七自由度机械手

2024-05-11

七自由度机械手（通用7篇）

七自由度机械手篇1

机器人运动学是研究机器人运动特性重要的工具之一,它涉及到大量的数学计算,计算步骤相当的繁琐。有必要对其各参数的可行性进行验证。Robotis Toolbox是由Peter I.Corke编写的基于MATLAB为平台的机器人工具箱。它能够简单直观地对机器人的正运动学、逆运动学、工作空间和轨迹规划所得的结果进行分析,是一款比较专业的验证机器人数据的仿真软件。

1 正运动学分析

1.1参数表

本文使用Denavit-Hartenberg规则建立了机械手的连杆描述。ai为连杆件长度;θi为连杆间的夹角;di 为两连杆的偏距;αi为连杆的扭转角。需要说明的是当关节i为移动关节时,连杆偏距di是一个变量,其他三个连杆为常量。对于转动关节,θi为关节变量,其他三个连杆参数是固定不变的[1]。

如图1所示,一个机械手安装在移动平台上。它的运动是由底座直线移动,立柱回转,大臂的俯仰运动、小臂的俯仰运动、腕部的回转、俯仰、左右摆动这七个自由度组成的。机械手安装在一个导轨上,底座的直线运动可以单独控制,属于冗余自由度,不予考虑。因此只分析机械手的6个自由度[2]。

首先建立机械手各个关节的坐标系,如图2所示。

1.2建立运动学方程

如果机器人所有的连杆长度和关节角度都是已知的,计算机器人末端位姿称为正运动学分析。

根据T $_{(i + 1)}^{i}$ 一般表达式[3]

$Τ_{(i + 1)}^{i} = [\begin{matrix} c θ_{i} & - s θ_{i} & 0 & a_{i - 1} \\ s θ_{i} c α_{i - 1} & c θ_{i} c α_{i - 1} & - s α_{i - 1} & - s α_{i - 1} d_{i} \\ s θ_{i} s α_{i - 1} & c θ_{i} s α_{i - 1} & c α_{i - 1} & c α_{i - 1} d_{i} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$

;

机械手末端坐标系{6}相对于基坐标系{0}的位姿可以通过以上6个矩阵的顺序连乘得到。

$Τ_{6}^{0} = Τ_{1}^{0} Τ_{2}^{1} Τ_{3}^{2} Τ_{3}^{4} Τ_{4}^{5} Τ_{5}^{6} = [\begin{matrix} r_{11} & r_{12} & r_{13} & p_{x} \\ r_{21} & r_{22} & r_{23} & p_{y} \\ r_{31} & r_{32} & r_{33} & p_{z} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$

。

$Τ_{1}^{0} = [\begin{matrix} c_{1} & - s_{1} & 0 & 0 \\ s_{1} & c_{1} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$

;

$Τ_{2}^{1} = [\begin{matrix} c_{2} & - s_{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & d_{2} \\ s_{2} & c_{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$

;

$Τ_{3}^{2} = [\begin{matrix} c_{3} & - s_{3} & 0 & a_{2} \\ s_{3} & c_{3} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & d_{3} \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$

;

$Τ_{4}^{3} = [\begin{matrix} c_{4} & - s_{4} & 0 & a_{3} \\ s_{4} & c_{4} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$

;

$Τ_{5}^{4} = [\begin{matrix} c_{5} & - s_{5} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - 1 & 0 \\ s_{5} & c_{5} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$

;

$Τ_{6}^{5} = [\begin{matrix} c_{6} & - s_{6} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - 1 & 0 \\ s_{6} & c_{6} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}]$

。

其中si表示sinθi,ci表示cosθi。

式中:

r11=(c1c234c5-s1s5)c6-c1s234s6;

r21=(s1c234c5+c1s5)c6-s1s234s6;

r31=-s234c5c6-c234s6;

r12=c1(-c234c5s6-s234c6)+s1s5s6;

r22=s1(-c234c5s6-s234c6)-c1s5s6;

r32=s234c5s6-c234c6;

r13=-c1c234s5-s1c5;

r23=-s1c234s5+s1c5;

r33=s234s5;

px=c1(a3c23+c2a2)-s1(d3+d2);

py=s1(a3c23+c2a2)+c1(d3+d2);

pz=-s23a3-s2a2。

2 逆运动学分析及仿真

2.1逆运动学分析

已知机器人手部末端位姿,求解机器人每一个关节角度,叫做逆运动学分析。

用连杆逆变法左乘以方程等式两边,有助于分离变量求解。

由(T $_{1}^{0}$ )-1T $_{6}^{0}$ =T $_{6}^{1}$ ,根据矩阵两端对应元素相等得: $θ_{1} = \tan 2 (\frac{p_{y}}{p_{x}}) - a \tan 2 [\frac{d_{1} + d_{2}}{p_{y}} \pm \sqrt{1 - (\frac{d_{1} + d_{2}}{p_{y}})^{2}}]$ ,由T $_{6}^{1}$ =T $_{2}^{1}$ T $_{6}^{2}$ 和(T $_{1}^{0}$ )-1T $_{6}^{0}$ =T $_{6}^{1}$ ,根据矩阵两端对应元素相等得:

