用柑橘采摘机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作柑橘采摘机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业柑橘采摘机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种柑橘采摘机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 柑橘采摘机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型柑橘采摘机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为柑橘采摘机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名柑橘采摘机器人的本体部分都采用这种机构形式的柑橘采摘机器人。 要柑橘采摘机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了柑橘采摘机器人的性能。一般而言，柑橘采摘机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。 图1-1 柑橘采摘机器人的一般组成 对于现代智能柑橘采摘机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予柑橘采摘机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及柑橘采摘机器人的触觉装置。柑橘采摘机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个柑橘采摘机器人的。要实现柑橘采摘机器人所期望实现的功能，柑橘采摘机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。 图1-2 柑橘采摘机器人各组成部分之间的关系 柑橘采摘机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是柑橘采摘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。驱动机构提供柑橘采摘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柑橘采摘机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把柑橘采摘机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。 1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状 柑橘采摘机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台柑橘采摘机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业柑橘采摘机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型柑橘采摘机器人后，大力从事柑橘采摘机器人的研究。 目前工业柑橘采摘机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代柑橘采摘机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使柑橘采摘机器人具有感觉机能。 第三代柑橘采摘机器人（柑橘采摘机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业柑橘采摘机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业柑橘采摘机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究柑橘采摘机器人的发展及应用问题。 目前，工业柑橘采摘机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业柑橘采摘机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业柑橘采摘机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至柑橘采摘机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的柑橘采摘机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求柑橘采摘机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求柑橘采摘机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高柑橘采摘机器人系统的性能和智能水平，要求柑橘采摘机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的柑橘采摘机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用柑橘采摘机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的柑橘采摘机器人系统。 