搬運(yùn)機(jī)械手反解運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PAGEPAGE43目錄第一章引言 11.1機(jī)械手的發(fā)展及應(yīng)用 11.2機(jī)器人的分類 31.3工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及在各國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展及預(yù)測 41.4我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及前景 61.5本論文的意義和研究內(nèi)容 6第二章機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能及基本技術(shù)參數(shù) 82.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能 82.2機(jī)械手的基本參數(shù) 10第三章連桿坐標(biāo)系間的變換矩陣 123.1齊次坐標(biāo)與手部位姿矩陣 123.2連桿坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣的表示方法 133.3連桿坐標(biāo)系間變換矩陣的確定 13第四章機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué) 15第五章控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 205.1控制方式的確定 205.2選擇PLC 215.2.1PLC規(guī)模的估算 215.2.2PLC的選擇 225.3可編程控制器（FX2N-64MR）結(jié)構(gòu)功能介紹 235.4PLC的外部接線 235.5位置檢測電路 235.6輸入輸出接口電路 255.6.1輸入接口電路 255.6.2PLC輸出接口電路 255.7控制軟件的設(shè)計(jì) 275.8梯形圖及指令語句 28結(jié)論與展望 29參考文獻(xiàn) 30致謝 31附錄1 32附錄2 33附錄3 37外文翻譯 39外文文獻(xiàn) 46搬運(yùn)機(jī)械手反解運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：本文采用可編程控制器（PLC）對一五自由度搬運(yùn)機(jī)械手的反解運(yùn)動進(jìn)行控制。根據(jù)機(jī)器人的位姿，用機(jī)器人反向運(yùn)動學(xué)求出各個關(guān)節(jié)應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，通過傳動比和各軸分辨率得到各對應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。然后利用光電編碼器對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測，并對機(jī)械手的5個直流伺服電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)軸的準(zhǔn)確定位和機(jī)械手的運(yùn)動控制。關(guān)鍵字：機(jī)械手；反向運(yùn)動學(xué)；編碼器；PLCTheDesignofConveyerManipulatorCounter-solutionMovementControlSystem(XiangtanuniversitymechanicalengineeringinstituteZhouLiujun)Abstract:Thisarticleadoptsprogrammablecontroller（PLC)tocontroltheanti-solutionmotionofafivefreedomconveymanipulator.Accordingtotheposeofrobot,usingrobotreversekinematicssolveforangleeacharthvosisshouldturned,therebysolveforcorrespondcornerofeachmotorwithgearratioandeachshaftresolution.AndthenusingphotoelectricencoderdetecttheshaftcornerofD.C.motor,andcontroltheforwardandreverserotateoffiveDCservomotoronthemanipulator.Accordingly,implementthepinpointofthemortorshaftandthemotioncontrolofthemanipulator.Keywords:Manipulator;ReverseKinematics;Encoder;PLC第一章引言“工欲善其事，必先利其器”。人類在認(rèn)識自然、改造自然、推動社會進(jìn)步的過程中，不斷地創(chuàng)造出各種各樣為人類服務(wù)的工具，其中許多具有劃時(shí)代意義。作為20世紀(jì)自動化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會的生產(chǎn)、生活密不可分。世間萬物，人力是第一資源，社會進(jìn)步是歷史的必然，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，就像其它科學(xué)技術(shù)的發(fā)明發(fā)現(xiàn)一樣，機(jī)器人已經(jīng)漸漸成為人類的好助手、好朋友。作為機(jī)器人發(fā)展過程中的一個很重要的環(huán)節(jié)，機(jī)械手是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。1.1機(jī)械手的發(fā)展及應(yīng)用20世紀(jì)40年代中后期，機(jī)器人的研究與發(fā)明得到了更多人的關(guān)心與關(guān)注。20世紀(jì)50年代以后，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開始研究能搬運(yùn)核原料的遙控操縱機(jī)械手，如圖1.1所示[1]。圖1.1主從型遙控操縱機(jī)械手這是一種主從型控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中加入力反饋，可使操作者獲知施加力的大小，主、從機(jī)械手之間有防護(hù)墻隔開，操作者可通過觀察窗或閉路電視對從機(jī)械手操作機(jī)進(jìn)行有效的監(jiān)視，主、從機(jī)械手系統(tǒng)的出現(xiàn)為機(jī)器人的產(chǎn)生以及近代機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造作了鋪墊。此后，美國的戴沃爾(Ceorge.G.Devol)設(shè)想了一種可控制的機(jī)械手。1954年，他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)表了“適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人”一文，并獲得了美國專利。戴沃爾在此后還設(shè)計(jì)了一種可以接受示教而完成各種簡單的重復(fù)動作的機(jī)器人。在任務(wù)的執(zhí)行過程中，機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下依次再現(xiàn)上述位置，故這種機(jī)器人的主要技術(shù)功能被稱為可編程和示教-再現(xiàn)功能。1959年第一臺工業(yè)機(jī)器人在美國誕生，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、多種感覺能力以及對作業(yè)環(huán)境的較強(qiáng)自適應(yīng)能力的方面發(fā)展。美國貝爾科爾公司已成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝配在芯片上，其分析速度比普通計(jì)算機(jī)快千萬倍，可更快、更好地完成語言識別、圖像處理等工作[1]。目前，美國在機(jī)器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的機(jī)器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動了機(jī)器人學(xué)的建立，許多國家成立了機(jī)器人協(xié)會，美國、日本、英國、瑞典等國家設(shè)立了機(jī)器人學(xué)學(xué)位。