工业机械手原理与控制技术机械手制作与编程道工业机械手原理与控制技术——机械手制作与编程道 深圳市德普施科技有限公司 1 第1章 工业机器人概论与课程准备 ?1-1 机器人概论 机器人学是最近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果体现了光机电一体化技术的最新成果是当代科学技术发展最活跃的领域之一也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。 机器人的产生体现了人类对于先进生产工具的创造性思维人们期待着一种能够模仿人的某些动作代替人完成某些工作特别是某些危险性较高的工作的自动机械...

　　工业机械手原理与控制技术——机械手制作与编程道 深圳市德普施科技有限公司 1 第1章 工业机器人概论与课程准备 ?1-1 机器人概论 机器人学是最近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械

　　、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果体现了光机电一体化技术的最新成果是当代科学技术发展最活跃的领域之一也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。 机器人的产生体现了人类对于先进生产工具的创造性思维人们期待着一种能够模仿人的某些动作代替人完成某些工作特别是某些危险性较高的工作的自动机械。 1948年美国的阿贡实验室研制成功了主从操作遥控机械手主要用来对放射性

　　了第一台关节式示教再现型作业机械手。1962年美国万能自动化公司的第一台机器人问世并在美国通用汽车公司投入使用这标志着第一代工业机器人的诞生。从此机器人开始成为人类生活中的现实。 本教材使用的是六自由度机器人机械手分11章每章讲解内容主要如下 第1章装配工具的准备、机械零部件的识别及机器人伺服电机和微控制器简介。 第2章第4章基座和腰关节、大臂、小臂及手腕和手爪的装配。 第5章机器人整体装配。 第6章机器人电气连接及安全操作规程。 第7章第8章机器人运动学分析、各关节力矩估算。 第9章第10章机器人编程控制及示教编程。 第11章各类机器人的认识。 在进行装配的讲解时教材会增加大量的图片说明加强理解。 ?1-2 装配之前的准备工作 一、机械手零部件 整个机械手由两大部分组成一为电气控制部分包括实验主板BOE、BS2微控制器和PSC电机控制器二为机械部分包括底板组件、手臂组件和手爪组件三部分见图1-1。 图1-1 机械手整体图 该机械手包括的主要电子零部件有 伺服电机 深圳市德普施科技有限公司 2 实验主板BOE BS2微控制器 PSC电机控制器 1伺服电机 伺服电动机又称执行电动机在自动控制系统中用作执行元件把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类其主要特点是当信号电压为零时无自转现象转速随着转矩的增加而匀速下降。 本教材使用了同一厂家的四款型号伺服电机一个HS-225MG支持的最大扭矩为0.47N-m三个HS-475HB支持的最大扭矩为0.593N-m一个HS-645MG支持的最大扭矩为0.94N-m一个HS-805BB支持的最大扭矩为2.42N-m。 电机的扭矩大小不同作用也不同在进行装配时教材会一一说明哪处关节该用哪款电机。 2BS2微控制器和PSC电机控制器 这两款控制器均由美国Parallax生产BS2微控制器是整个机械手的大脑控制整个机械手的行为PSC电机控制器最多可以控制16部电机而它只需要使用BS2的一个IO口节省了IO口的开销并且控制也方便。 这二款控制器的编程将在第10章讲解。 二、安装细节 在进行机械手安装时还需要小号螺丝刀、中号螺丝刀、尖嘴钳以及电钻带Ф2.8mm钻头等工具。其余机械零部件将在进行机械手具体安装时一一给出。 