美国工业柑橘采摘机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段： （1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年， 万能自动化公司制造的工业柑橘采摘机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业柑橘采摘机器人定型为1900型。 （2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业柑橘采摘机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业柑橘采摘机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业柑橘采摘机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业柑橘采摘机器人传递工件。 （3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业柑橘采摘机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业柑橘采摘机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业柑橘采摘机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级柑橘采摘机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台柑橘采摘机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台柑橘采摘机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型柑橘采摘机器人。 其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型柑橘采摘机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化柑橘采摘机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。 我国虽然开始研制工业柑橘采摘机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业柑橘采摘机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业柑橘采摘机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业柑橘采摘机器人将会获得快速的发展。 1.3柑橘采摘机器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，柑橘采摘机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当柑橘采摘机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业柑橘采摘机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速柑橘采摘机器人功能部件的标准化和模块化，将柑橘采摘机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的柑橘采摘机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走柑橘采摘机器人，以适应不同的场合； c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。 第2章 实验平台介绍及机械手的设计 该设计的目的是为了设计一台柑橘采摘柑橘采摘机器人，利用现有已经报废的焊接柑橘采摘机器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。 2.2基座及连杆 2.2.1 基座 基座是整个柑橘采摘机器人本体的支撑。为保证柑橘采摘机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。 基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。 2.2.2 大臂 大臂长度230mm，具体尺寸如图2.1所示： 图2.1 大臂外形 2.2.3 小臂 小臂长度240mm，具体尺寸如图2.2所示： 图2.2 小臂外形 2.3机械手的设计 工业柑橘采摘机器人的手又称为末端执行器，它使柑橘采摘机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于柑橘采摘机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业柑橘采摘机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类： （1） 夹钳式取料手 （2） 吸附式取料手 （3） 专用操作器及转换器 （4） 仿生多指灵巧手 本文设计对象为柑橘采摘柑橘采摘机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。 手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图2.3所示 图2.3 机械手手指形状 传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图2.4为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。 