20世紀(jì)70年代以來，許多大學(xué)開設(shè)了機(jī)器人課程，開展了機(jī)器人學(xué)的研究工作，如美國的MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、UniversityofCalifornia等大學(xué)都是研究機(jī)器人學(xué)富有成果的著名學(xué)府。隨著機(jī)器人學(xué)的發(fā)展，相關(guān)的國際學(xué)術(shù)交流活動也日漸增多，目前最有影響的國際會議是IEEE每年舉行的機(jī)器人學(xué)及自動化國際會議，此外還有國際工業(yè)機(jī)器人會議(ISIR)和國際工業(yè)機(jī)器人技術(shù)會議(CIRT)等。出版的相關(guān)期刊有“RobotToday”、“RoboticsResearch”、“RoboticsandAutomation”等多種[1]。在當(dāng)今這個新型工業(yè)化時(shí)代，機(jī)械手已逐步的被用于工業(yè)生產(chǎn)各個行業(yè)中，以下是兩種非常典型的工業(yè)機(jī)械手（如圖1.2、圖1.3）。圖1.2點(diǎn)焊機(jī)器人圖1.3PUMA700機(jī)器人機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但從外形來看，它和人的手臂相似，是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開式鏈。它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)。機(jī)器人的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及多剛體動力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，機(jī)器人應(yīng)用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。當(dāng)代對機(jī)器人的研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。例如：(1)機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。

(2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。

(3)可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。(4)可在危險(xiǎn)場合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。(5)宇宙及海洋的開發(fā)。

(6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。隨著工業(yè)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，機(jī)器人學(xué)的不斷完善，工業(yè)機(jī)器人成了可編程序的機(jī)電一體化的裝置，在操縱控制下能按規(guī)定的程序完成一定的工作，更具有記憶，示數(shù)，再現(xiàn)等仿人功能，因此它已經(jīng)成為柔性制造系統(tǒng)（FMS），自動化工廠（FA），計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動化工具[2]。1.2機(jī)器人的分類根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人也相應(yīng)有不同的種類。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可看作是由一些連桿通過關(guān)節(jié)組裝起來的。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。連桿和關(guān)節(jié)按不同的坐標(biāo)形式組裝，機(jī)器人可分為五種：直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人，本論文中控制的對象為一五自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械手，它屬于關(guān)節(jié)型機(jī)器人中的一個典型。關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人主要由立柱、前臂和后臂組成(圖1.4)，PUMA機(jī)器人是其代表。圖1.4關(guān)節(jié)型機(jī)器人機(jī)器人的運(yùn)動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但位置精度較低，有平衡問題，控制存在耦合，故比較復(fù)雜，這種機(jī)器人目前應(yīng)用得最多[1]。1.3工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及在各國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展及預(yù)測機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重要的作用。國外專家預(yù)測，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)UNECE(聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會)和IFR(國際機(jī)器人聯(lián)合會)統(tǒng)計(jì)，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭，80年代工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入發(fā)展中期，汽車、電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè)機(jī)器人，推動了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用滿足了人們特性化的要求，產(chǎn)品的批量越來越大，品種越來越多，而且產(chǎn)品的一致性也大大提高，為商家占有了更多的市場份額，獲得了更多的市場利潤。90年代初期，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求達(dá)到了一個技術(shù)成熟期，1990年世界上新裝備工業(yè)機(jī)器人80943臺，1991年裝備了76443臺，到1991年底世界上已有53萬臺工業(yè)機(jī)器人工作在各條戰(zhàn)線上。進(jìn)入90年代，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年銷售量增長率平均在10％左右；2004年增長率達(dá)到了創(chuàng)記錄的20％，其中，亞洲機(jī)器人增長幅度最為突出，增長43％，如圖1.5所示。數(shù)據(jù)來源：UNECEHE和IFR注1：其中日本在2000年以前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括了所有機(jī)器人的數(shù)目，與各國數(shù)據(jù)缺乏可比性。注2：韓國的數(shù)據(jù)包括了所有類型的工業(yè)機(jī)器人，與各國的數(shù)據(jù)缺乏可比性。圖1.52003年制造業(yè)中每1萬名雇員擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量[4]UNECE估計(jì)，2004年全球至少安裝了10萬臺新的工業(yè)機(jī)器人。其中：歐盟31100臺（比2003年增加15%，但比2001年的記錄僅增加1%）；北美16100臺（比2003年增加27%，比2000年的記錄高24%）；亞洲51400臺，主要在日本，但中國市場增長迅速（比2003年增長24%）。以下我們還可以從表1.1中的數(shù)據(jù)了界工業(yè)機(jī)器人在各國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與預(yù)測。表1.1全球工業(yè)機(jī)器人年度安裝量和年運(yùn)行總量及2007年的預(yù)測數(shù)（單位：臺）[3]國家或地區(qū)年度安裝量運(yùn)行總量2002年2003年2007年2002年2003年2007年日本253733158841300350169348734349400美國99551269315900103515112390145100歐盟260962711434400233769249200325900其他歐洲國家5829221300110091140914200亞洲/澳洲512366958900604276541978500其他國家146627644500442161362027200總計(jì)（除日，韓）392444552858700375671404193590900總計(jì)（包括日，韓）6859581776106300770105800722997700數(shù)據(jù)來源：UNECE和IFR注：日韓的統(tǒng)計(jì)口徑和其他國家有所出入。從近幾年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化，控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化，伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化，多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化，工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化，以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。