$θ_{3} = π + \arctan (\frac{s_{3}}{c_{3}})$ 或者 $θ_{3} = \arctan (\frac{s_{3}}{c_{3}});$

$θ_{6} = π + \arctan (\frac{s_{1} o_{x} - c_{1} o_{y}}{s_{1} n_{x} - c_{1} n_{y}})$ 或

$θ_{6} = \arctan (\frac{s_{1} o_{x} - c_{1} o_{y}}{s_{1} n_{x} - c_{1} n_{y}});$

$θ_{5} = π + \arctan (\frac{\pm \sqrt{1 - (s_{1} a_{x} + c_{1} a_{y})^{2}}}{- s_{1} a_{x} + c_{1} a_{y}})$ 或

$θ_{5} = \arctan (\frac{\pm \sqrt{1 - (s_{1} a_{x} + c_{1} a_{y})^{2}}}{- s_{1} a_{x} + c_{1} a_{y}})$ 。

由T30 = T10T21T32和(T $_{3}^{0}$ )-1T $_{6}^{0}$ =T $_{6}^{3}$ ,根据矩阵两端元素对应相等得:

$θ_{2} = \frac{1}{2} {π + \arctan [\frac{\sin 2 (θ_{2} + θ_{3})}{\cos 2 (θ_{2} + θ_{3})}] - θ_{3}}$ 或

$θ_{2} = \frac{1}{2} {\arctan [\frac{\sin 2 (θ_{2} + θ_{3})}{\cos 2 (θ_{2} + θ_{3})}] - θ_{3}}$ ;

$θ_{234} = π + \arctan (- \frac{a_{2}}{c_{1} a_{x} + s_{1} a_{y}})$ 或

$θ_{234} = \arctan (- \frac{a_{2}}{c_{1} a_{x} + s_{1} a_{y}})$ ;

θ4=θ234-θ2-θ3。

至此关节变量全部求出。

2.2逆运动学仿真

根据表2所示数据,用Robotics Toolbox编写机械手模型程序。其中函数drivebot可以获得机器人关节运动的空间三维图,滑块图用来控制机器人每个关节旋转的度数,如图3所示。

Li=Link([α a θ d σ]当σ为1时,是移动关节;当σ为0时是旋转关节。

L{1}=link([0 0 0 0 0]);

L{2}=link([-pi/2 0 0 0.2 0]);

L{3}=link([0 0.4 0 0.1 0]);

L{4}=link([0 0.5 0 0 0]);

L{5}=link([pi/2 0 0 0 0]);

L{6}=link([-pi/2 0 0 0 0]);

qj=robot({L{1} L{2} L{3} L{4} L{5} L{6}});

qj.name=′7-DOF Robot′;

drivebot(qj)。

运用Robtics Toolbox中的ikine函数求逆解b点位姿为:

$\begin{array}{l} Τ = Τ_{a b} = \\ [\begin{array}{l} - 0.471 3 0.216 1 - 0.855 1 0.113 2 \\ 0.666 9 0.721 8 - 0.185 2 0.726 8 \\ 0.577 2 - 0.657 5 - 0.484 3 0.576 7 \\ 0 0 0 1 \end{array}] 。 \end{array}$

%求解各关节旋转角度:

Wb=ikine(qj,T);

Wb=[ 0.640 0 0.639 9-0.954 2 0.853 3-0.752 3 0.698 1]。

%说明关节1、2、4、6由零位形时的a点到目标位置b点分别需要旋转0.640 0 rad、0.639 9 rad、0.853 3 rad、0.698 1 rad;关节3、5由a到b分别需要反向旋转0.954 2 rad、0.752 3 rad,从图4可以看出各连杆没有运动错位,角度也没有出现重叠的现象,即逆运动学唯一,性能良好。

