工业机器人机械手及其控制系统设计

摘要

工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高新技术。这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用。工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸多方面有着举足轻重的地位。而机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一；是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分；是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。

本课题将设计一台四自由度的工业机器人，将会被用作自动送料装置。主要工作部件及设计重点就是机械手。第一，本人将设计该机器人的底座、大臂、小臂以及执行机构机械手爪的结构和模型；第二，再设计出适合于该机器人的驱动、传动方式，以期构成其的结构平台。最后，在此基础上再将其控制系统设计出来，由下面几个步骤组成：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。其中重点要加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终要实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、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：工业机器人；机械手；驱动；控制

Abstract

Industrial robot technology is one of the important fields in the development of new technologies in recent years, is a cross, a variety of emerging technology and mechanical technology integration with microelectronics technology as the leading into a comprehensive high and new technology. This technology has been used more and more in the fields of industry, agriculture, national defense, medical, office automation and service life. Industrial robots play a decisive role in improving the quality of products, to speed up the update products, improve production efficiency, promote manufacturing flexibility, strengthen enterprise and national competitiveness etc. The manipulator is the traditional task execution mechanism of industrial robot system, is one of the key components of the robot; is a product of modern control theory and automation of industrial production practice, and to become an important part of modern mechanical manufacturing system; it is one of the effective ways to improve the production process automation, improve working conditions, to improve the product quality and production efficiency. Especially with a radioactive pollution in high temperature, high pressure, dust, noise and occasions, more widely applied.

This topic will be the design of industrial robot with a four degree of freedom, will be used for the automatic feeding device. The main working parts and design focus is manipulator. First, the base, I will design the robot big arm, small arm and gripper actuator structure and model; second, redesign drive, drive mode suitable for the robot, in order to form the structure of platform. Finally, on the basis of the designed control system, consisting of the following steps: the design of data acquisition card and servo amplifier selection, feedback system and the feedback component selection, terminal board circuit design and control software. The key to strengthen the security of operation reliability and robot control software, to achieve the ultimate goals include: Joint servo control and brake problems, real-time monitoring the movement of each joint of robot, robot teaching programming and online modify the program, set the reference point and the reference point return.

Key Words：Industrial robot; Manipulator; Drive; Control

目录

1绪论 (1)

1.1工业机器人简介 (1)

1.1.1发展史 (1)

1.1.2特点 (1)

1.1.3构造分类 (2)

1.1.4 应用 (3)

1.2国内外发展状况 (4)

1.2.1 国外发展 (4)

1.2.2 国内发展 (5)

1.3工业机器人发展趋势 (5)

2 工业机器人试验平台及机械手设计 (6)

2.1机械手设计 (6)

2.1.1机械手简介 (6)

2.1.2 机械手分类 (6)

2.1.3具体结构设计 (7)

2.2工业机器人基座与连杆设计 (9)

2.2.1基座的设计 (9)

2.2.2大臂设计 (9)

2.2.3小臂设计 (10)

2.3工业机器人自由度及关节的设计 (10)

2.4选择合适的驱动方式 (11)

2.4.1电机驱动 (11)

2.4.2液压驱动 (12)

2.4.3气压驱动 (12)

2.4.4驱动方式的确定 (13)

2.5选择合适的传动方式 (13)

2.6选择合适的制动器 (14)

3控制系统硬件的组成 (15)

3.1选择合适的控制系统模式 (15)

3.2建立合适的控制系统模型 (16)

4控制系统软件的选取和设计 (19)

4.1预期实现动作 (19)

4.2实现手段 (19)

4.2.1 各关节运动控制及监测 (19)

4.2.2 直流电机伺服控制 (20)

4.2.3 电机自锁 (20)

4.2.4 程序的在线修改与示教控制 (22)

4.2.5 参考点的设置 (22)

5总结 (22)

5.1设计经验 (22)

5.2 误差分析 (23)

5.3 总体评价 (23)

致谢 (23)

参考文献 (24)

