畢業(yè)設(shè)計--搬運機械手反解運動控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 引言1</b></p><p>　　1.1機械手的發(fā)展及應(yīng)用1</p><p>　　1.2機器人的分類3</p><p>　　1.3工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及在各國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展及預測4</p><

2、p>　　1.4我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀及前景6</p><p>　　1.5本論文的意義和研究內(nèi)容6</p><p>　　第二章 機械手的結(jié)構(gòu)和功能及基本技術(shù)參數(shù)8</p><p>　　2.1機械手的結(jié)構(gòu)和功能8</p><p>　　2.2機械手的基本參數(shù)10</p><p>　　第三章 連桿坐標系間的變換

3、矩陣12</p><p>　　3.1 齊次坐標與手部位姿矩陣12</p><p>　　3.2連桿坐標系間的齊次變換矩陣的表示方法13</p><p>　　3.3連桿坐標系間變換矩陣的確定13</p><p>　　第四章 機器人逆運動學15</p><p>　　第五章 控制系統(tǒng)的設(shè)計20</p>

4、<p>　　5.1 控制方式的確定20</p><p>　　5.2選擇PLC21</p><p>　　5.2.1 PLC規(guī)模的估算21</p><p>　　5.2.2PLC的選擇22</p><p>　　5.3可編程控制器（FX2N-64MR）結(jié)構(gòu)功能介紹23</p><p>　　5.4PLC的外

5、部接線23</p><p>　　5.5位置檢測電路23</p><p>　　5.6輸入輸出接口電路25</p><p>　　5.6.1輸入接口電路25</p><p>　　5.6.2PLC輸出接口電路25</p><p>　　5.7 控制軟件的設(shè)計27</p><p>　　5.8梯形

6、圖及指令語句28</p><p><b>　　結(jié)論與展望29</b></p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p><b>　　致 謝31</b></p><p><b>　　附 錄132</b></p><

7、;p><b>　　附 錄233</b></p><p><b>　　附 錄337</b></p><p>　　搬運機械手反解運動控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　?。ㄏ嫣洞髮W機械工程學院 周六軍）</p><p>　　摘要：本文采用可編程控制器（PLC）對一五自由度搬運機械手的反解運動

8、進行控制。根據(jù)機器人的位姿，用機器人反向運動學求出各個關(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)電機的轉(zhuǎn)角。然后利用光電編碼器對直流電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角進行檢測，并對機械手的5個直流伺服電機進行正反轉(zhuǎn)控制，從而實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)軸的準確定位和機械手的運動控制。</p><p>　　關(guān)鍵字：機械手；反向運動學；編碼器；PLC</p><p>　　The Design of Conveyer Ma

9、nipulator Counter-solution</p><p>　　Movement Control System</p><p>　　(Xiangtan university mechanical engineering institute Zhou Liujun)</p><p>　　Abstract: This article adopts progra

10、mmable controller（PLC) to control the anti-solution motion of a five freedom convey manipulator . According to the pose of robot ,using robot reverse kinematics solve for angle each arthvosis should turned , thereby sol

11、ve for correspond corner of each motor with gear ratio and each shaft resolution.And then using photoelectric encoder detect the shaft corner of D.C.motor,and control the forward and reverse rotate of five DC servo mot

12、or on the manipulator . </p><p>　　Key words: Manipulator; Reverse Kinematics; Encoder; PLC</p><p><b>　　第一章 引言</b></p><p>　　“工欲善其事，必先利其器”。人類在認識自然、改造自然、推動社會進步的過程中，不斷地創(chuàng)造出各種

13、各樣為人類服務(wù)的工具，其中許多具有劃時代意義。作為20世紀自動化領(lǐng)域的重大成就，機器人已經(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，社會進步是歷史的必然，科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力，就像其它科學技術(shù)的發(fā)明發(fā)現(xiàn)一樣，機器人已經(jīng)漸漸成為人類的好助手、好朋友。</p><p>　　作為機器人發(fā)展過程中的一個很重要的環(huán)節(jié)，機械手是在機械化、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