从图5、图6仿真的运动过程来看,机械手运动曲线连续,变化平稳。这样可以最大限度的降低机械部件的磨损振动与冲击。

3 结束语

本文对七自由度机械手进行了运动学建模和逆运动学分析。根据它的结构特性,将含有冗余度的逆运动学问题降为六自由度的运动学问题。并运用Robtics Toolbox验证了计算结果。此方法计算量小且容易掌握。通过仿真,说明此机器手的参数基本满足了设计的要求。

摘要：首先使用Denavit-Hartenberg法对机械手进行建摸并对其运动学数值进行计算。然后用Robotics Toolbox机器人工具箱编写该机械手的逆运动学程序。通过仿真,得到了各个关节时间与运动的关系图和运动轨迹图。实现了预定目标,验证了设计参数的正确性和可行性。

关键词：七自由度机械手,仿真,逆运动学,Robotics Toolbox

参考文献

[1]罗家佳,胡国清.基于Matlab的机器人运动仿真研究.厦门大学学报,2005;(9):640—644

[2]吴富姬.七自由度机器人运动学分析.江西有色金属,2007;(12):44—46

[3] Craig J J.Introduction to robotics mechanics and control.California:Prentice Hall Publications,2005

四自由度机械手的设计篇2

1 机械手的总体设计

1.1 机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态, 按坐标形式大致可分为直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标 (极坐标) 型机械手和多关节型机机械手。其中, 由于圆柱坐标型机械手结构简单紧凑, 定位精度较高, 占地面积小, 因此, 本设计采用圆柱坐标。机械手搬运物品如图1所示。在图1中, 机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B.

1.2 机械手的主要部件和运动

根据设计任务, 选定圆柱坐标式机械手的基本方案。为了满足设计要求, 本设计的机械手具有5个自由度, 分别是手抓张合、手部回转、手臂伸缩、手臂回转和手臂升降。

本设计的机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成: (1) 手部。采用一个直线液压缸, 通过机构运动实现手抓的张合。 (2) 腕部。采用一个回转液压缸实现手部108°回转。 (3) 臂部。采用直线缸来实现手臂平动1.2 m。 (4) 机身。采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂的升降和回转。

本设计的机械手由以下几个系统组成: (1) 执行系统。工业机器人完成抓取工件由执行系统来完成, 应该用气爪、底座旋转、手臂升降、手臂伸缩等所必需的机械部件来实现各种运动。 (2) 驱动系统。本设计选用机械传动、气压传动和电机驱动来为各部件提供动力, 驱动动力装置是机械手运动的动力。 (3) 控制系统。控制系统发出指令控制驱动系统, 最后由执行系统按照规定的要求进行工作。发生错误或故障时, 控制系统会发出报警信息, 这是机械手的核心。

2 方案确定

该设计中的机械手为四自由度, 其中, 2个为旋转, 2个为平移。在四自由度机械臂实验平台上, 可以实现多个物体从起始位置到不同目标位置的搬运和摆放。

应用精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动这两项功能来实现设计所需功能, 其中, 抓取和移动是两个最主要的功能。

该设计根据设计要求、工作原理、设计内容和需求来确定机械手, 机器人的旋转运动采用谐波齿轮传动和步进电机驱动来实现。利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转, 从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂进行上下运动。由于本设计中的机械手工作区域较小, 因此, 要利用气缸驱动来实现手臂的伸缩运动。末端夹持器则选用气爪或电磁来做夹持器。气爪的旋转则由与气爪连接的摆动气缸来实现, 或者在末端安装一个可以抓取物体的电磁手爪。

2.1 机械手驱动系统设计

2.1.1 机械手驱动器

机械手驱动系统包括驱动器和传动机构, 它们常与执行器连成一体, 驱动臂、杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机、液压和气动等驱动装置, 其中, 电机驱动器是最常用的驱动方式, 包括直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机等。本设计中底座的旋转与手臂升降都采用步进电机作为驱动器, 而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器, 气爪的翻转是通过摆动气缸来驱动的。

2.1.2 机械手传动机构

手臂的升降是通过步进电机连接联轴器与丝杆而实现的。在手臂上安装丝杆螺母副, 从而驱动手臂的升降。手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板来实现的。气爪的旋转是通过摆动气缸连接气爪的附件来实现的。底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直接驱动转动机座转动来实现的。

2.2 各电动机的选择

进电动机又称脉冲电动机, 是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行电机。本文中的机械手系统要求的定位精度较高, 而步进电机对系统位置控制比较准确, 且易于控制, 因此, 本机械手选用的驱动电机都是步进电机。

3 结束语

本文对机械手的整体设计进行了分析, 并对机身的回转机构和升降机构进行设计计算。同时, 还分析了升降立柱不自锁的条件, 这是机身设计中不可缺少的部分。

摘要：随着社会的不断发展, 机器人的应用越来越广泛, 用机器取代人力, 将是社会不断发展的趋势。通过对四自由度机械臂的机械和电气特性进行阐释, 说明了机器人机械手的设计方法。

关键词：四自由度,机械手,驱动系统,结构设计

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2001.