UNECE和IFR預(yù)測，至2007年，全球運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人總量將從2003年的800772臺，增長至2007年的997700臺，年平均增長5.6％。其中，日本年度工業(yè)機(jī)器人總量將從2003年的348734增長至2007年的349400臺，年平均增長0.048％；歐洲將從2003年的249200臺增長至2007年的325900臺，年平均增長6.9％；美國從2003年的112390臺增長到2007年的145100臺，年平均增長6.6％。全球新安裝機(jī)器人的數(shù)量從2003年的81776臺增至2007年的10600臺，年平均增長6.7%。其中，日本工業(yè)機(jī)器人的年度安裝量將從2003年的31577增長至2007年的41300臺，年平均增長6.9%；歐洲將從2003年的27114臺增長至2007年的34400臺，年平均增長6.1%；美國從2003年的12693臺增長至2007年的15900臺，年平均增長5.8%[5]。1.4我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及前景我國的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，約于20世紀(jì)70年代末、80年代初開始。以后的20多年中，在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等國際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。從近幾年來看，我國已經(jīng)有很多單位和企業(yè)已經(jīng)著手機(jī)器人的研究和開發(fā)，已經(jīng)研究出多種型號的機(jī)器人。我國工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過二十多年的發(fā)展已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁出了新的步伐。近幾年，我國工業(yè)機(jī)器人以及包含工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)線和工程項(xiàng)目、相關(guān)產(chǎn)品的年銷售額已經(jīng)超過3億元。國家“863”計(jì)劃當(dāng)中，我國的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于汽車、電子行業(yè)當(dāng)中，其發(fā)展水平也已經(jīng)逐步接近世界先進(jìn)水平，相信以目前的發(fā)展水平會在不久的將來趕上各先進(jìn)國家的步伐。1.5論文的意義和研究內(nèi)容機(jī)器人技術(shù)是近30年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學(xué)科。它綜合了力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、自動控制、傳感技術(shù)、電液驅(qū)動技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科的有關(guān)知識和最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就。機(jī)器人學(xué)是隨著機(jī)器人的發(fā)展而發(fā)展的，而它的發(fā)展與完善又不斷地推動著機(jī)器人技術(shù)水平的提高，擴(kuò)大著機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域;同時(shí)機(jī)器人學(xué)也極大地促進(jìn)了控制技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、仿生學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，所以機(jī)器人學(xué)是一門集中反映高新技術(shù)的新興學(xué)科。科學(xué)的進(jìn)步與技術(shù)的創(chuàng)新，為機(jī)器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化、自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。從某種意義上說它是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入80年代以來，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國家均把機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。我國現(xiàn)代化建設(shè)的十五計(jì)劃的“211工程”中就有一個“智能移動機(jī)器人系統(tǒng)”建設(shè)項(xiàng)目[6]。本文結(jié)合當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種五自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程。分析了機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)地對本機(jī)械手的逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了分析。在同組同學(xué)用齊次坐標(biāo)變換的方法對機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)正解進(jìn)行了分析和研究的基礎(chǔ)上，對機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)逆解進(jìn)行了分析和研究，并用代數(shù)法求出結(jié)論表達(dá)式。然后選擇其中的一組最優(yōu)的解，利用PLC控制器編程來控制機(jī)械手的運(yùn)動。參考文獻(xiàn)[1]劉極峰，易際明，等.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006年5月[2]熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,1996年[3]馬光,申桂英,等.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].南京化工大學(xué)學(xué)報(bào),2003（3）[4]朱力.目前各國機(jī)器人發(fā)展情況[J].中國青年科技2003(11)[5]張效祖.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].世界制造技術(shù)與裝備市場,2004(5)[6]郝海青.串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)械手的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì).萬方數(shù)據(jù)庫碩博士論文，2002