图2.4 机械手机构简图 在图2.4中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。 图2.4中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。 为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。 另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。 图2.5为采用虚拟样机软件ADAMS来分析所设计的机械手机构的工作状况。 图2.5 虚拟样机场景 下面更进一步计算出所需要的电机力矩。 图2.6 力矩变化情况 从图2.6中看到，起始阶段须克服的弹簧力最大，电机转矩必须大于550N·mm，这为电机的挑选提供了一定的依据。 2.4驱动方式 该柑橘采摘机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。 柑橘采摘机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2.1： 表2.1三种驱动方式的特点对照 内容 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电机驱动 输出功率   很大，压力范围为50～140Pa 大，压力范围为48～60Pa，最大可达Pa   较大 控制性能 利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制 控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 响应速度   很高 较高   很高 结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差 对环境的影响 液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声 无 在工业柑橘采摘机器人中应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂柑橘采摘机器人、点焊柑橘采摘机器人和托运柑橘采摘机器人 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制柑橘采摘机器人，如冲压柑橘采摘机器人本体的气动平衡及装配柑橘采摘机器人气动夹具 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的柑橘采摘机器人，如AC伺服喷涂柑橘采摘机器人、点焊柑橘采摘机器人、弧焊柑橘采摘机器人、装配柑橘采摘机器人等 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求 方便 较复杂 柑橘采摘机器人驱动系统各有其优缺点，通常对柑橘采摘机器人的驱动系统的要求有： 1）．驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高； 2）．反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换； 3）．驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4）．安全可靠； 5）．操作和维护方便； 6）．对环境无污染，噪声要小； 7）．经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。 基于上述驱动系统的特点和柑橘采摘机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对柑橘采摘机器人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。 表2.2柑橘采摘机器人驱动电机参数 电机参数 腰关节 肩关节 肘关节 腕关节 手爪 型号 MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELL-SERVO MULTIPLEX STELL-SERVO 额定电压 18v 18v 18v 6v 6v 额定转矩 18.2 N·m 18.2 N·m 18.2 N·m 10.3 N·m 10.3 N·m 最大转矩 67.4N·m 67.4N·m 67.4N·m 额定转速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高转速 转子惯量 9200rpm 18.4gcm·cm 9200rpm 18.4gcm·cm 9200rpm 18.4gcm·cm 2.5传动方式 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对柑橘采摘机器人的传动机构的一般要求有： （1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动； （3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度； （4）寿命长、价格低。 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。 齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。 齿形带传动原理如图2.7所示。 齿轮带的传动比计算公式为 齿轮带的平均速度为 图2.7 齿形带传动 2.6制动器 制动器及其作用： 制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。 