14、算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(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)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。</p><p>　　1.1機械手的發(fā)展及應(yīng)用</p><p>　　20世紀40年代中后期，機器人的研究與發(fā)明得到了更多人的關(guān)心與關(guān)注。20世紀50年代以后，美國橡樹嶺國家實驗室開始研究能搬運核原料的遙控操縱機械手，如圖1.1所示[1]

15、。</p><p>　　圖1.1 主從型遙控操縱機械手</p><p>　　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、從機械手之間有防護墻隔開，操作者可通過觀察窗或閉路電視對從機械手操作機進行有效的監(jiān)視，主、從機械手系統(tǒng)的出現(xiàn)為機器人的產(chǎn)生以及近代機器人的設(shè)計與制造作了鋪墊。此后，美國的戴沃爾(Ceorge.G.Devol)設(shè)想了一種可控制的機械手。195

16、4年，他依據(jù)這一想法設(shè)計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置，發(fā)表了“適用于重復作業(yè)的通用性工業(yè)機器人”一文，并獲得了美國專利。</p><p>　　戴沃爾在此后還設(shè)計了一種可以接受示教而完成各種簡單的重復動作的機器人。在任務(wù)的執(zhí)行過程中，機器人的各個關(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)機器人在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。當今機器人技術(shù)

17、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算機快千萬倍，可更快、更好地完成語言識別、圖像處理等工作[1]。</p><p>　　目前，美國在機器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機器人技術(shù)的發(fā)展推動了機器人學的建立，許多國家成立了機器人協(xié)會，美國、日本、英國、瑞

18、典等國家設(shè)立了機器人學學位。20世紀70年代以來，許多大學開設(shè)了機器人課程，開展了機器人學的研究工作，如美國的MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、University of California等大學都是研究機器人學富有成果的著名學府。隨著機器人學的發(fā)展，相關(guān)的國際學術(shù)交流活動也日漸增多，目前最有影響的國際會議是IEEE每年舉行的機器人學及自動化國際會議，此外還有國際工業(yè)機器人會

19、議(ISIR)和國際工業(yè)機器人技術(shù)會議(CIRT)等。出版的相關(guān)期刊有“Robot Today”、“Robotics Research”、“Robotics and Automation”等多種[1]。</p><p>　　在當今這個新型工業(yè)化時代，機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)機械手（如圖1.2、圖1.3）。</p><p>　　圖1.2 點焊機器人&

20、lt;/p><p>　　圖 1.3 PUMA 700機器人</p><p>　　機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。它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點。機器人的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及多剛體動力學、機構(gòu)學、機械設(shè)計、傳感技術(shù)、電氣液壓驅(qū)動、控制工程、智能控制、計算機科

21、學技術(shù)、人工智能和仿生學等學科，機器人技術(shù)是一門跨學科的綜合性技術(shù)，機器人應(yīng)用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。當代對機</p><p>　　器人的研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。例如：</p><p>　　(1) 機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。(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，在機械</p>&l

22、t;p>　　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)重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。</p><p>　　(4) 可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。</p><p>　　(5) 宇宙及海洋的開發(fā)。(6) 軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。</p><p>　　隨著工業(yè)的發(fā)展，科學技術(shù)不斷

23、進步，機器人學的不斷完善，工業(yè)機器人成了可編程序的機電一體化的裝置，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），計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的自動化工具[2]。</p><p><b>　　1.2機器人的分類</b></p><p>　　根據(jù)不同的標準，機器人也相應(yīng)有不同的種類

24、。工業(yè)機器人的機械結(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)按不同的坐標形式組裝，機器人可分為五種：直角坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、球坐標型機器人、關(guān)節(jié)型機器人和并聯(lián)機器人，本論文中控制的對象為一五自由度的關(guān)節(jié)型機械手，它屬于關(guān)節(jié)型機器人中的一個典型。關(guān)節(jié)坐標型機器人主要由立柱、前臂和后臂組成(圖1.4)，PUMA機器人是其代表。</p><p>　　圖1.