第二章機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能及基本技術(shù)參數(shù)2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和功能本文所涉及的五自由度機(jī)械手是建立在GR-1型教學(xué)機(jī)械手的基礎(chǔ)之上，它有五個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個抓取物體的工具(手爪)，還配有示教盒和控制器（除機(jī)械部分外基本已失效）。主要由機(jī)械部分和控制系統(tǒng)兩部分組成：機(jī)械部分：該機(jī)械手是一個關(guān)節(jié)型機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單，并且全部采用開放式結(jié)構(gòu)。其6個自由度皆由直流伺服電機(jī)驅(qū)動。控制系統(tǒng)：通過對控制器進(jìn)行編程，由光電閉環(huán)伺服回路引導(dǎo)機(jī)械手末端手爪，可以實(shí)現(xiàn)對其準(zhǔn)確定位。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)可歸納為：（1）機(jī)械設(shè)計(jì)采用裸體式以便能看清楚所有運(yùn)動副的工作情況。（2）機(jī)構(gòu)和功能與大型工業(yè)機(jī)器人類似。（3）用直流伺服電機(jī)和鏈傳動作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作狀態(tài)也和工業(yè)機(jī)器人、CNC裝置的情況類似。（4）采用全數(shù)字控制方案，每個關(guān)節(jié)的直流伺服電機(jī)都裝有光電編碼器，用高傳動比以獲得較高的關(guān)節(jié)角位移分辨率。（5）控制器可同時(shí)控制6個直流伺服電機(jī)，用戶可認(rèn)為控制器是透明的，致力與軟件開發(fā)。該機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖和部件傳動圖如圖2.1—2.4所示。圖2.1腰傳動圖腰部通過一對齒輪副直接傳動。安裝在底座上的直流伺服電機(jī)的輸出經(jīng)減速器變速后，通過齒輪傳動使腰部繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度不小于180°。從動齒輪上裝有行程開關(guān)，對腰部傳動進(jìn)行限位檢測，可實(shí)現(xiàn)最大限位控制。圖2.2上臂傳動圖上臂固定在腰部從動齒輪上，安裝在腰部上的伺服電機(jī)通過鏈傳動帶動上臂進(jìn)行擺動幅度不小于270°的運(yùn)動，并且隨腰部一起傳動。圖2.3前臂傳動圖前臂固定在上臂末端軸(肘關(guān)節(jié)軸線)上，其驅(qū)動電機(jī)固定在腰部，通過2級鏈傳動帶動前臂轉(zhuǎn)動。采用鏈輪張緊鏈條，二級鏈傳動第一級參數(shù)與上臂的參數(shù)相同，次級傳動是等比傳動。圖2.4手傳動圖手傳動驅(qū)動電機(jī)固定在腰部，通過2級鏈傳動帶動手繞前臂末端軸線轉(zhuǎn)動。它是二級鏈傳動帶動及鋼絲繩傳動相結(jié)合。其中，次級鏈傳動和鋼絲繩傳動都是等比傳動，都是用鏈輪張緊，其轉(zhuǎn)動幅度不小于270°。腕部裝有2個直流伺服電機(jī)，一個通過齒輪傳動驅(qū)動腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一個通過連桿機(jī)構(gòu)帶動手爪的開合。此外，在機(jī)器人本體下面還有安裝底板，用于穩(wěn)定機(jī)身，防止在機(jī)器人的肘，臂伸出時(shí)，機(jī)器人傾倒。除了齒輪傳動外，鏈傳動也是GR-1型示教機(jī)械手重要的傳動方式。該機(jī)械手的上臂，前臂和手是通過鏈輪傳動實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的。各機(jī)械結(jié)構(gòu)為基本空間縮放結(jié)構(gòu)，用高強(qiáng)度鋁合金材料制成。機(jī)械手的運(yùn)動由腰部轉(zhuǎn)動、上臂擺動、前臂擺動、手俯仰、腕旋轉(zhuǎn)和手爪開閉6個動作部分組成。各關(guān)節(jié)和手腕的運(yùn)動用直流伺服電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)的輸出軸上安裝有光電編碼器，用于位置檢測，并將位置信號反饋到控制器輸入端，構(gòu)成伺服電機(jī)驅(qū)動回路的閉環(huán)反饋控制。2.2機(jī)械手的基本參數(shù)機(jī)械手的基本參數(shù)如下：a、外形尺寸：340×340×530（復(fù)位狀態(tài)，包括底座）b、自由度：5（不包括手指開閉控制）c、各關(guān)節(jié)活動范圍：腰：≥±180°肩：≥200°肘：≥270°手俯仰：≥270°手指旋轉(zhuǎn)：≥360°d、最大活動區(qū)：垂直方向：850mm水平方向：600mme、各軸的分辨率：軸電機(jī)代號分辨率（度/脈沖）手指旋轉(zhuǎn)B0.24手俯仰C0.11前臂D0.11上臂E0.11軀干F0.14f、運(yùn)動速度：≥20度/秒g、重復(fù)精度：≤1mmh、最大負(fù)重：≥1kgi、機(jī)械手重：11.0kg（包括底座）j、基本尺寸：軀干：115×215mm腰高：153mm肩高：249mm上、前臂長：228mm手前部：137mm手后部：68mm手指：50mmk、運(yùn)動控制：數(shù)字式光電閉環(huán)伺服回路l、驅(qū)動方式：直流伺服電機(jī)

第三章連桿坐標(biāo)系間的變換矩陣3.1齊次坐標(biāo)與手部位姿矩陣本設(shè)計(jì)中我們所研究的搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)質(zhì)上是由一系列關(guān)節(jié)連接而成的空間連桿開式鏈機(jī)構(gòu)。而要研究此機(jī)械手，就必須對機(jī)器人運(yùn)動學(xué)有一個基本的了解。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)中的一個最基本問題就是齊次坐標(biāo)、機(jī)器人的位姿分析。在選定的直角坐標(biāo)系{A}中，空間任一點(diǎn)P的位置可以用3?′?1的位置矢量AP表示，其左上標(biāo)表示選定的坐標(biāo)系{A}，此時(shí)有AP?=?[PXPYPZ]T (2.1)式中：PX、PY、PZ是點(diǎn)P在坐標(biāo)系{A}中的三個位置坐標(biāo)分量，如圖3.1所示。圖3.1空間任一點(diǎn)的坐標(biāo)表示將一個n維空間的點(diǎn)用n?+?1維坐標(biāo)表示，則該n?+?1維坐標(biāo)即為n維坐標(biāo)的齊次坐標(biāo)。用齊次坐標(biāo)的規(guī)格化形式表示即：P?=?[PXPYPZ1]T (2.2)在圖3.2中，i、j、k分別表示直角坐標(biāo)系中X、Y、Z坐標(biāo)軸的單位矢量，用齊次坐標(biāo)表示之，則有：圖3.2坐標(biāo)軸的方向表示X?=?[1000]TY?=?[0100]TZ?=?[0010]T圖3.2中所示的矢量u的方向用4?′?1列陣可表達(dá)為：u=?[abc0]T(2.3)a?=?cosa，b?=?cosb，c?=?cosg手部的位置矢量為固定參考系原點(diǎn)指向手部坐標(biāo)系{B}原點(diǎn)的矢量P，手部的方向矢量為n、o、a。于是手部的位姿可用4?′?4矩陣表示為(2.4)3.2連桿坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣的表示方法在對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析是，可以直接對機(jī)器人進(jìn)行某種抽象，將連桿抽象為直線，而將關(guān)節(jié)抽象為點(diǎn)，這樣對分析結(jié)果不會產(chǎn)生影響。這是機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)建模。在運(yùn)動學(xué)的建模中，坐標(biāo)系的選擇有很多種，而最為常見的Denavit-Hartenberg方法（D-H方法），其坐標(biāo)系的建立如下：兩連桿間的關(guān)系由4個參數(shù)來描述，其中兩個參數(shù)用來描述連桿，即公共法線的距離ai和垂直于ai所在平面內(nèi)兩關(guān)節(jié)軸線(Zi–1和Zi)的夾角αi；另兩個參數(shù)表示相鄰兩桿的關(guān)系，即兩連桿的相對位置di和兩連桿法線的夾角qi。ai稱為連桿長度，αi為連桿扭角，di為兩連桿距離，θi為兩連桿夾角。用表示機(jī)器人連桿n坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換成連桿n–1坐標(biāo)系的坐標(biāo)的齊次坐標(biāo)變換矩陣，通常寫成。對于n個關(guān)節(jié)的機(jī)器人，前一個關(guān)節(jié)向后一個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)齊次變換矩陣分別為：。其中，表示桿件1上的1號坐標(biāo)系到機(jī)座的0號坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換矩陣。