安装时还应注意以下细节 在宽敞明亮的环境下组装 机械手是精密制作的产品需要按正确的顺序组装才能完成 组装完成一套完整的机械手需要3到6个小时 在组装的过程中请随时参照教材中的图片及说明 在组装任何零部件之前请参照教材 经常注意螺丝和铝合金件的方向和朝向 三、伺服电机的准备 教材并不是直接将电机拿来使用而是将所有电机作了如下处理 将电机上的圆盘触角取下来保存螺丝以备后用 用尖嘴钳去除电机两侧凸起部分注意要切口要平整如图1-2。 图1-2 伺服电机的准备工作 深圳市德普施科技有限公司 3 第2章 工业机器人基座和腰关节的装配 该部分的安装需要的零部件清单如下括号内表示数量下同 底板1 底板附板1 配重板1 HS-805BB支架1 推力轴承 套1 推力轴承1 旋转盘1 深沟球轴承套件1 HS-805BB伺服电机1基座 HS-475HB伺服电机1腰关节 HS-805BB加强螺柱4 M2、M3、M4螺钉螺母垫片若干 基座及腰关节详细装配过程如下 1使用Ф2.8mm钻头按图2-1所示位置对HS-475HB电机的圆盘触进行扩孔每个孔直径约为3mm 2将扩好孔的圆盘触角按图2-2的所示用M3x10和M3锁紧螺母及垫片固定在底板上。最简单的方法是一端用尖嘴钳夹紧螺母另一端用螺丝刀将其拧紧 图2-1 扩孔 图2-2 安装圆盘触角 3将推力轴承套用M3x10螺钉、M3锁紧螺母和垫片固定在底板上。注意推力轴承套的方向性大口一边向上如图2-3 图2-3 安装推力轴承套 4按图2-4所示将底板附板用M3x10螺钉、M3锁紧螺母和垫片固定在底板上 注意螺钉要拧紧。 1 2 3 4 深圳市德普施科技有限公司 4 图2-4 将底板附板固定 5如图2-5用M3x10的螺钉、螺母、垫片将旋转盘、HS-805BB支架和HS-475HB电机联结起来 注意 1旋转盘在HS-475HB电机法兰的相对安装位置不要弄错 2HS-475HB电机输出轴靠近旋转盘中心一侧。 图2-5 支架与电机的联结 6将推力轴承装入推力轴承套然后将第5步装配好的HS-475HB套件与底板套件对好用HS-475HB原有的螺钉联结好电机圆盘触角和475HB电机并拧紧 注意要求HS-475HB套件以底板长度方向为轴能够分别向左向右旋转90?。 图2-6 联结套件和底板 深圳市德普施科技有限公司 5 7将HS-805BB的圆盘触角1、5位两个靠中心的孔用Ф2.8mm钻头扩为Ф3.0mm孔再把它装在电机上 注意安装圆盘触角时要求1、5号孔中心连线螺钉、垫片将深沟球轴承组件和HS-805BB支架联结起来深沟球轴承套件的组成如图2-8所示 图2-7 联结轴承与支架 图2-8 深沟球轴承套件 9用4根805BB加强螺柱和8个M4x10螺钉、垫片按图2-9将HS-805BB电机和HS-805BB支架联结起来 注意 1HS-805BB加强螺柱有两种四根一种有凹槽的具体安装如图所示其余的在安装上无分别另外还要注意有凹槽的一端的安装位置 2HS-805BB电机的法兰要安装在HS-805BB支架的外侧。 图2-9 HS-805BB电机与支架的联结 10先用M3x10螺钉和垫片将配重板安装在底板附板上并紧固好然后在底板附板的底面尾端的适当位置粘上两个脚垫并用手压紧粘牢如图2-10 带凹槽加强螺柱 深圳市德普施科技有限公司 6 图2-10 固定配重板 11整个底板组件的整体装配图见图2-11。 图2-11 安装完成的底板 深圳市德普施科技有限公司 7 第3章 工业机器人大小臂的装配 大小臂的安装需要的零部件清单如下 左大臂1 右大臂1 左小臂1 右小臂1 HS-475HB支架1 HS-645MG支架1 深沟球轴承套件2 HS-645MG加强螺柱2 大臂加强螺柱2 加强螺柱3 HS-645MG伺服电机1大臂 HS-475HB伺服电机1小臂 HS-225MG伺服电机1手腕 M2、M3螺钉螺母垫片若干 大小臂关节详细装配过程如下 1如图3-1将深沟球轴承套件通过M2x6螺钉、垫片安装在HS-475HB支架上 图3-1 安装深沟球轴承套 2使用Ф2.8mm钻头将电机圆盘触角上的1、3位靠中心四个孔扩为Ф3.0mm左右然后再装回电机上可参考图2-1 注意安装圆盘触角时要求1、3号孔中心连线HB支架上 注意电机安装位置要正确电机输出轴位置在上面。 