1绪论

1.1工业机器人简介

1.1.1发展史

1920年由著名捷克斯洛伐克作家查培克所作剧本《罗萨姆的万能机器人》里第一次出现了“机器人”这个名词，但最初”Robot”一词是苦力的意思，指的是一台类人的且具有特殊功能的机器，为一种人造苦力。这就是最原始的的工业机器人假想。

进入20世纪中期，有越来越多的人开始关注机器人的研究。其中美国橡树岭实验室就开始对可控的搬运核原料机械手进行了研究。其控制系统为主从型控制系统，这种控制方式促进了近代工业机器人的研发和设计。

1954年工业机器人的概念由美国人戴沃尔最早提出且申请专利。这是一种借助伺服系统控制机器人关节并利用人手对其动作示教，从而达到动作记录与再现的工业机器人，即示教再现机器人。该控制模式成为当前主流的机器人控制方式。1959年，美国Unimation 公司生产出了世界上第一台工业机器人，成为机器人发展史上的一块里程碑。该公司VAL语言也成为机器人领域最原始的程控语言，并逐渐传播于各个大学及科研机构，成为机器人品牌的基本模版，而且其机械部分的结构也成为该行业的范本。在工业机器人领域，日本也不甘落后，在经过了20世纪60年代的摇篮期，70年代的实用化时期，以及80年代的普及、提高期3个基本阶段后，日本的工业机器人已经取得了突飞猛进的发展。现在，日本机器人主要用于汽车制造业和电子机械产业，而电子机械产品中的电子零件封装、半导体封装、无尘室、组装等领域占了日本机器人销售额的一半。现在日本拥有机器人的总量为美国的7倍。

1.1.2特点

工业机器人具有以下显著特征：

（1）通用性：在执行不同作业任务时，一般的工业机器人都具有良好的通用性（特别设计的专用机器人除外）。例如：为了让同一部工业机器人执行不同的任务，我们可只更换其末端执行机构（机械手爪，作业工具等）；

（2）可编程：柔性启动化是生产自动化的下一发展目标。为了让工业机器人在小批量多品种且具有均衡高效率的柔性制造任务中发挥更好的功能，我们需要根据其工作环境的需要对其进行相应的编程和再编程，这是柔性制造系统中的重要组成部分。

（3）拟人化：除了在机械结构上工业机器人有类似人的移动机构（下肢）、腰部、大臂、小臂、手腕、手爪等之外，在控制系统上还有类似人脑的计算机。而且，新兴的智能化机器人还具有许多类人生物传感器，例如，视觉、声觉、嗅觉传感器，皮肤接触传感器，力传感器，负载传感器以及语言功能等等。正是因为有了传感器，工业机器人对周围环境的适应能力才有了很大提高。

（4）涉及学科较复杂广泛：工业机器人涉及的知识面非常广泛，概括来讲主要为机械学科和微电子学科的结合，即机电一体化技术。第三代智能机器人不仅能够通过各种传感器获得外界信息，而且还具有逻辑推理、图像识别、言语理解等人工智能，这些都与微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用息息相关。所以，机器人技术的发展必将推动其他领域的发展，越来越成为衡量一个国家工业化水平发展的重要依据。

1.1.3构造分类

工业机器人由控制系统、驱动系统和主体三个基本部分构成。其中机座和执行机构（包括手部、腕部、臂部）构成了机器人的主体；动力装置与传动机构组成了机器人的驱动系统；控制系统主要是根据输入程序对驱动系统和主体发出各种指令集进行控制。

工业机器人按照不同的分类方式可分为不同的种类：

按臂部运动形式：工业机器人按照臂部运动形式可分为四类，直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。

按执行机构运动的控制机能：可分为两类，点位型和连续轨迹型。点位型指的是控制其执行机构由一点到另一点的精确定位，通常适用于上下料机构，一般电焊、搬运、装卸等；连续型可实现按照输入程序指定的轨迹连续作业，通常适用于涂装、；连续焊接等。

按程序输入方式：可分为编程输入型和示教输入型两类。编程输入型指可通过串口或以太网通信方式将计算机中已编好程序文件传送至机器人控制柜；而示教输入型指的就是示教再现型工业机器人。