3.3連桿坐標(biāo)系間變換矩陣的確定一旦對全部連桿規(guī)定坐標(biāo)系后，就能建立相鄰兩連桿與+?1之間的相對關(guān)系，連桿–1的坐標(biāo)系經(jīng)過變換可以與連桿的坐標(biāo)系重合。如果把表示相鄰連桿相對空間關(guān)系的矩陣稱為A矩陣，那么根據(jù)上述變換步驟，從連桿到連桿–1的坐標(biāo)變換矩陣為：=?Rot(Z,)Trans(0,0,)Rot(X,) (2.4)上式為在D-H坐標(biāo)系中，機(jī)械手中轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)坐標(biāo)與其前一個關(guān)節(jié)坐標(biāo)的齊次變換矩陣。能描述連桿坐標(biāo)系之間相對平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換。描述第一個連桿對于機(jī)身的位姿，描述第二個連桿坐標(biāo)系相對于第一個連桿坐標(biāo)系的位姿。如果已知一點(diǎn)在最末一個坐標(biāo)系（如n坐標(biāo)系）的坐標(biāo)，要把它表示成前一個坐標(biāo)系（如n-1）的坐標(biāo)，那么齊次變換矩陣為。依次類推，可知此點(diǎn)到基礎(chǔ)坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換為：對于機(jī)械手末端執(zhí)行器坐標(biāo)系(即連桿坐標(biāo)系5)的坐標(biāo)相對于連桿i–1坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，用i–1T5表示，即：機(jī)器人末端執(zhí)行器相對于機(jī)身坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為：（式中：常寫成）由齊次變換矩陣可以求得機(jī)器人的運(yùn)動方程。

第四章機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)同組同學(xué)已經(jīng)建立了機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程：（4.1）式中:;;;;;.(4.2)對于5自由度的機(jī)械手而言，其運(yùn)動學(xué)方程也可以寫成：=（4.3）（式中：0T5?常寫成T5?。）上式中左邊矩陣表示末端連桿相對于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位姿。給定末端連桿的位姿計(jì)算相應(yīng)關(guān)節(jié)變量的過程叫做運(yùn)動學(xué)逆解。機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)逆解存在多解性，如圖4.1所示為一個二自由度的機(jī)器人，對于給定的位置與姿態(tài)，它是可解的且有兩組解。圖4.1機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解多解性示意圖造成機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解具有多解的原因是由于解反三角函數(shù)方程產(chǎn)生的。事實(shí)上對于一個真實(shí)的機(jī)器人，只有一組解與實(shí)際情況相符合，所以必須對這些解做出判斷，以選擇合適的解。目前，已經(jīng)能夠?qū)σ话憬Y(jié)構(gòu)的六自由度串聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)求解。但是，要獲得顯式解，必須滿足下列兩個充分條件之一：（1）3個相鄰關(guān)節(jié)軸交于一點(diǎn)；（2）3個相鄰關(guān)節(jié)軸平行。對機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)的求解方法有三種：代數(shù)法，幾何法和數(shù)值算法。前兩種解法的具體步驟和最終公式，將因操作機(jī)的具體構(gòu)形而異。而數(shù)值算法則是一種通用求解逆運(yùn)動學(xué)問題的方法。下面就用代數(shù)法來求解。將5自由度的機(jī)器人的運(yùn)動方程寫成：（4.4）如果末端連桿的位姿已經(jīng)給定，即n、o、a和p是已知的，則求關(guān)節(jié)變量的值稱為運(yùn)動反解。用未知的連桿逆變換左乘方程(4.4)的兩邊，把關(guān)節(jié)變量分離出來，從而求解，具體步驟如下。令：由，有：將給定的矩陣與逆陣的第一列相乘，它應(yīng)該與單位陣的第一列相等，得到下面四個等式：解得：類似的，將給定矩陣和逆陣的第2、第3、第4列相乘，并令其分別等于單位矩陣的第2、第3、第4列，就可的剩下的未知量：即：（4.5）同理可求得的逆：；；（4.6）用左乘式（4.3）得：（4.7）方程（4.7）左端為（4.8）因上面已經(jīng)求得和的值，再由方程（4.8）兩邊元素3,3對應(yīng)相等有：（4.9）即：，可求得：，（4.10）同理，由方程（4.8）的元素3，1和3，2相等可求得：，（4.11）因?yàn)殛P(guān)節(jié)2，3和4都是平行的，左乘和的逆不會產(chǎn)生有用的結(jié)果。故采用左乘的逆，有：（4.12）由式（4.12）兩邊元素3，2可得：即：，（4.13）由方程(4.8)的元素1，4和2，4可知：（4.14）同理，由(4.8)元素1,4和元素2,4可知：因均已知，所以可進(jìn)而求得。（4.15）至此求出了所有關(guān)節(jié)的解，給出了機(jī)器人置于任何期望位姿時(shí)所需的關(guān)節(jié)值。當(dāng)然由于結(jié)構(gòu)的限制，有些解不能實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人存在多解的情況下，應(yīng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃（同組其他成員的論文涉及到，在此不再闡述），從而選取其中最優(yōu)的一組解進(jìn)行控制。

第五章控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1控制方式的確定和大多數(shù)工業(yè)控制類似，搬運(yùn)機(jī)械手也有很多種控制方式可供選擇。而目前常用的常用工業(yè)控制器主要為：PLC、單片機(jī)以及PC機(jī)。下面就從它們的性能的幾個方面的作一些比較，如表5.1所示。表5.1常用工業(yè)控制器性能比較控制器運(yùn)算速度價(jià)格可靠性可操作性可維護(hù)性開發(fā)周期PLC較慢較高很高容易好短單片機(jī)快低較低較難一般較長PC機(jī)快高高較難好較長顯然，PLC的高可靠性、易操作性和開發(fā)周期短等特點(diǎn)在對運(yùn)算速度要求不高的控制場合是一種完美的控制方式，而且它能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場高溫、沖擊、震動等惡劣環(huán)境，易于維護(hù)。PC機(jī)的高運(yùn)算速度和高可靠性為控制的精度和準(zhǔn)確性提供了保證，但其價(jià)格高、操作性難和開發(fā)周期長要求操作者本身有完善的微機(jī)知識結(jié)構(gòu)，充裕的開發(fā)時(shí)間和較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)勢力做后盾。在工業(yè)現(xiàn)場，其維護(hù)性也較好，但要比PLC稍遜一籌。單片機(jī)控制的優(yōu)勢在于其價(jià)格便宜，運(yùn)算速度快，但可靠性低，可操作性難、開發(fā)周期長，設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)很多的接口電路，接線復(fù)雜，對設(shè)計(jì)者本身的要求很高，并不是每個控制系統(tǒng)都能接受的。相比較而言，可編程控制器(PLC)用于機(jī)械手控制具有以下五個突出的優(yōu)點(diǎn)：1、可靠性高抗干擾能力強(qiáng)單片機(jī)及PC對環(huán)境的要求都要求比較高，一般不適用于工業(yè)現(xiàn)場，而PLC采取了一系列軟件及硬件抗干擾措施，可以直接用于環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。2、硬件配置齊全，外部接線方便單片機(jī)及PC用于控制場合，難免遇到大量的接口電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試工作，且它們輸出的電壓電流信號都很弱，一般都需加驅(qū)動電路才能帶動負(fù)載工作。