图3-2 安装HS-225MG电机 深圳市德普施科技有限公司 8 4如图3-3用M3x10螺钉、垫片和螺母将HS-475HB电机安装在HS-475HB支架上 注意HS-475HB支架安装在电机法兰的下面。 图3-3 安装HS-475HB电机 5参考第2步将HS-645MG电机的圆盘触角上2、4位孔扩好但暂时不要把它装回电机上 6如图3-4将右小臂、HS-645MG支架、深沟球轴承套件三部分用 M2x8螺钉、垫片组装起来并紧固好 注意 1右小臂前后及左右方向不要装反可通过U形槽数量区分前后位置 2HS-645MG支架前后不能装反可通过支架上大圆孔区分。 图3-4 安装右小臂 7按顺序在第6步基础上将HS-645MG电机和左小臂用M3x10螺钉、垫片联结在HS-645MG支架上注意其前后顺序。 然后再将HS-645MG圆盘触角装在电机上并紧固好如图3-5注意触角安装时2、4位孔与旋转角度关系参考第2步 深圳市德普施科技有限公司 9 图3-5 安装HS-645MG电机 8如图3-6将左右大臂分别用M2x6和M3x5螺钉、螺母、垫片组装起来 注意 1左、右大臂的区分右大臂的安装为轴承套件 2左、右大臂的前后方向不要装反通过臂中间的两孔区分。 图3-6 安装右大臂 9将第14步组装的部件按图3-7用相应的螺钉M2x6、M3x8、螺母、垫片装配起来 深圳市德普施科技有限公司 10 图3-7 组装各部件 10手臂组件的整体装配图为图3-8注意运动部件无卡滞无太大松动。 图3-8 安装完成的大小臂 深圳市德普施科技有限公司 11 第4章 工业机器人手爪的装配 手爪的安装需要的零部件清单如下 手爪主动件2 主齿轮1 从齿轮1 手爪支架1 传感器支架1 手爪臂2 手爪2 齿轮支架1 手爪垫块2 垫片20 厚垫片2 HS-475HB伺服电机1手爪电机 M2、M3螺钉螺母垫片若干 手爪关节详细装配过程如下 1首先使用Ф2.8mm钻头将HS-475HB电机圆盘触角2、4位孔扩孔为约Ф3.0mm然后将它装在将电机输出齿轮有凹槽一面并将它和手爪主动件一起用M3x10螺钉螺母、垫片联结在一起如图4-1 图4-1 安装HS-475HB电机圆盘触角 2如图4-2将HS-475HB电机已拆圆盘触角、齿轮支架、手爪垫块、手爪支架等分别用M3x10、M2x8螺钉、垫片螺母等联结起来 注意 1HS-475HB电机输出轴与手爪支架的相对位置 2尽量保证HS-475HB电机输出轴与齿轮支架中心位置为26?0.10mm左右。 图4-2 安装HS-475HB电机 深圳市德普施科技有限公司 12 3如图4-3用M3x8螺钉、垫片将从齿轮和手爪主动件联结起来 图4-3 联结齿轮和手爪主动件 4如图4-4将第1、3步装配好的组件分别安装在HS-475HB电机和齿轮支架上 注意 1安装主齿轮时保证当两手爪主动件并拢时能够顺时针旋转90?以上 2主齿轮和电机联结用电机本身的螺钉 3垫片必须装在齿轮支架和从齿轮之间。 图4-4 手爪支架与手爪主从动件的联结 5如图3-24将手爪、手爪臂、手爪从动件、垫片分别用M3x10、M3x15螺钉锁紧螺母联结起来 注意安装后要求各运动部件运转灵活无卡滞。 图4-5 联结手爪臂等部件 深圳市德普施科技有限公司 13 6如图4-6将第4、5步装配好的组建分别用M3x20、M3x15螺钉锁紧螺母联结起来 注意安装后要求各运动部件运转灵活无卡滞。 图4-6 联结手爪与支架 7如图4-7将传感器支架用垫片、M3x8螺钉螺母联结起来 图 4-7 联结传感器支架 8整个手臂组件的整体装配图如图4-8。 图4-8 安装完成的手爪 深圳市德普施科技有限公司 14 第5章 机械手整体装配 整体装配需要的零部件主要有 805BB螺柱2 805BB加强螺柱4 长拉簧1 短拉簧1 加强螺柱3 645MG加强螺柱2 M2、M3螺钉螺母垫片若干 整体装配即将前面章节所装配成的部件联结起来过程相对简单 1如图5-1将底板组件和手臂组件分别用M3x8螺钉垫片和螺母、M2x6螺钉和垫片联结起来 注意不要拧得太紧因为在装螺柱时可能还需要调整。 