[2]张铁, 谢存禧.机器人学[M].广州:华南理工大学出版社, 2004.

[3]陈统坚.机械工程英语[M].北京:机械工业出版社, 1996.

[5]冯辛安.机械制造装配设计[M].北京:机械工业出版社, 2004.

二自由度水下电动机械手设计篇3

国外水下作业型机械手的研究史中, 美国最早开始从事这方面的研究, 美国NOSC (Naval Ocean Systems Center) 主持研制的WSP (Work Systems Package) , 从整体功能上讲, 仍是目前最成功和具有代表性的遥控水下作业系统之一[3]。目前世界上, 美国、法国、日本和俄罗斯的整体水平比较高, 美国的技术最为先进, 而日本在商业化方面做得较好。相对国外, 对于水下作业机械手的运动控制研究起步较晚, 技术尚不成熟, 与先进水平差距比较大, 国内目前使用的海洋高新技术装备90%以上需要进口[4]。

1 机械设计

1.1 传动方式选择

轴角为90°两相交轴之间传动主要有蜗轮蜗杆和锥齿轮两种传动方式[3], 锥齿轮的优点是寿命长, 高负荷承载力, 耐化学和腐蚀性强, 降噪和减震, 重量轻, 成本低, 易于成型, 润滑性好。缺点是传动比小, 不能自锁。相对而言, 蜗轮蜗杆在动力传动中单级传动比i即可达到10~80, 这对于降低减速器传动比, 缩小机械手臂中的减速电机尺寸, 提高力矩等具有明显优势。且蜗轮蜗杆传动在海水中亦可以有较好的传动效率, 结构紧凑, 传动重合度大于1, 传动平稳, 冲击和噪声小, 可以自锁, 使用寿命也能满足设计要求。因此最终选择蜗轮蜗杆的传动方式。

1.2 电机选型

电机分为直流有刷电机和直流无刷电机, 分析他们的特点。直流有刷电机:随着水深增加, 密封后结构尺寸和重量不断增加。直流无刷电机:没有换向器和电刷, 均压密封, 实现可靠密封。综上, 选择直流无刷电机。为简便设计, 选购市场上寿命长, 噪音小的行星减速机。

1.3 机械臂腔的选型与计算

深海环境复杂, 各项因素对金属及合金材料腐蚀的影响腐蚀严重, 故需要选择耐腐蚀的材料以保证机械手臂的稳定运作[5]。

不锈钢的比重太高, 钛价格又过于昂贵, 而铝材虽然机械强度不如不锈钢和钛合金, 但其强度已经能够满足本次设计需求, 故选择常用的铝材, 表面通过阳极氧化处理以保证其耐腐蚀性。为了减轻机械手臂的整体质量, 机械手臂做成中空结构, 即机械臂腔。

2 密封

2.1 密封圈选材

由于不熟悉深海环境的pH、溶解CO2含量等因素, 因此需要密封圈除了必要的密封特性, 其材料还需要具有一定的耐腐蚀性[5]。氟橡胶适用于热油、蒸汽、空气、无机酸、卤素类溶剂等广泛的介质, 故可以选取氟橡胶材料的O型密封圈来作为本次机械手的密封圈材料, 以应对深海复杂未知的海洋环境。

2.2 静密封设计

O型密封圈被誉为自密封技术发展以来最佳的静密封。由于深海压力大, 为了保证密封效果, 设计中采用了双密封圈设计, 在实际实验取得了良好的密封效果。

3 机械手的总体结构设计

3.1 固定座的结构设计

固定座在整个水下电动机械手中起着支撑的作用。

内支撑套筒固定在相应的水下机器人上, 如ROV、AUV等。电机密封安放在内支撑筒内, 与内支撑筒通过螺纹固定。当电机接通电源后, 通过电机轴输出转矩带动外套筒旋转 (电机轴与外套筒刚性固定) , 外套筒继续带动机械手大臂水平旋转, 并通电的时间来控制相应转过的角度。