而PLC配備品種齊全的各種硬件裝置，用戶一般不必自行設(shè)計(jì)接口電路及驅(qū)動回路，只要將外部設(shè)備、電源等直接與接線端子相連即可，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試及維護(hù)的工作量大大減少。3、編程簡單易學(xué)，查錯容易PLC采用梯形圖編程方法。梯形圖語言的電路符號和表達(dá)方式與繼電器電路原理相當(dāng)接近，比其他各種高級語言及匯編語言更易于接受和掌握。另外，修改及查錯也更為容易。4、人機(jī)界面好如果適當(dāng)添加人機(jī)界面設(shè)備，便可動態(tài)顯示整個系統(tǒng)真實(shí)的工作情況。對PC用高級語言編程也可得到較好人機(jī)界面，但開發(fā)量大，而對單片機(jī)則很難得到令人滿意的人機(jī)界面。5、PLC具有極強(qiáng)的通訊功能PLC遠(yuǎn)程I/O與計(jì)算機(jī)聯(lián)接可實(shí)現(xiàn)通訊功能，同組的同學(xué)就設(shè)計(jì)了VB與PLC之間的通信。作為機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)生，在平時(shí)課程學(xué)習(xí)當(dāng)中，就已經(jīng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了PLC的有關(guān)理論，并且作過大量的實(shí)驗(yàn)，掌握了其在控制過程當(dāng)中所可能遇到的障礙以及其可以解決的方案，且其控制的高可靠性和易操作性深受我們的喜愛。特別的，在我們所設(shè)計(jì)的機(jī)械手當(dāng)中，所有元件中，光電編碼器的精度不太高，對控制器的運(yùn)算速度要求不太高；而在控制要求上，PLC(FX2N-64MR)內(nèi)部配有高速計(jì)數(shù)輸入點(diǎn)，可直接用來接收機(jī)械手5個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)器中的值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，可直接控制各關(guān)節(jié)相應(yīng)電機(jī)電源的通斷，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制的目的。綜上所述，在本設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用PLC來控制機(jī)械手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動。5.2選擇PLC在選擇功能和容量滿足要求的PLC時(shí)，首先應(yīng)估計(jì)所需的PLC規(guī)模大小。5.2.1PLC規(guī)模的估算為完成預(yù)定的控制任務(wù)所需要的PLC規(guī)模，主要取決于機(jī)械手對輸入輸出點(diǎn)的需求量和控制過程的難以程度，估算PLC的各種類型的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，并據(jù)此估算出機(jī)械手控制的存儲容量，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。1）輸入、輸出點(diǎn)的估算。為了能準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出被控機(jī)械手對輸入、輸出點(diǎn)的總需求量，可以把被控機(jī)械手的信號源一一列出（如圖5.1所示），并認(rèn)真分析輸入、輸出點(diǎn)的信號類型。考慮到在實(shí)際安裝、調(diào)試和應(yīng)用中，還可能會發(fā)現(xiàn)一些估算中未預(yù)見的因素，在估算的基礎(chǔ)上再增加15%-20%的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，以備將來調(diào)整、擴(kuò)充使用。所以在機(jī)械手的控制當(dāng)中，對輸出點(diǎn)數(shù)估算為25×（15%～20%），然后根據(jù)日本三菱公司FX2N系列產(chǎn)品中部分主機(jī)單元的規(guī)格，選定輸出點(diǎn)數(shù)為32，對應(yīng)的輸入點(diǎn)數(shù)也為32。圖5.1信號源以及I/O地址號分配對照表2）存儲容量的計(jì)算。微小型PLC的用戶存儲器是固定的，不能隨意擴(kuò)充選擇。因此，選購PLC時(shí)，要保證存儲容量夠用。根據(jù)輸入、輸出的點(diǎn)數(shù)及其類型、控制的繁簡程度加以粗略的估算如下：指令步數(shù)=（輸入點(diǎn)數(shù)+輸出點(diǎn)數(shù)）×（10-12）=640-768然后再增加15%-20%的備用量。所以指令步數(shù)大概為800條就足夠了。5.2.2PLC的選擇PLC產(chǎn)品的種類、型號繁多，他們的功能、價(jià)格、使用條件各不相同。選用時(shí)，除輸入、輸出點(diǎn)數(shù)外，一般要考慮以下幾個方面的問題。1）PLC的功能。PLC的功能要與所完成的控制任務(wù)相適應(yīng)，這是最基本的。如上一節(jié)所述，選用PLC能夠滿足機(jī)械手控制任務(wù)的要求，也能夠順利地組成合適的控制系統(tǒng)。對于機(jī)械手而言，只要分別對單個電機(jī)自動控制，屬于簡單的邏輯、順序控制，因此只要選用具有邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)器等基本功能的微小型PLC就可以了。2）輸入接口模塊。PLC的輸入直接與被控機(jī)械手的一些輸出量相連。因此還要選好傳感器，要使他們的工作電壓和工作電流與傳感器的輸出相匹配，最好不經(jīng)過轉(zhuǎn)換就能直接相連。對于機(jī)械手的五個直流電機(jī)的工作電壓為±12V，所以我們可以選擇輸入電壓為DC24V的PLC。3）輸出接口模塊。輸出接口模塊的任務(wù)是將PLC內(nèi)部輸出信號變換成可以驅(qū)動機(jī)械手執(zhí)行的控制信號。因此，除了考慮輸出點(diǎn)數(shù)外，還應(yīng)注意輸出模塊允許的工作電壓、電流應(yīng)大于負(fù)載的額定工作電壓、電流值，而5個伺服電機(jī)功率均較小，PLC采用繼電器輸出滿足功率要求。考慮機(jī)械手中的電動機(jī)起動沖擊電流的影響，要留有足夠的余量。綜合以上各種因素，在本設(shè)計(jì)中決定采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列產(chǎn)品中的FX2N-64MR作為機(jī)械手的控制器。5.3可編程控制器（FX2N-64MR）結(jié)構(gòu)功能介紹FX2N-64MR是日本三菱公司FX2N系列產(chǎn)品中功能較齊全的可編程程序控制器。它和其它編程產(chǎn)品一樣，其實(shí)是一臺工業(yè)控制用的微型計(jì)算機(jī)。PLC是有微處理器和存儲器組成的控制裝置，還有輸入/輸出接口電路，它將PLC內(nèi)部電路與外部輸入/輸出設(shè)備隔離開來。PLC存儲器中的程序是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求并用梯形圖或指令集或功能塊語言編寫的程序，由編程器輸入的。和其它可編程產(chǎn)品一樣，F(xiàn)X2N-64MR的CPU采用順序逐條地掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)（包括它的常開和常閉觸點(diǎn)）不會立即動作，必須等到掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會動作。這種獨(dú)特的運(yùn)行方式——掃描技術(shù)使PLC的掃描用戶程序的時(shí)間一般小于100ms，其過程如圖5.2所示。圖5.2PLC的掃描運(yùn)行方式FX2N-64MR的輸入電流為DC24V7mA(X010以后是DC24V5mA)。但是，為了可靠起見，使其ON時(shí)，需要用4.5mA(3.5mA)以上的電流，使其OFF時(shí)，需要用1.5mA(1.5mA)以下的電流。FX2N-64MR提供21個32位的內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器邏輯線圈C235～C255.但由于這21個內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器邏輯線圈的計(jì)數(shù)脈沖信號必須通過PLC的6個高速輸入端X0～X5輸入，因此，用戶最多能用其中的6個。設(shè)有啟動/復(fù)位的單相高速計(jì)數(shù)器C235～C239是我們在這個設(shè)計(jì)中將要同時(shí)用到的。5.4PLC的外部接線PLC的外部接線如附錄1所示。