图5-1 联结底板和手臂 2如图5-2先将长拉簧装在一根加强螺柱上的凹槽里用M3x10螺钉垫片拧在机械手大臂上然后再将短拉簧的一端扣在HS-645MG支架上一端装在另一根加强螺柱上的凹槽里。 同样用M3x10螺钉垫片拧在机械手大臂上装好后再将其他的螺柱装在相应的位置上用螺钉拧好。 注意调整相对位置使手臂和底座运动良好无卡滞。再将图5-1中的M3x8、M2x6螺钉拧紧。 图 5-2 联结弹簧 深圳市德普施科技有限公司 15 3如图5-3将手爪组件用M3x8螺钉螺母安装 注意把手爪组件安装在HS-225MG电机的圆盘触角上。 图5-3 安装手爪组件 深圳市德普施科技有限公司 16 第6章 机械手电气连线 电气部件连线需要用到的零部件清单有 实验主板1 PSC电机控制器1 阴阳螺钉8 尼龙线螺钉垫片若干 详细的安装过程如下 1如图6-1用M3x10螺钉垫片、阴阳螺钉、螺母将PSC电机控制板固定在机械手底板上 2同样将实验主板用阴阳螺钉和3x10螺钉垫片固定在配重板上 图6-1 固定PSC电机控制板 3将各种伺服电机引线穿过各电机支架并用尼龙扎带扎好。在扎紧线之前请先确认机械臂能运动自如 4使用电机延长线所示是教学板和电机控制器的典型连线示意图。左上角电源可用电池盒电源替代右下角可由6V3A电源供电 图6-2 教学板与电机控制器典型连线各关节电机与PSC电机控制器接口的连接如图6-3示意图中并未画出引线。 深圳市德普施科技有限公司 17 图6-3 电机与PSC控制器的连接 深圳市德普施科技有限公司 18 第7章 工业机器人的运动学分析 ?7-1 机构 一、机构的组成要素 通过大量的分析可以看到机构是具有相对机械运动的构件组合体。这种“构件组合体”是将各种构件按一定方式连接而成的。总的说来机构是由构件和运动副两个要素组成的。 1构件 构件是指作为一个整体参与机构运动的刚性单元。 一个构件既可以是不能拆开的单一整体即为一个零件也可以是由若干个零件装配而成的刚性体。因此构件与零件的区别在于构件是运动的单元零件是制造的单元。例如图7-1中的轴、键和齿轮均为零件将它们装配在一起后就构成一个装配体该装配体是一个运动单元因而它是一个构件。 图7-1 零件与构件 2运动副 为传递运动和动力机构中每个构件都以一定的方式与其他构件保持直接接触而接触的两构件间又必须产生一定的相对运动。两构件间的这种直接接触而又能产生一定相对运动的活动连接称为运动副。两构件上参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素。 两构件间的运动副所起的作用是限制构件间的某些相对运动这种相对运动的限制作用称为约束。由于运动副元素不同相对运动受到的约束情况也不同。相对运动被约束而减少的数目称为约束数目。 一个构件在三维空间自由运动时可有6个自由度即沿三个坐标轴的移动和绕三个坐标轴的转动。当两个构件构成运动副后其有些相对运动自由度就受到了约束约束数目的多少随运动副的结构和性质而异。显然一个运动副引入的约束数目最多只能为5个1自由度最少为1个5自由度。 3运动链 若干个构件通过运动副连接而成的构件系统称为运动链。如果运动链中的各构件首尾封闭则该运动链为闭式链如图7-2a否则称为开式链如图7-2b。在一般机械中大多数采用闭式链而大机器人机构中大多采用开式链。 图7-2 闭式和开式运动链 a b a b c d 深圳市德普施科技有限公司 19 4机构 如果运动链中的一个构件固定作为参考坐标系则这种运动链就称为机构。机构中作为参考坐标系的构件称为机架机架相对地面可以是固定的也可以是运动的。机构中按给定运动规律运动的构件称为主动件也称为原动件其余随主动件运动的构件称为从动件。从动件的运动规律取决于主动件的运动规律和机构的结构和尺寸。 二、运动副的分类 运动副有许多不同的分类方法常见的分类有以下几种 1根据运动副所引入的约束分类 把引入1个约束的运动副称为I级副引入2个约束的运动副称为II级副依此类推最末为V级副。例如转动副和移动副均为V级副只有1个自由度。 2根据构成运动副的两构件的接触情况分类 以面接触的运动副称为低副以点或线接触的运动副称为高副。