3.2 机械手大臂的结构设计

机械手大臂主要完成水平方向的旋转运动以及提供一个垂直平面的旋转自由度, 由蜗轮蜗杆传动完成。

电机轴输出力矩后, 通过联轴器带动蜗杆旋转, 然后蜗轮蜗杆啮合运动, 将力矩传递到机械小臂上。在联轴器靠蜗杆一端设计了动密封以保证海水不进入电机。在转动座与电机套筒旋合处采用双密封圈静密封设计, 以保证良好的密封性。

3.3 机械手小臂的结构设计

减速电机轴通过输出力矩带动联轴节旋转, 同时, 联轴节与螺旋滑块构成螺旋传动, 带动末端执行器 (End-effector) 进行“夹持”运动。为保证电机的正常运作和良好的密封性, 联轴节处依然采用了同前面的密封环设计, 原理和机械结构类似。

参考文献

[1]张铭钧.水下机器人[M].北京:海洋出版社.2000:41-45.

[2]蒋新松.水下机器人[M].辽宁:辽宁科学技术出版.2000:256-267.

[3]张立峰.三自由度水下机械手本体结构及阻抗控制研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学.2008:1-4.

[4]安江波, 孙昌将, 凌华.水下机械手结构设计与研究[J].2009.机械工程与自动化.第二期:1-4.

五自由度机械手的PLC控制篇4

机器人是在机械化、自动化发展浪潮中涌现出来的一种新型装置, 它的出现大大解放了生产工人的劳动, 提高了劳动生产率。机器人技术是未来高技术、新兴产业发展的基础之一, 对于国民经济和国防建设具有重要意义。我国在863计划、国家自然科学基金、国家科技重大专项等规划中对机器人技术研究给予极大的重视[1]。

随着工业4.0和我国的“中国制造2025”战略的部署, 我国大力发展制造业, 而我国的制造业正处在上升期, 随着市场竞争的激烈、劳动力成本的逐年上升以及用户对个性化、定制化的需求越来越迫切, 老龄化社会的形成, 一线工人减少的趋势不可逆转, 我国制造业迫切需要升级改造, 来提高经济效益, 因此, 对机器人产业具有迫切的需求。

2 系统的控制要求

要求机械手在4个工位之间依次搬运工件, 控制程序具有“复位”“启动”“停止”“急停”功能。

机械手在运动过程中, 按“停止”按钮, 五自由度机械手完成当前动作后停止运行, 按“启动”按钮, 五自由度机械手继续下一步动作。

在五自由度机械手运动时, 按下“急停”开关, 五自由度机械手立即停止移动及转向, 此时如需再次运行机械手, 需亲手将本次搬运途中掉下的工件拿到1号物料台, 再按“复位”按钮“复位”完成后, 按启动可重新运行。

系统采用两台S7-200PLC, 一台作为从站对机械手进行控制, 另一个台作为主站监控机器人的运行状态。触摸屏与主站PLC连接, 实现对主站PLC和从站PLC的实时监控, 并控制PLC按上述流程完成搬运任务。

利用触摸屏, 可以对系统进行“复位”、“启动”、“停止”“急停”等操作, 并可以在触摸屏上实时显示当前五自由度机器人的运行状态。

3 硬件设计

系统输入需要有四个按钮分别控制系统的“复位 (SB1) ”“启动 (SB2) ”“停止 (SB3) ”“急停 (SB4) ”功能;还需有四个传感器分别作为“原点”“右限位”“底座旋转限位”的限位与控制。

机械手有五个自由度, 分别是基座水平移动、基座旋转、大臂抬放、小臂抬放、手爪夹紧和放松。基座的水平移动和旋转由步进电机来控制, 步进电机分别由PLC的两个高速脉冲输出点Q0.0和Q0.1控制其速度;大臂和小臂由直流电机控制。手爪由舵机控制。

PLC控制结构图如图2:

为节约成本, 该系统只有水平移动和底座旋转采用步进电机驱动, S7-200PLC只有两个高速脉冲输出点, 其他三个自由度包括大臂抬放、小臂抬放以及手爪电机通过PLC的普通输出点进行控制。

4 PLC的软件设计

PLC软件采用模块化程序设计, 由主程序模块和6个子程序模块组成, 子程序包括水平移动、水平停止、旋转移动、旋转停止、水平复位、水平减速。程序结构图如图3:

5 系统的网络结构与组态

西门子S7-200系列PLC支持多种通信协议, 协议定义了主站与从站两类通信设备, 主站可以对网络上另一台 (或多台) 设备从站发出命令, 从站则响应来自主站的命令。主、从站间的专用通信协议有PPI协议、MPI协议、PROFIBUS协议和自由口协议。在实际应用中, S7-200经常采用PPI协议进行通信。S7-200通过PPI通信可以发挥其强大的通信功能, 实现PLC与PLC、PLC与PC、PLC与其他智能设备之间的信息交换, 组成集中管理的多级分布式PLC网络控制系统[2]。