25、4 關(guān)節(jié)型機器人</p><p>　　機器人的運動由前、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，故比較復雜，這種機器人目前應(yīng)用得最多[1]。</p><p>　　1.3工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及在各國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展及預測</p><p>　　機器人是最典型的

26、機電一體化裝備，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。國外專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(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)濟委員會)和IFR(國際機器人聯(lián)合會)統(tǒng)計，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭，80年代工業(yè)機器人進入發(fā)展中期，汽車、電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè)機器人，推動了機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工業(yè)

27、機器人的應(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)機器人的生產(chǎn)與需求達到了一個技術(shù)成熟期，1990年世界上新裝備工業(yè)機器人80943臺，1991年裝備了76443臺，到1991年底世界上已有53萬臺工業(yè)機器人工作在各條戰(zhàn)線上。進入90年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年銷售量增長率平均在10％左右；2004年增長率達到了創(chuàng)記錄

28、的20％ ，其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，增長43％ ，如圖1.5所示。</p><p>　　數(shù)據(jù)來源：UNECEHE 和IFR</p><p>　　注1：其中日本在2000年以前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括了所有機器人的數(shù)目，與各國數(shù)據(jù)缺乏可比性。</p><p>　　注2：韓國的數(shù)據(jù)包括了所有類型的工業(yè)機器人，與各國的數(shù)據(jù)缺乏可比性。</p><p&

29、gt;　　圖1.5 2003年制造業(yè)中每1萬名雇員擁有工業(yè)機器人的數(shù)量[4]</p><p>　　UNECE估計，2004年全球至少安裝了10萬臺新的工業(yè)機器人。其中：</p><p>　　歐盟31 100臺（比2003年增加15%，但比2001年的記錄僅增加1%）；</p><p>　　北美16 100臺（比2003年增加27%，比2000年的記錄高24%）；&l

30、t;/p><p>　　亞洲51 400臺，主要在日本，但中國市場增長迅速（比2003年增長24%）。</p><p>　　以下我們還可以從表1.1中的數(shù)據(jù)了界工業(yè)機器人在各國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與預測。</p><p>　　表1.1 全球工業(yè)機器人年度安裝量和年運行總量及2007年的預測數(shù)（單位：臺）[3]</p><p>　　數(shù)據(jù)來源：UNECE 和I

31、FR </p><p>　　注：日韓的統(tǒng)計口徑和其他國家有所出入。</p><p>　　從近幾年世界機器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機器人技術(shù)正在向智能機器和智能系統(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)的實用化，工作環(huán)境設(shè)計的優(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。</p>

32、<p>　　UNECE和IFR預測，至2007年，全球運行的工業(yè)機器人總量將從2003年的800 772臺，增長至2007年的997 700臺，年平均增長5.6％。其中，日本年度工業(yè)機器人總量將從2003年的348 734增長至2007年的349 400臺，年平均增長0.048％；歐洲將從2003年的249 200臺增長至2007年的325 900臺，年平均增長6.9％；美國從2003年的112 390臺增長到2007年的14

33、5 100臺，年平均增長6.6％。</p><p>　　全球新安裝機器人的數(shù)量從2003年的81 776臺增至2007年的106 00臺，年平均增長6.7%。其中，日本工業(yè)機器人的年度安裝量將從2003年的31 577增長至2007年的41 300臺，年平均增長6.9%；歐洲將從2003年的27 114臺增長至2007年的34 400臺，年平均增長6.1%；美國從2003年的12 693臺增長至2007年的15

34、900臺，年平均增長5.8%[5]。</p><p>　　1.4我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀及前景</p><p>　　我國的機器人技術(shù)起步較晚，約于20世紀70年代末、80年代初開始。以后的20多年中，在步行機器人、精密裝配機器人、多自由度關(guān)節(jié)機器人的研制等國際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先進水平的差距。從近幾年來看，我國已經(jīng)有很多單位和企業(yè)已經(jīng)著手機器人的研究和開發(fā)，已經(jīng)研究出多種型號的機器人。

35、我國工業(yè)機器人經(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)機器人以及包含工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線和工程項目、相關(guān)產(chǎn)品的年銷售額已經(jīng)超過3億元。國家“863”計劃當中，我國的工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于汽車、電子行業(yè)當中，其發(fā)展水平也已經(jīng)逐步接近世界先進水平，相信以目前的發(fā)展水平會在不久的將來趕上各先進國家的步伐。</p><p>　　1.5論文的意義和研究內(nèi)容</p><