移动副中的滑块与导轨之间、转动副中的 两运动副元素之间都是面接触故均为低副。 3根据构成运动副的两构件间的相对运动形式分类 如果两运动副元素间只能相互作平面平行运动则称为平面运动副否则称为空间运动副。应用最多的是平面运动副它只有转动副、移动副统称为低副和平面高副三种形式。 ?7-2 空间连杆机构 连杆机构是若干刚性构件用低副连接而成的机构故又称为低副机构。连杆机构分为平面连杆机构和空间连杆机构两大类。本节将对空间连杆机构及机器人机构作一些基本介绍。 一、连杆机构的类型与机器人的结构组成 1闭式链与开式链机构 按组成机构运动链的结构特点可将其分为闭式链机构和开式链机构两类。机构中首尾封闭的运动链系统或首尾均与机架相连而组成的机构称为闭式链机构。而如图7-3所示的机构其运动链只有一端与机架相连而另一端为自由状态这种机构称为开式链机构。 图7-3 开式链机构 2机器人的结构组成 工业上常用来完成焊接、喷涂、搬运或装配等作业的机器人是一种机械和电子相结合的机械电子装置它是通过计算机编程控制来完成各种操作的特殊机械装置它可以在各种恶劣的环境中不知疲倦地代替人做重复性的劳动是一种具有拟人功能的机械电子装置。 目前工业上常用的机器人多为开式链结构主要由三部分组成臂部、腕部和手部。手部又称为机器人的末端执行器是机器人的执行机械。 手部的位置是由其臂部自由度确定的其结构型式主要有直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节式四种。这四种结构型式的机器人各有优缺点适应于不同的生产和作业场合其中关节式机器人具有灵活性高、占地空间小的优点因而得到越来越广泛的应用。 3机器人的驱动源及手部结构 深圳市德普施科技有限公司 20 对于各种结构的机器人为了实现要求的运动必须驱动其各关节处的运动副转动副、移动副或螺旋副作相应的运动。一般用途的机器人运动源主要有三种电驱动、液压驱动和气压驱动。 当需要力矩不大而且需要节拍较快时可采用气压驱动当要求力较大液压源又较方便时可采用液压驱动一般情况下大多数采用电驱动。为实现较高的重复定位精度生产中多采用伺服电机交流或直流作为驱动源当精度要求不高时为降低成本可采用步进电机驱动。 手部结构根据其用途不同会有较大的变化有时可能是结构简单的喷头或吸盘有时可能是工件夹持装置。图7-4为一种圆形工件夹持器的示意图图中构件1、2、3和支持板4组成推杆机构5为连接构件3和4的转动副。V形夹持块6固定在构件3上7为被夹持的圆形工件。当外力沿F方向推动构件1时手部闭合夹紧工件反之当外力F沿F相反方向作用时则手部张开松脱工件。 图7-4 圆形工件夹持示意 二、机器人的自由度 在三维空间中一个活动构件具有六个自由度。当两构件组成运动副后其相对运动便受到约束。设在一个空间机构中有n个活动构件有P1个I级副P2个II级副P3个III级副P4个IV级副P5个V级副则空间机构的自由度F

　　为 F 6n – 5P5 – 4P4 – 33P – 2P2 – P1 例如教材使用的机器人有6个活动构件6个V级副即P5 6则F 6 6 – 5 6 6即机器人的自由度为6。 实际生产中应用的机器人以36个自由度居多。自由度数目越多伺服电机就越多运动学和动力学计算以及计算机控制就越复杂所以在满足使用性能要求的情况下自由度数目越少越好。但有时为了越过工作空间中的障碍或为了更突出其灵活性自由度数目可超过6个这种类型的机器人称为冗余自由度机器人。 ?7-3 机器人运动学计算 一、位姿的基本概念 我们把机器人的末端执行器即手部相对于基座的位置和姿态称为机器人的位姿。 一般情况下习惯于用齐次坐标矩阵表示位姿但用齐次坐标矩阵进行机器人运动学计算时很复杂。教材所使用的机器人有如下特点当基座转至某一位置时其余各杆件均在同一平面内转动于是我们 可以把空间坐标系下的计算转换成在平面直角坐标系下的计算。 二、机器人运动学 计算的基本问题 机器人运动学计算包括两类问题一是给定机器人各关节广义位移 如运动参数的位移距离或转动角度求解并确定其.

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