该系统的网络结构如图4所示, 采用两台PLC, 一台作为从站用于控制机器人的动作, 另一台作为主站对从站的状态进行监控, 用计算机在S7-200CPU处于STOP模式时对PLC进行编程, 并对触摸屏进行组态。

组态技术的发展与应用极大地提高了工业控制系统的自动化水平。目前, 基于组态技术, 以PLC为核心的计算机测控系统一般是利用单台PLC或PLC-PLC网络完成信号的前沿采集、检测与控制功能, PC机和组态软件只用于系统的监控与历史数据管理。该系统采用MCGS软件进行组态, 组态流程如图5所示。

6 结术语

基于MCGS组态监控的机械手主从网络控制系统在山东英才学院PLC实验室调试通过并实际运行。该系统成本低廉, 运行稳定, 采用MCGS进行系统开发, 方便、快捷, 可以在工程应用中推广使用。

摘要：首先分析了该系统的工程应用意义及价值, 然后对系统硬件和软件进行了设计, 采用步进电机控制机械手底座的水平移动及旋转移动, 采用直流电机控制机械手的手臂, 用舵机控制机械手的手爪。设计了PLC的外部接线, 采用顺序控制的编程方法编写了控制程序。并且建立了两台PLC的PPI网络通信。设计了触摸屏监控画面, 实现了对机械手的实时监控。

关键词：PLC,机械手,步进电机,组态控制

参考文献

[1]谭民, 王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报, 2013, 7 (39) :7.

七自由度机械手篇5

机器人是复杂的机电一体化系统,代表了一个国家机械工业的发展水平。近年来,有关机器人运动的分析、控制以及智能化已经成为各国机器人学者研究的热点。机器人运动学方程是实现机器人运动控制的数学基础。理论上已经证明,对于一个关节轴方向之间平行或正交的六自由度机器人,其逆向运动学是可以解析求解的,即能够以任意姿态到达工作空间中的任意位置[1]。而近期的研究集中在新结构形式机器人的运动学计算上,利用更简单的解析方法表示运动学方程[2]以及建立一种通用的符号求解运动学方程的平台等。

机械手是大多数工业机器人系统的一个核心部分。应用Matlab/Simulink中的电子驱动库函数,可以对电机驱动、减速器、机械手关节和控制器进行建模与仿真,从而大大简化整个系统的设计过程。本文介绍了利用以上方法进行六自由度机械手运动控制的设计和仿真,电机控制采用了PID控制算法,并利用Matlab/Simulink仿真初步确定了控制参数(Kp,Ki,Kd),并进行了节点的运动仿真,为后续设计工作做了有益的铺垫。

1 机械手的实体建模运动学分解和建模

1.1 械手的实体建模

选用Solid Works建立机械手的三位模型(如图1所示),其中整个装配线具有8个自由度,夹紧把手(Grip)有两个自由度,允许每个手指可以自由开合;主装配线有6个自由度,肱关节(Upper Arm)可以相对于基部(Base)做翻转、摆动和旋转等运动(3个自由度),肘关节(Fore arm)可以相对肱关节偏转(1个自由度),腕部(Wrist)还可以相对肘部做翻转运动(1个自由度),夹紧把手可以围绕对称轴旋转(1个自由度)。

在Matlab中,对三位模型进行运动学分析的仿真前,必须先用相应的CAD翻译软件对所建立的软件平台进行翻译,形成XML文件,这样Matlab才能识别和处理,如图1所示。

1.腕关节 2.肘关节 3.肱关节 4.基部 5.夹紧把手 6.手指

1.2 机械手的动力学模型

一个自由度机械手的动力学模型[3]可以表示为

undefined

式中 TL—n×1维控制力矩向量;

θi—n×1维机械手关节角向量;

Ji—n×n维惯量阵;

Ci—n×1维哥氏及离心力矩向量;

Gi—n×1维重力力矩向量。

机械手的自由度是采用一台无刷直流电机来控制的。该直流电机采用永磁式同步电机模拟,逆变器伺服控制步进电机,而带式减速器和齿轮箱用来把电机的扭矩传给控制节点。

2 电机物理模型

2.1 电机模型的数学描述

在进行仿真之前,先要确定电机的物理模型。为此,根据基尔霍夫定律,可以对直流电机做出如下数学描述,即

undefined

根据电磁感应定律和牛顿第二定律,得

undefined

令undefined,上面的公式可以化成

undefined

2.2 实际电机的开环阶跃响应

为了确定电机的物理模型及模型参数,首先对电机进行开环阶跃响应实验。给电机设定一个突变的速度设定,测出电机速度随时间的变化曲线。图2和图3分别是电机的实际开环响应曲线可以Matlab模拟仿真曲线。