在柑橘采摘机器人机构中，学要使用制动器的情况如下： ① 特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施 ② 停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。 机械制动器： 机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。 在柑橘采摘机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此 这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。 电气制动器 电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。 本文中，该柑橘采摘机器人实验平台未安装机械制动器，因此柑橘采摘机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。 采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在柑橘采摘机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。 机械臂在抓取前必须先进行移动。本文中的移动机械臂，通过肩部和臂部进行方向移动。下面对随动系统定义几个性能参数，这几个性能参数是反映移动过程中抓取的精度、速度和难易程度的指标 (1)抓取速度 移动机械臂的驱动电机以一定速度驱动机械臂时，机械臂的角速度。移动速度是衡量机械臂动性的一个指标，它的大小反映了抓取转移的快慢。 (2)工作空间 移动机械臂移动的工作范围成为工作空间。工作空间是衡量移动机械臂动性的一个指标，它的大小反映了移动机械臂工作范围:工作空间大，一说明在不改变运动体的位置时，机械臂移动的范围就大;反之，工作空间小，机械臂移动的范围就小。 (3)对机械臂的要求 （a）保证旋转精度 移动机械臂的移动精度主要取决于移动系统的质量，传动系统和控制系统的精度。就肩部而言，移动精度与肩部空回量的大小有很大联系。这里的空回量是由于移动的各运动副的啮合间隙和各传动连接件之间的空隙所产生的，这些空隙是由于零件的制造误差和装配误差以及零件的磨损或分解组合调整得不够好所造成的。另外各传动件的加工、装配质量的情况等对于移动精度都有影响。为了提高移动精度，减小移动时的方向变位，有利于提高移动准确度和密集度，对移动机械臂的空回量提出了一定的要求。 (b)保证移动操作轻便，平稳 为了能够迅速地，精确地进行移动完成抓取任务，要求移动机械臂的操作轻便、平稳。移动机械臂的操作轻便、平稳主要取决于在一定移动旋转速度下所需驱动力的大小。 移动机械臂的在稳定运动时，驱动力可按下列公式求出: （6-1） 式中: M—移动关节回转部分阻力矩 R—移动关节驱动电机轴半径 —移动臂总效率 i—移动臂总传动比 而 (6-2） —驱动电机转动的角速度 —肩或臂回转部分转动的角速度即移动速度 由(6-1)式可知： i与P成反比，i愈大，则P愈小。 由(6-2)式可知：i与成反比，i愈大，则。、愈小。 所以电机驱动力P与移动速度是成正比的。这样为了减少驱动力，就必须增加传动比，而增加传动比，会引起移动速度减小。同样，若要提高移动速度，就必须减小传动比;而减小了传动比，又会引起驱动力增大。因此，减小驱动力同提高移动速度是相矛盾的。所以要根据移动机械臂的移动抓取技术要求，在满足一定移动速度的情况下，减小驱动力，以便移动机械臂操作轻便、平稳、灵活。 (c)保证准确定位不易被破坏 引起定位被破坏的可能有以下原因:不平衡力矩的变化、移动中振动等。当机械臂具有自锁性和适当的电机驱动力时，就能保证移动的位置不因上述原因而被破坏。移动机械臂的自锁性是指关节只能正传动，不能逆传动。移动机械臂的关节的自锁性很重要，它不仅保证移动位置不被破坏，而且也保证了因为断电而发生机械臂下落撞击本体。解决移动机械臂自锁的方法通常有以下二种: 一种是移动机械臂的传动机构中，采用自锁的运动副。如自锁的蜗轮蜗杆副，移动机械臂的肩部采用了自锁的蜗轮蜗杆传动方式，实现自锁。另一种是在移动机械臂附加自锁机构。如自锁器、固定盘、电磁闸等。为了防止微小的外力作用到移动机械臂驱动电机轴上而破坏移动，移动机械臂的肩部驱动力不应过小。 (d)有足够的强度、刚度和使用寿命 由于移动机械臂工作条件较差，传递运动受力较大，且受动载荷的作用，各部件应有足够的强度和刚度，以保证移动机械臂肩部不被破坏和产生变形影响抓取精度。这在结构设计和材料选用上应予考虑。同时还要考虑各传动件之间的磨损问题，应尽量减小磨损，磨损以后能够调整。 上述要求，既是移动机械臂设计的基础，又是衡量移动机械臂性能好坏的依据。 2.7 机械臂的肩部结构分析 移动机械臂的肩部采用的蜗轮蜗杆式的，下面移动机械臂的肩部结构分析。 2.7.1 作用原理 肩部结构为蜗轮蜗杆式的。所谓蜗轮蜗杆式肩部，是指在肩部的传动机构中，主要通过蜗轮蜗杆的传动，使肩部回转部分转动，来实现机械臂方向移动的。移动机械臂的肩部还承受并传递臂部时回转部分所产生的回转力矩。 2.7.2 结构及分析 (1)结构 在前面的移动机械臂的肩部机械设计中，对机械臂的肩部结构己经有了详细的介绍，详见前面机械臂结构设计的相关内容，这里就不再累述了。 (2)分析 根据对移动机械臂的要求，来分析机械臂肩部结构性能。 （a）为了提高方向移动精度，减小移动时产生的变位，要求保证在肩部传动轻便灵活的情况下，空回量要小，保证臂部装置在肩部上总的配合间隙所产生的方向移动改变量要小于一定值。肩部的空回量，主要取决于蜗轮蜗杆啮合间隙、磨损情况、蜗杆是否有轴向串动及传动连接件的间隙等。 