5.5位置檢測電路位置反饋信號是通過光電編碼器而得到，每個伺服電機(jī)輸出軸上都裝有光電編碼器，通過它實(shí)現(xiàn)光電脈沖轉(zhuǎn)換及對電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測。光電編碼器主要是由控制電路板，紅外光電耦合器及遮光盤組成，紅外光電耦合器為塑封雙列直插式結(jié)構(gòu)，固定于槽形框內(nèi)，遮光盤固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，遮光盤為6孔均勻圓周分布的金屬盤。光電編碼器的外型簡圖如圖5.3：圖5.3光電編碼器簡圖光電編碼器的原理如圖5.4所示。圖5.4光電編碼器的原理圖其中，R3用于調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的工作電流，以確保光電耦合器件正常工作。當(dāng)總線通電時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)出不可見紅外線光，通過旋轉(zhuǎn)的遮光盤的通孔而被光敏器件接收，光敏器件兩端由截止變?yōu)閷?dǎo)通，兩端電壓發(fā)生相應(yīng)的變化，從A,B輸出脈沖信號。光電編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生6個相位差為360°的A,B兩相6個脈沖。正，反向測速A,B兩相脈沖波形如圖5.5所示：圖5.5光電編碼器正、反向測速脈沖信號5.6輸入輸出接口電路5.6.1輸入接口電路從A,B輸出的脈沖信號為電平信號，不能直接連接到PLC的輸入端。還要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電平信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號，在送入PLC輸入端。圖5.7中的IC就是為此而設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)接口電路。IC是一個異或門，將兩路脈沖信號合成一路信號。其中：電容C=100μFR3=300R2=R1=10R4=20op1、op2為光電耦合器IC為異或門T1為開關(guān)型三極管圖5.7輸入接口電路圖FX2N-64MR型PLC有高速1相單向輸入計(jì)數(shù)器，本設(shè)計(jì)用到的高速計(jì)數(shù)器為C235～C239,相應(yīng)的計(jì)數(shù)輸入端為X0—X4,電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，計(jì)數(shù)輸入端接收高電平12次，計(jì)數(shù)器相應(yīng)計(jì)數(shù)12次。當(dāng)計(jì)數(shù)端接收信號次數(shù)與PLC內(nèi)部程序指定的數(shù)值等同時(shí)，PLC通過程序切斷電機(jī)電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了PLC對電機(jī)的控制，即對機(jī)械手的控制。5.6.2PLC輸出接口電路直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，要改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要改變施加在直流電機(jī)電樞兩段的電壓值就可以達(dá)到目的，要改變轉(zhuǎn)向，只要改變施加在直流電機(jī)電樞兩端的電壓的極性就可以實(shí)現(xiàn)。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動控制可分解為對5個直流電機(jī)的控制，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在約束條件下的任意運(yùn)動，需要分別對5個電機(jī)施加不同的控制。用FX2N-64MR型PLC作為機(jī)械手的控制器，完全滿足對機(jī)械手控制的需要。要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動電路可以采用圖5.8所示的橋式電路，直接將PLC輸出觸點(diǎn)用在伺服電機(jī)的橋式直流驅(qū)動電路中，PLC輸出觸點(diǎn)存在公共地，要注意接入位置。PLC輸出點(diǎn)共分4組，每一組有一個獨(dú)立的公共地端。注：M1、M2、M3、M4、M5、均為24V直流電機(jī)，本文設(shè)計(jì)采用DC12V電壓圖5.8PLC輸出控制當(dāng)選擇PLC的4個觸點(diǎn)作為直流電機(jī)的驅(qū)動橋路正反的切換開關(guān)時(shí)，上橋臂觸點(diǎn)和下橋臂觸點(diǎn)必須位于不同的公共地，如附錄1所示。圖5.8中，Y0、Y1、Y2、Y3具有公共地COM1,Y4、Y5、Y6、Y7具有公共地COM2。COM1接驅(qū)動電源正極，COM2接驅(qū)動電源負(fù)極。當(dāng)PLC程序使Y0、Y5及Y2、Y7接通時(shí)，電機(jī)M1、M2正轉(zhuǎn)；當(dāng)PLC程序使Y1、Y4及Y3、Y6接通時(shí)，電機(jī)M1、M2反轉(zhuǎn)?？梢?，通過設(shè)計(jì)簡單的PLC程序就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械手的三個運(yùn)動部件有運(yùn)動范圍限制，腰回轉(zhuǎn)不能超過一周，上臂、前臂擺動角度不能過大，以免出現(xiàn)后仰，限位控制電路是針對此而設(shè)計(jì)的。這三個運(yùn)動部件上安裝了行程開關(guān)，當(dāng)部件運(yùn)動到達(dá)限定位置，行程開關(guān)動作，KM動作使電機(jī)一端的KM常閉斷開，電機(jī)斷電，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。5.7控制軟件的設(shè)計(jì)利用PLC對機(jī)械手進(jìn)行控制，需要將手爪的運(yùn)動控制轉(zhuǎn)化為對機(jī)械手的直流電機(jī)的控制。為了使手爪準(zhǔn)確到達(dá)所要求的位置，需要準(zhǔn)確計(jì)算出每個電機(jī)所應(yīng)轉(zhuǎn)的角度，既根據(jù)手爪的運(yùn)動空間的初始位置和目標(biāo)位置計(jì)算出空間坐標(biāo)系中的相對運(yùn)動量，并將其轉(zhuǎn)換成PLC控制的內(nèi)部指令。在這里給定機(jī)械手連桿的一個空間位姿：AP=[201,138,307]T對應(yīng)的：α=15°,β=30°,γ=65°通過反向運(yùn)動學(xué)求出反解運(yùn)動所需的逆解，然后通過同組同學(xué)的軌跡規(guī)劃得到最優(yōu)的一組解為：θ1=34.472°；θ2=39.447°；θ3=78.491°；θ4=-95.857°；θ5=-47.598°。根據(jù)相應(yīng)的軸分辨率，計(jì)算出對應(yīng)的編碼器所要檢測的脈沖數(shù)：K1=34.472/0.14≈246.23=246K2=39.447/0.11≈358.61=359K3=78.491/0.11≈731.55=732K4=-95.857/0.11≈871.43=871K5=-47.598/0.24≈192.33=192將各編碼器所要檢測的脈沖數(shù)寫入PLC的數(shù)據(jù)寄存器,對應(yīng)的高速計(jì)數(shù)器從PLC中的數(shù)據(jù)寄存器讀取相應(yīng)的脈沖數(shù)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到脈沖數(shù)時(shí)，PLC輸出控制信號使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。通過各個電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，最終使終端執(zhí)行端轉(zhuǎn)到給定的位置。同理，各個關(guān)節(jié)向相反的方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度就可回到起始的位置。整個運(yùn)行過程如圖5.9所示。各關(guān)節(jié)運(yùn)動如圖2.1—2.4所示。電機(jī)2，3，4控制的關(guān)節(jié)始終在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，而電機(jī)1所控制的關(guān)節(jié)始終在關(guān)節(jié)2，3，4，所處的垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，電機(jī)5控制手腕的轉(zhuǎn)動。