图3中的控制参数是假定的,并不是机械手电机的实际参数。为此,可以将实际测量得到的电机开环数据代入公式(4),求出电机模型中的3个参数a、b、c,在matlab中运行程序就可以求得电机开环参数:a = 522 284.126 112 083; b = 1 282.297 371 441;c = 0.084 348 857。

将以上参数代入公式(4),并进行拉普拉斯变换,得到机械手DC电机开环传递函数为

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3 开环系统模拟仿真

求出了开环系统的传递函数,就可以利用simulink进行系统仿真。对于电机驱动的控制,采用 PID控制算法。通过理论分析可知,比例控制系数Kp越小,系统响应速度越慢,但是超调更小,震荡越小[4];反之,系统响应速度快,超调更大,震荡越大。无刷直流电机的运动仿真如图4所示。在测试中,电机实际运动轨迹和试验设计轨道十分吻合,直流电机的电压在电机减速的过程中保持相对稳定,扩展扭矩和直流电机的电流幅值成比例变化,这些都显示了设计算法的正确性。

4 结语

本文介绍了机械手的三维建模,对机械手进行了运动学分析,给出了理论上的动力学微分方程;同时,分析简化了电机的微分方程,对微分方程进行拉普拉斯变换,从而求出电机的开环传递函数。在求得电机的开环传递函数的基础上,构造了PID闭环控制仿真模型,并分别通过实验的方法求出了Kp、Ki、Kd;最后,对节点的运动进行了控制仿真。仿真结果显示了设计的可行性。

参考文献

[1]时凯飞,李瑞峰.7自由度仿人手臂运动学研究[J].哈尔滨工业大学学报,2003(7):806-808.

[2]冯乔生,刘丹非.一种新的符号求解机器人逆运动学的分离变量法[J].机器人,1997(3):143-150.

[3]戴先中.多变量非线性系统的神经网络控制方法[M].南京:东南大学出版社,2005.

七自由度机械手篇6

工作空间是机械手末端执行件上参考点所能到达的空间的集合。它是机械手的一项重要的性能指标,也是机械手机构设计的一个基本问题:一方面,已知机械手的结构,研究其工作空间的特性;另一方面,给定工作空间的要求,研究机械手应该具有什么结构。

生产实践中应用最为广泛的是3-6自由度机械手,对3-6自由度机械手的工作空间进行研究有一定的实际意义。

1 串联机械手的运动学方程式

串联机械手是由一系列连杆通过关节连接而成的,除首端和末端的两个连杆外,每一个连杆有两个关节,连杆i的两端有关节i和i+1。关节i靠近机架,为前端,关节i+1靠近执行件(手部),为末端。

采用D-H方法建立串联机械手的连杆坐标系,第i个连杆坐标系有两种设置方法,即连杆坐标系的zi轴与前端关节i的轴线重合,称为前置坐标系,或者zi轴与后端关节i+1的轴线重合,称为后置坐标系,在本仿真程序中采用前置坐标系。根据连杆坐标系可以确定连杆的D-H参数:连杆长度ai,连杆扭角αi,连杆偏距di,连杆转角θi。如果是转动关节,则连杆转角是变化的;如果是移动关节,则连杆偏距是变化的,称之为关节变量。

通过齐次变换可以得到相邻连杆之间的齐次变换矩阵:

对于n个连杆的机械手,只要把n个连杆变换矩阵逐次右乘便可得到机械手的运动学方程:

式中:R是末端执行件相对基座标系的姿态矩阵,其中n为法线向量,o为方向向量,a为接近向量,P为末端执行件相对基座标系的位置向量,P=[px,py,pz]T。

2 串联机械手工作空间仿真程序

MATLAB是工程技术中得到广泛应用的数学软件,既有强大的计算能力,又有很强的图形功能,可以方便地实现数据的视觉化。

运用MATLAB强大的矩阵运算功能,将尽可能多的关节变量组合代入运动学方程式,然后将求得的位置点以图形的方式显示出来,从而可以仿真得到机械手工作空间。具体实现方法是:在机械手各个关节变量的运动范围内,依次从第一个关节到最后一个关节分别以各自的步长转动(转动关节)或移动(移动关节),前一个关节变量变化一个步长,其后一个关节变量在其运动范围内按一定的步长从最小值变化到最大值,由此得到多组关节变量值的组合,并将各组关节变量值代入机械手运动学方程,求解出机械手末端执行件不同的空间位置,这些空间点的集合构成该机械手的工作空间。