36、;p>　　機器人技術(shù)是近30年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學科。它綜合了力學、機構(gòu)學、機械設(shè)計學、計算機工程、自動控制、傳感技術(shù)、電液驅(qū)動技術(shù)、人工智能、仿生學等學科的有關(guān)知識和最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就。機器人學是隨著機器人的發(fā)展而發(fā)展的，而它的發(fā)展與完善又不斷地推動著機器人技術(shù)水平的提高，擴大著機器人的應(yīng)用領(lǐng)域;同時機器人學也極大地促進了控制技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、仿生學等學科的發(fā)展，所以機器人學是一門集中反映高新

37、技術(shù)的新興學科。</p><p>　　科學的進步與技術(shù)的創(chuàng)新，為機器人的研究與應(yīng)用開辟了廣闊的思路與空間。工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、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、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化、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

38、器的進化過程產(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，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。</p><p>　　現(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進入80年代以來，機器人技術(shù)的進步與其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國專家學者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達國家均把機器人技術(shù)的開發(fā)、研究列入國家高新技術(shù)發(fā)展計劃。我國現(xiàn)代化建設(shè)的十五計劃的“211工程”中就有一個“智能移動機器人系統(tǒng)”建設(shè)項目[6]。</p>

39、<p>　　本文結(jié)合當今工業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種五自由度關(guān)節(jié)式機器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)過程。分析了機械手的總體結(jié)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)地對本機械手的逆運動學進行了分析。在同組同學用齊次坐標變換的方法對機械手的運動學正解進行了分析和研究的基礎(chǔ)上，對機械手的運動學逆解進行了分析和研究，并用代數(shù)法求出結(jié)論表達式。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械手的運動。</p><p

40、><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]劉極峰，易際明，等.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社 ，2006年5月</p><p>　　[2]熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 武漢：華中科技大學出版社 ,1996年</p><p>　　[3]馬光,申桂英 ,等.工業(yè)機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].南京化工大學學報 ,2

41、003（ 3） </p><p>　　[4]朱力.目前各國機器人發(fā)展情況[J].中國青年科技2003 (11) </p><p>　　[5]張效祖.工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].世界制造技術(shù)與裝備市場,2004(5) </p><p>　　[6]郝海青. 串聯(lián)關(guān)節(jié)式機械手的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計.萬方數(shù)據(jù)庫碩博士論文，2002</p><p&g

42、t;　　第二章 機械手的結(jié)構(gòu)和功能及基本技術(shù)參數(shù)</p><p>　　2.1機械手的結(jié)構(gòu)和功能</p><p>　　本文所涉及的五自由度機械手是建立在GR-1型教學機械手的基礎(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（除機械部分外基本已失效）。主要由機械部分和控制系統(tǒng)兩部分組成：</p><p>　　機械部分：該機械手是一個關(guān)節(jié)型機械

43、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驅(qū)動。</p><p>　　控制系統(tǒng)：通過對控制器進行編程，由光電閉環(huán)伺服回路引導機械手末端手爪，可以實現(xiàn)對其準確定位。</p><p>　　其設(shè)計特點可歸納為：</p><p>　?。?）機械設(shè)計采用裸體式以便能看清楚所有運動副的工作情況。</p><p>　?。?）機構(gòu)和功

44、能與大型工業(yè)機器人類似。</p><p>　?。?）用直流伺服電機和鏈傳動作為執(zhí)行機構(gòu)，其工作狀態(tài)也和工業(yè)機器人、CNC裝置的情況類似。</p><p>　?。?）采用全數(shù)字控制方案，每個關(guān)節(jié)的直流伺服電機都裝有光電編碼器，用高傳動比以獲得較高的關(guān)節(jié)角位移分辨率。</p><p>　?。?）控制器可同時控制6個直流伺服電機，用戶可認為控制器是透明的，致力與軟件開發(fā)。

45、</p><p>　　該機械手結(jié)構(gòu)圖和部件傳動圖如圖2.1—2.4所示。</p><p>　　圖2.1 腰傳動圖</p><p>　　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)，對腰部傳動進行限位檢測，可實現(xiàn)最大限位控制。</p&g