智能型工业机器人指能够在复杂环境下工作，且具备触觉、力觉或简单视觉以及识别功能或进一步增加自适应、学习等功能的复杂机器人。

附图：

图1-1 机器人一般构成

图1-2机器人各部分间相互关系

1.1.4 应用

在现代工业生产中，工业机器人不仅能够代替人类做很多单调、频繁、重复的长时间作业任务，还能有效承担高风险，极端恶劣环境下的作业，例如在原子能领域，完成有害核废料的搬运或处理工作。

20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。

由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。

1.2国内外发展状况

1.2.1 国外发展

1954年，美国人戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利要点为借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，使其实现动作的记录和再现，被称为示教在现机器人，现有机器人基本上都是该控制方式。1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司——Unimation公司，并参与设计了第一台Unimate机器人。这是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人，手臂控制由一台专用计算机完成。它采用分离式固体数控元件，并装有存储信息的磁鼓，能够记忆和完成180个工作步骤。与此同时，另一家美国公司——AMF公司也开始研制工业机器人。它主要用于机器之间的物料运输，采用液压驱动。该机器人的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。一般认为，这两种机器人是世界上最早的工业机器人。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉与触觉就是典型的代表。这些技术的发展推动了机器人概念的延伸。20世纪80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称之为智能机器人。水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术扩散和渗透到各个领域，便形成了各式各样的新机器——机器人化机器。当前，与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。美国的机器人技术一直处于世界领先水平。在1967—1974年的几年时间里，由于政府对机器人发展重视度不够，且机器人处于发展初期，价格昂贵，适用性不强，所以发展缓慢。此后，由于美国机器人协会、制造工工程师协会积极主动的进行机器人技术推广工作，且美国为了高效生产，适应市场多变的需求，以机器人为核心的柔性自动化生产线恰好有这些优点，所以机器人技术得以迅猛发展。

日本机器人的发展经过了20世纪60年代的摇篮期，70年代的实用化时期，以及80年代的普及、提高期3个基本阶段。在1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国引进机器人。1968年，日本川崎重工业公司与美国Unimation公司缔结国际技术合作协议，引进机器人。1970年，日本机器人实现国产化。从此，日本进入了开发和应用机器人时期。几年后，美国反而要向日本进口机器人。1983年，美国从日本进口机器人占进口机器人总数的78%。日本政府和企业一直充分信任机器人，大胆使用机器人。在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量、降低产品成本方面，机器人发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，是日本汽车及电子产品生产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大幅降低，从而使日本汽车能够以廉价的绝对优势进军号称“汽车王国”的美

国市场。据统计，2007年日本机器人的销售额为5850亿日元，其中出口额达到3730亿日元。日本推动机器人发展的主要原因是向海外发展的日本企业数量逐渐增加，同时海外的汽车制造商也开始积极地引进日本机器人。现在，日本机器人主要用于汽车制造业和电子机械产业，而电子机械产品中的电子零件封装、半导体封装、无尘室、组装等领域占了日本机器人销售额的一半。现在日本拥有机器人的总量为美国的7倍。

1.2.2 国内发展

我国工业机器人起步于上世纪1970年初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。1970年我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

1.3工业机器人发展趋势

智能化、仿生化是工业机器人的最高阶段，随着材料、控制等技术不断发展，实验室产品越来越多的产品化，逐步应用于各个场合。伴随移动互联网、物联网的发展，多传感器、分布式控制的精密型工业机器人将会越来越多，逐步渗透制造业的方方面面，并且由制造实施型向服务型转化。

就目前总的发展形势来看，工业机器人会有以下发展趋势：

(1)通过提高运动速度和运动精度，减少不必要的空间和质量的占用；通过工业机器人功能部件模式化和标准化的加速，达到将其不同模块统筹协调的目的；

（2）为适应不同场合作业任务的要求，必须设计研发出各种新型结构的工业机器人，例如：为了达到精度要求而研发出微动机构，为了达到机动灵活的目的而研发出多指灵

巧手或移动是工业机器人；

（3）为了让其更好地适应多变的外部环境，以期获取更多外部信息，就需研发各种类型的传感器和检测元器件，包括视觉、触觉、听觉、味觉传感器以及距离检测、压力监测、加速度检测、陀螺仪等装置，而且微机控制越来越成为主流的控制方式。