肩部的蜗轮蜗杆传动是开式传动，不便于润滑和防尘;因此传动过程中的磨损是较严重的。同时蜗轮蜗杆间的摩擦系数较大，也易于磨损。由于磨损较严重，从而增大蜗轮蜗杆的啮合间隙，使肩部空回量变大，这同样会影响移动精度和移动时的变位。工厂在装配过程中应尽量减少装配误差，保证总的配合间隙对移动角的影响最小。 （b）为了使传动轻便、平稳、灵活，在机械臂的肩部的传动机构中，采用了滚动轴承并能通过注油嘴注油润滑。蜗轮蜗杆在装配前经过研磨检查，装配后又经过调整，使其两齿的接触面沿齿高达60%，沿齿宽达50%. 蜗杆为右旋，头数=1，蜗轮齿数=32，配套减速器的减速比=156，齿轮副传动比= 1，因此肩部的总传动比 (6-3) 又 (6-4） 式中。—肩关节电机转动角速度 (6-5) n—电机每分钟转数，n=10200r/m —回转部分转动角速度，即为移动速度 （6-6） 将（6-4）（6-5）代入（6-6）式得到移动肩部的速度 =0.775rad/s 上述为肩关节旋转速度的理论计算值，移动机械臂的旋转速度最大0.5rad/s可看成它符合移动技术要求，实际测量值虽然会因传动机构的加工装配质量等的影响而大一些，但仍是符合移动技术要求的。满足移动机械臂肩部的设计要求。 (c)移动机械臂肩部的自锁是靠能够自锁的蜗轮蜗杆副来保证的。蜗轮蜗杆副自锁条件：蜗杆螺旋角小于折合摩擦角和要可靠自锁必须比至少小1度。 由机械零件可知 (6-7) (6-8) 式中 —蜗杆头数 =1 q—蜗杆特性系数 (6-9) 一蜗杆分度圆直径 =28mm · 一蜗杆轴向模数 =2mm 将上述各值代入公式得到： > 由此可以看出:蜗轮蜗杆虽然符合>条件，而且差大于1，故自锁可靠。 (d)蜗轮蜗杆式的肩部易于旋转方向的要求。 肩部是蜗轮蜗杆传动，蜗杆固定于蜗轮箱内，蜗轮位于蜗轮箱内，通过轴套与转轴相连，与蜗杆啮合。进行旋转运动操作时，主控计算机把臂部角度与目标点的角度进行比 较，角度的差值通过电机驱动器驱动电机转动，电机转动经配套的减速器后，经过一对齿轮副的传动，带动蜗杆转动，蜗杆与蜗轮啮合，使得与蜗轮通过轴套连接的肩部转轴转动，从而使得固定于肩部转轴的臂部转动，赋予肩部在150度范围内转动。 (e)蜗轮副的传动一般具有工作平稳、结构紧凑的特定，但是在这里将它用作移动机械臂的肩部传动机构后，具体情况有所变化。因为蜗轮蜗杆分别安装在箱体上，不能实现对蜗轮蜗杆的固定装置进行组合加工来保证蜗轮蜗杆的中心距有较小的偏差;装配时，蜗轮中心与回转中心不易重合，存在较大的偏差。从而不能保证蜗杆轴线与蜗轮的节圆在同一平面内。所以解决的办法是蜗杆两端加上调整垫片。也就是说，在传动过程中，蜗轮蜗杆的啮合情况是变化的，这就使得电机驱动肩部转动时出现转动不平稳、驱动力不均匀现象。又因为肩部为一级传动，而且旋转部分很重，体积较大，进行肩部旋转定位时，回转惯性也就较大，同时也没有消除回转惯性力矩的缓冲机构，这种回转惯性也就敏感地、直接地反映到电机上来。由于法兰盘和臂部体积较大，使得肩部的体积也较大，且不够紧凑。 第3章 控制系统硬件 3.1 控制系统模式的选择 构建柑橘采摘机器人平台的核心是建立柑橘采摘机器人的控制系统。首先需要选择和硬件平台，控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和开发工作量有很大的影响。一般常用的控制系统硬件平台应满足：硬件系统基于标准总线机构，具有可伸缩性；硬件结构具有必要的实时计算能力；硬件系统模块化，便于添加或更改各种接口、传感器和特殊计算机等；低成本。到目前为止，一般柑橘采摘机器人控制系统的硬件平台可以大致分为两类：基于VME总线（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线）的系统和基于PC总线的系统。近年来，随着PC机性能的快速发展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以PC机为核心的控制系统已广泛被柑橘采摘机器人控制领域所接受。 基于PC机控制系统一般包括单PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP运动控制卡的控制模式，PC+数据采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式灵活，成本低廉，有利于本文设计中的废物利用，在程序和算法上可以自主编制各类算法，适合本课题研究的需要。因此本文选定PC+数据采集卡的控制方式。 3.2控制系统的搭建 图3.1 控制系统框图 3.2.1工控机 在此选用研华工业控制机,主频233MHz,内存128兆，32位数据总线。底板有9个ISA插槽，4个PCI插槽，带VGA显示器。其性能价格比优越，兼容性好，有利于软硬件维护和升级。与普通个人计算机相比工业控制PC机有以下优点： ·芯片筛选要比一般个人计算机严格； ·芯片驱动能力较强； ·整机内部结构属于工业加强型，具有较强的防震和抗干扰性能； ·对环境（如温度、湿度、灰尘等）的要求要比一般计算机低得多。 3.2.2数据采集卡 在本设计中我们主要用到研华公司的PCL812PG和PCL726，其参数如下。 PCL-812PG 主要特点： · 16路单端12位模拟量输入 · 2路12位模拟量输出 · 采样速率可编程，最快达30KHz · 带DMA或中断的A/D · 16路数字量输出 PCL-726 主要特点： · 6路独立D/A输出 · 12位分辨率双缓冲D/A转换器 · 16路数字量输入及16路数字量输出 · 多种电压范围：+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA电流环。 