MATLAB不但编程简便,而且可以制作出友好的图形用户界面,借助于MATLAB编写了3-6自由度机械手工作空间的仿真程序,在人机交互界面上,通过选择自由度和连杆参数等就可以仿真得到3-6自由度串联机械手的工作空间,并以图形方式输出结果。

3 六自由度机械手工作空间仿真

下面以某一6自由度机械手为例,对该仿真程序进行说明,该机械手的D-H参数如表1所示。

运行仿真程序,首先在图1所示的自由度选择对话框选择机械手的自由度,可以根据具体的机械手构型选择3至6自由度。确认后,弹出机械手连杆参数输入对话框,如图2所示,在此输入连杆长度、连杆扭角、关节变量的变化范围及步长等参数,步长越小,点数越多,仿真效果越好,但计算量随之增大,仿真过程延长。

如果希望改变自由度,可以选择“重选自由度”回到自由度选择对话框重新选择自由度。如选择“确定”,开始机械手工作空间求解仿真,得到图形化的仿真结果,在仿真结果输出界面上,可以通过“显示类型”来选择显示三维图(图3)、xoy平面投影(图4)、xoz平面投影(图5)、yoz平面投影(图6),这样可以从不同的角度研究机械手工作空间,为机械手的结构设计和分析提供更多的参考。

4 结语

该机械手工作空间仿真程序能用于3-6自由度串联关节型机械手的工作空间仿真,具有通用性较强、界面友好、使用方便等特点。

利用工作空间仿真程序可以直观地观察机械手的工作空间,以作进一步的分析研究,为机械手的设计和改进提供重要参考。

参考文献

[1]殷际英,何广平.关节型机器人[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2]马学峰主编.机器人机构学[M].北京:机械工业出版社,1991.

七自由度机械手篇7

由于多关节的机械手是一个强耦合非线性动态系统[1],而且其交藕特性还在很大范围内随机械手的位置及运动状况发生变化。因此,用常规的控制手段,很难达到快速高精度的跟踪控制的要求。设计此类控制策略的关键是[2]:避免复杂的非线性补偿计算;控制系统应对机械手的位置参数的变化及数学模型的不精确具有不灵敏。因此,研究这类系统的控制问题有十分重要的理论价值和实践意义。

滑模变结构控制方法比较适合于机械手的控制[3]。这主要是因为滑模变结构控制对一类有外界干扰和参数变化具备某种不变性,或称完全鲁棒性,这对于机械手控制非常有利,它可以削弱由于负载变化或随机干扰对系统控制性能的影响。

1 4自由度机械手的动力学模型

根据科研项目的需要,我们自行设计了4自由度机械手,该机械手的结构如图1所示,参数如表1所示。机械手控制系统是采用一个控制卡,同时控制4个电机,几个电机可以相互协同动作,操作系统是通用的Windows2000/XP,开发工具是VC。控制系统具有开放性,用户可以对系统的底层进行操作,开发自己的程序,同时还具有较好的重复定位精度、动作灵活操作范围广、功率小和易用性等优点。该机械手主要用于教学领域和控制研究。

对于4自由度机械手,可用拉格朗日(Lagrange)方程:

式中θ=[θ1θ2θ3θ4]Τ,,τ=[τ1τ2τ3τ4]Τ。(2),式中及p(θ)分别表示机械手的动能和势能。且(3),式中惯量矩阵M(θ)对所有θ是对称正定矩阵。将式(2)及式(3)代入式(1)中,机械手的动态方程为

式中左边第二及第三项分别代表复合向心力和离心力;最后一项表示重力。方程(4)可以简写成

式中

结合机械手结构和参数,运用拉格朗日方法[4]可以求出动态方程中各个矩阵如下

式中,u12=-(3.84s2c2+0.76s23c23+s23c2)

2 滑模变结构控制器设计

令θd为所求的状态矢量,偏差矢量为e=θ-θd,则。

再令控制输入量为

将式(5)代入式(4)中,得

式中µ={γ}(i=1,...,4;j=1,...,10)

矩阵仅与状态量有关,其元的上下限值可以事先估算出来,即已知:。现在选用线性切换函数:,当滑模可达性及存在性成立时,系统进入滑模运动,此时就有,只要取ci>0就可以实现渐近稳定跟踪。