2 工业机器人试验平台及机械手设计

本设计的主要目的就是利用手头上一部已经报废掉了的喷涂机器人，在此基础上进行适当的改造和创新，重新设计出一台物料搬运机器人。其中重点部分就是机械手的设计。

2.1机械手设计

2.1.1机械手简介

机械手是工业机器人的重要组成部分，是其直接执行机构，又称为末端操作器，它是机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷头、焊具、扳手、喷枪等）并进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。

随着近年来工业自动化水平的迅速发展，机械手正逐渐发展成为一门新兴的学科，并且发展地越来越快，成为自动化领域中常见的控制对象。其不仅被广泛地应用于诸如喷漆、装配、焊接、冲压、锻造等行业，而且在高温、有毒、高放射性等恶劣环境中也经常看到机械手的身影。由于机械手能够有效地提高生产效率，改善劳动条件，减轻人类的劳动量，因此在工业自动化领域，机械手越来越受到人们的重视。

2.1.2 机械手分类

因为被握工件材质、质量、形状、尺寸以及表面粗糙度等因素的差异，所以工业机器人机械手的种类是很繁多的，我们可以大概地将其分为以下几种：

（1）吸附式取料手；

（2）夹钳式取料手；

（3）仿生多指灵巧手；

（4）专用转换器及操作器；

（5）其他类机械手。

2.1.3具体结构设计

本次设计对象为自动送料工业机器人，只需设计出能从各个角度位置抓取物件的钳形手爪，并不需要设计出结构复杂的仿生多指灵巧手。

工业机器人机械手指直接与物件相接触。通过手指的开闭来实现松开和加紧物件。本次设计使用两根手指，其结构外形如下图所示：

图2-1 该工业机器人机械手指形状

为了实现加紧和松开物料的目的，传动机构须向机械手指传送动力或运动。我们可以根据其张开、闭合的特征将其运动分为平移型和回转型两种。此次设计采用回转型传动机构。在此，我们将其初步机械手结构图设计出来，如下图所示：

图2-2 机械手结构简图

在图2-2中，O点为电机的输出轴，其中滑块B、连杆AB、曲柄OA以及支架构成了简单的曲柄滑块机构；而连杆CE、BC、滑块B以及支架则构成了摇杆滑块机构。最终电机能够驱使连杆DE往复摆动就是通过以上两个机构的串联实现的，从而达到手指开闭的目的。

图2-2中的蓝线与黑线代表该机构运动的极限位置。另外，为了给手指的加紧提供足够的预紧力，也为了使手指更加顺利地加紧和松开物料，特意在两根手指之间连接了一根弹簧。因此，在考虑选取电机时，一定要让电机具有足够的功率来克服弹簧的弹力，这样才能使手指顺利松开和加紧，且提供足够的夹紧力。

为了形象真实的的表示机械手指的工作状况，我们可以选用适当的软件给予仿真处理，本次设计选取的软件为虚拟样机ADAMS软件。

之所以选择ADMS，是因为其方便易用，容易上手。机械手各机构工况分析如下图所示：

图 2-3 ADAMS仿真虚拟场景

接下来就是更重要的数据计算了，我们可以利用该软件求出所需电机的力矩等参数。

图 2-4 所需电机力矩变化示意图

由图2-4，我们可以得知，初始阶段电机克服弹簧的弹力是最大的，因此所选取的电机力矩须大于550 N·mm，数据结果可能会有误差，但还是有很大参考价值的。

2.2工业机器人基座与连杆设计

2.2.1基座的设计

基座是工业机器人的重要组成部分，是其主要的支撑部件。在此，我们采用两块儿“Z”型球墨铸铁作为支撑，以期达到稳定的目的。

电机所有的驱动、反馈信号都从基座上方的接线盒中出入。因此需要在接线盒外部设计出两个出口，分别为引入线出口和引出线出口。基座简图如下：

图 2-5 基座简图

2.2.2大臂设计

统筹机器人总体尺寸，达到整体的协调，故将大臂长度设计为230mm，其具体参数如下图所示：