本設(shè)計(jì)中的程序是PLC通過的內(nèi)部計(jì)數(shù)器來對電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，光電編碼器輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速成一定比例的脈沖頻率。PLC內(nèi)部通過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率小于10HZ，輸入脈沖信號的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這一頻率，因而必須使用PLC內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器。圖5.9工作流程圖PLC高速計(jì)數(shù)器的輸入端是固定的，高速計(jì)數(shù)器采用中斷處理方式的計(jì)數(shù)方式，與PLC的內(nèi)部頻率無關(guān)。采用的高速計(jì)數(shù)器是C235、C236、C237、C238、C239,對應(yīng)的計(jì)數(shù)器的輸入端是X0、X1、X2、X3、X4。因?yàn)楦鱾€計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入固定，所以輸入端口被占用后，另外的計(jì)數(shù)就不能使用。所以無論電機(jī)正轉(zhuǎn)，還是反轉(zhuǎn)都采用同一個計(jì)數(shù)器，這就產(chǎn)生了一個問題，即每一次計(jì)數(shù)前，計(jì)數(shù)都要清零，這就會影響到前一個過程已經(jīng)計(jì)數(shù)過的計(jì)數(shù)器的輸出動作。于是在設(shè)計(jì)過程中采用了一個輔助繼電器來控制輸出，這樣就不會影響到前一個流程已經(jīng)有輸出的計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的輸入為X0—X4，高速計(jì)數(shù)器自動讀取相應(yīng)輸入端的數(shù)值，在程序里面不需要對其編程，只需要對計(jì)數(shù)器設(shè)定一個計(jì)數(shù)初值啟動。5.8梯形圖及指令語句要實(shí)現(xiàn)如圖5.9所示的順序控制，用梯形圖編程是一種簡單的方式，而相應(yīng)的程序清單也可由梯形圖自動轉(zhuǎn)換得到。梯形圖、程序清單分別如附錄2、附錄3所示。

結(jié)論與展望本文是以一個五自由度機(jī)械手為研究對象，從分析其結(jié)構(gòu)組成、機(jī)構(gòu)特點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)，認(rèn)真分析了機(jī)器人的工作原理、連桿坐標(biāo)系間的矩陣變換、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、運(yùn)動方程的建立以及反解運(yùn)動的求解。在此基礎(chǔ)上采用可編程控制器對機(jī)械手進(jìn)行順序控制。本文完成了以下幾個方面的工作：（1）、回顧了機(jī)器人的起源、定義以及其發(fā)展歷史，敘述了當(dāng)前國內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。（2）、分析了所控制機(jī)械手各個部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，列出了機(jī)械手的基本參數(shù)。（3）、分析了連桿坐標(biāo)系間的矩陣變換、運(yùn)動學(xué)方程以及逆運(yùn)動學(xué)求解。（4）、控制部分采用可編程控制器（PLC）,畫出了機(jī)械手順序控制梯形圖，從而由梯形圖轉(zhuǎn)化得到指令語句。本文是以原示教機(jī)器人為基礎(chǔ)進(jìn)行研究分析的，通過查閱資料，分析機(jī)械手的各元件，設(shè)計(jì)輸入輸出接口電路，編制PLC程序控制機(jī)械手各關(guān)節(jié)按照程序編制順序運(yùn)動，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期的效果，完成了本次設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)。但由于機(jī)械手本身裸體式的結(jié)構(gòu)，表面氧化比較嚴(yán)重，然后加上潤滑不夠、設(shè)備老化，所以在精確定位上存在一定的誤差。而且由于時(shí)間有限，在某些方面可能沒有涉及或者分析的不夠深入，有一些地方還是可以進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整的。

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致謝本論文是在毛美姣、譚志飛老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的。他們從課題的確定到研究方法的選擇都給了我悉心的指導(dǎo)。他們兩位老師嚴(yán)于律己，寬厚待人的處世態(tài)度，以及踏實(shí)勤懇的工作精神都給我留下了深刻的印象，所有的這一切將和我在大學(xué)所學(xué)一起帶出湘潭大學(xué)，也必將成為我終生受益的一筆寶貴財(cái)富。大學(xué)期間，感謝所有的老師和教學(xué)工作者，是他們教給我們大量的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，為我們這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)，他們嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度和淵博的知識以及誨人不倦的教學(xué)態(tài)度，深深影響了我的大學(xué)生涯，也將影響我的一生。衷心的地感謝他們！在這里還要感謝的是同在一個實(shí)驗(yàn)室做設(shè)計(jì)的陳輝煌同學(xué)和戴牡林，甘仕斌同學(xué)。我們能夠在大學(xué)最后這段時(shí)間能夠互相幫助，積極討論在設(shè)計(jì)遇到的各種難題；不但在知識上得到互補(bǔ)，更是通過畢業(yè)設(shè)計(jì)建立了更深厚的友誼?；叵氪髮W(xué)四年，無數(shù)美好的回憶歷歷在目，而在即將離開湘潭大學(xué)的時(shí)候，還能擁有這么一段具有特別意義的經(jīng)歷，實(shí)感欣慰。同時(shí)也為得到這么多老師的幫助和朋友們的關(guān)心而感動，為大學(xué)期間的這份師生之情、同學(xué)之誼而激動，除此之外，也為能通過自身的努力做好這次畢業(yè)設(shè)計(jì)而倍感榮耀。在這里容許我再一次衷心感謝所有曾經(jīng)關(guān)心我，幫助我的師長，同學(xué)和朋友們，你們使我在湘潭大學(xué)的學(xué)習(xí)生涯更加美好，精彩難忘。謝謝！真的謝謝你們！最后，我要深深感謝我的家人及親戚，感謝他們多年來所給予我的無私的關(guān)愛和支持。2007年6月周六軍于湘大工科樓附錄1：系統(tǒng)控制框圖附錄2：順序控制梯形圖

附錄3：指令語句09/2011:46102機(jī)體齒飛面孔雙臥多軸組合機(jī)床及CAD設(shè)計(jì)09/0820:023kN微型裝載機(jī)設(shè)計(jì)09/2015:0945T旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓缸設(shè)計(jì)08/3015:325噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)10/3017:12C620軸撥桿的工藝規(guī)程及鉆2-Φ16孔的鉆床夾具設(shè)計(jì)09/2113:39CA6140車床撥叉零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)83100308/3015:37CPU風(fēng)扇后蓋的注塑模具設(shè)計(jì)09/2016:19GDC956160工業(yè)對輥成型機(jī)設(shè)計(jì)08/3015:45LS型螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)10/0723:43LS型螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)09/2016:23P-90B型耙斗式裝載機(jī)設(shè)計(jì)09/0820:17PE10自行車無級變速器設(shè)計(jì)10/0709:23話機(jī)機(jī)座下殼模具的設(shè)計(jì)與制造09/0820:20T108噸自卸車拐軸的斷裂原因分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)09/2113:39X-Y型數(shù)控銑床工作臺的設(shè)計(jì)09/0820:25YD5141SYZ后壓縮式