3.2.3伺服放大器 在驱动系统设计过程中，主要是对伺服电机的驱动，本文中利用报废柑橘采摘机器人上的maxon电机驱动关节，因此同样选用maxon伺服电机驱动器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）进行驱动，如图3.2所示，这是专门针对maxon电机设计的伺服电机放大控制器，具有很强的控制功能和稳定性，电源电压12~30v之间，1、2接线端子接伺服电机，直接给电机供电，3，4接线端与电源相连，7、8接控制电压，通过数据采集卡输出的模拟电压信号进入这两个接线端来控制电机的转速大小和正反转，13、14接测速计（本文中未用），3、4、10之间是一个光耦合器，输入“准备好”信号。在伺服控制器前面，有5个旋钮调节器涌来调节电机的五个参数，下边有10个DIP开关，用来选择控制器工作状态。 图3.2伺服放大器接线及其调节示意 3.2.4端子板 不同的被测信号通过不同的传送路线到采集卡，而采集卡在工控机机箱内，不变直接连接到工业系统中的各种传感器或执行器。 端子板的主要作用有两个： ①．端子板是采集卡与每一个信号调理电路或驱动装置之间的电器连接部件，给每一路输入、输出信号提供单独的信号线和地线，使每一路通道可单独接通或断开，系统检修和排除故障时不必全部停止运行。 ②．将每一路信号经过各自的传送路线到达端子板后，可以根据各路信号和传送路线的特点，在端子板上对各路信号进行简单的调理，如经电阻衰减、分流或经过RC低通滤波后进入采集卡。 图3.3所示为端子板电路 图3.3端子板电路 图3.3所示的电路图中，为防止直流电机产生的噪声影响电路的正常运行，使用了光电耦合器4N25。在机电一体化技术中，光电耦合电路是重要的接口电路。 其中PCL-812PG通过五路数字量输出来控制电机电路的通断，PCL-726通过五路模拟量输出来控制电机的正反转和运行速度，另外PCL-812PG还负责采集五个电位器的电压，以此将电机的运行角度反馈给计算机。 3.2.5电位器及其标定 电位器是一种可调电阻，也是电子电路中用途最广泛的元器件之一。它对外有三个引出端，其中两个为固定端，另一个是中心抽头。转动或调节电位器转动轴，其中心抽头与固定端之间的电阻将发生变化。 本文采用的电位器是单圈的，也就是说各关节的运动角度小于360º，对于该柑橘采摘机器人已经足够了。电位器安装在柑橘采摘机器人的各个关节输出轴上，所以在关节角的运动范围内，电位计的输出电压和关节角是一一对应的，存在着一定的函数关系。 从理论上来讲，电位器应该是线性的测量元件，但由于电位器的滑动噪声以及滑线电阻的工作过程中的磨损，这种函数关系并非理想的线性关系，而是存在一定的偏移。电位器的标定就是根据在各个角度处测量的电压值，拟合出一条直线， 近似替代真实的函数关系。 下面即是对各个关节的进行电位计标定。 电位器1的标定，如图 3.4所示： 图 3.4电位器 关节角1与电位计1的函数关系： a=33.3105v-16.895 电位器2的标定 图 3.5 如图 3.5所示： 关节角2与电位计2的函数关系： a=33.2967v -124.2692 电位器3的标定 图 3.6 如图 3.6所示： 关节角3与电位计3的函数关系： a= 32.9333v-16.2222 电位器4的标定 图 3.7 如图 3.7所示： 关节角4与电位计4的函数关系： a= 32.6333v-75.1389 电位器5的标定 图 3.8 如图 3.8所示： 电机5与电位计5的函数关系： a= 32.9000v -36.3611 注：以上标定工作都是在10.00v的电压下测量的 3.2.6电源 电位器和伺服放大器都需要一定的电压，特别是电位计是在10.0v的条件下工作的，稳定的电压对于保证电位计反馈信号的真实性具有重大的影响；而伺服放大器是在12v~30v范围内工作的，电压只要在此范围内即可。 本文采用DH1715A-3型 双路稳压稳流电源，可以提供0~32v电压输出和0~2A电流输出。 这里设定两路电压输出：14.0v——供给伺服放大器运行，10.0v——保证电位计的正常工作。 第4章 控制系统软件 以上完成了柑橘采摘机器人的本体设计和控制系统硬件的搭建，下面将通过设计控制软件，使计算机通过数据采集卡有条不紊地向外部发送指挥信号，最终驱动柑橘采摘机器人各个关节的运动，使之按照人的意愿“工作”。 4.1预期的功能 （1）. 实时显示各个关节角，并且可以防止各个关节的运动角度超出预定的关 节角范围内； （2）. 实现直流电机的伺服控制； （3）. 实现电机的自锁； （4）. 实现示教编程及在线修改程序； （5）. 可以设置参考点，使柑橘采摘机器人在空间有一个固定的参考位置，可以回参考 点。 4.2 实现方法 以模块化程序设计思想为指导，以预期要实现的功能作为各个模块，设计控制软件。 从图3.1可以看出，工控机通过数据采集控制 。编程的任务其实就是用计算机控制数据采集卡使之发出或获取一系列数字量、模拟量。 研华公司的数据采集卡驱动程序中，附带许多与板卡相关的函数和数据结构以供使用，极大的方便了程序编写。 本文采用了Visual C++作为编程工具。 4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 在BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()函数中， 设置定时器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)， 然后在void CRobotDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)函数中， 通过调用bool CRobotDlg::position_now(USHORT ka1_chan)，采样电位器输出电压，通过前面的电位器标定函数，换算出各个关节的角度，并显示出来。 在void