46、t;<p>　　圖2.2 上臂傳動圖</p><p>　　上臂固定在腰部從動齒輪上，安裝在腰部上的伺服電機通過鏈傳動帶動上臂進行擺動幅度不小于270°的運動，并且隨腰部一起傳動。</p><p>　　圖2.3 前臂傳動圖</p><p>　　前臂固定在上臂末端軸(肘關(guān)節(jié)軸線)上，其驅(qū)動電機固定在腰部，通過2級鏈傳動帶動前臂轉(zhuǎn)動。采用鏈輪張

47、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。</p><p>　　圖2.4 手傳動圖</p><p>　　手傳動驅(qū)動電機固定在腰部，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°。</p><p>　　腕部裝有2個直流

48、伺服電機，一個通過齒輪傳動驅(qū)動腕的旋轉(zhuǎn)運動，一個通過連桿機構(gòu)帶動手爪的開合。此外，在機器人本體下面還有安裝底板，用于穩(wěn)定機身，防止在機器人的肘，臂伸出時，機器人傾倒。</p><p>　　除了齒輪傳動外，鏈傳動也是GR-1型示教機械手重要的傳動方式。該機械手的上臂，前臂和手是通過鏈輪傳動實現(xiàn)運動的。</p><p>　　各機械結(jié)構(gòu)為基本空間縮放結(jié)構(gòu)，用高強度鋁合金材料制成。機械手的運動由腰

49、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)和手腕的運動用直流伺服電機驅(qū)動，電機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)成伺服電機驅(qū)動回路的閉環(huán)反饋控制。</p><p>　　2.2機械手的基本參數(shù)</p><p>　　機械手的基本參數(shù)如下：</p><p>　　a、外形尺寸：340×34

50、0×530（復位狀態(tài)，包括底座）</p><p>　　b、自由度：5 （不包括手指開閉控制）</p><p>　　c、各關(guān)節(jié)活動范圍：</p><p><b>　　腰：≥±180°</b></p><p><b>　　肩：≥200°</b></p>

51、<p><b>　　肘：≥270°</b></p><p><b>　　手俯仰：≥270°</b></p><p>　　手指旋轉(zhuǎn)：≥360°</p><p><b>　　d、最大活動區(qū)：</b></p><p>　　垂直方向：850m

52、m</p><p>　　水平方向：600mm</p><p><b>　　e、各軸的分辨率：</b></p><p>　　f、運動速度： ≥20度/秒</p><p>　　g、重復精度： ≤1mm</p><p>　　h、最大負重： ≥1kg</p><p>　

53、　i、機械手重： 11.0kg（包括底座）</p><p><b>　　j、基本尺寸：</b></p><p>　　軀干： 115×215mm</p><p>　　腰高： 153mm</p><p>　　肩高： 249mm</p><p>　　上、

54、前臂長： 228mm</p><p>　　手前部： 137mm</p><p>　　手后部： 68mm</p><p>　　手指： 50mm</p><p>　　k、運動控制：數(shù)字式光電閉環(huán)伺服回路</p><p>　　l、驅(qū)動方式：直流伺服電機</p><p>　　

55、第三章 連桿坐標系間的變換矩陣</p><p>　　3.1 齊次坐標與手部位姿矩陣</p><p>　　本設(shè)計中我們所研究的搬運機械手實質(zhì)上是由一系列關(guān)節(jié)連接而成的空間連桿開式鏈機構(gòu)。而要研究此機械手，就必須對機器人運動學有一個基本的了解。機器人運動學中的一個最基本問題就是齊次坐標、機器人的位姿分析。</p><p>　　在選定的直角坐標系{A}中，空間任一點P的位

56、置可以用3??1的位置矢量AP表示，其左上標表示選定的坐標系{A}，此時有 </p><p>　　AP?=?[PX PY PZ ]T (2.1) </p><p>　　式中：PX、PY、PZ是點P在坐標系{A}中的三個位置坐標分量，如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 空間任一點的坐標表示</p

57、><p>　　將一個n維空間的點用n?+?1維坐標表示，則該n?+?1維坐標即為n維坐標的齊次坐標。用齊次坐標的規(guī)格化形式表示即：</p><p>　　P?=?[PX PY PZ 1]T (2.2)</p><p>　　在圖3.2中，i、j、k分別表示直角坐標系中X、Y、Z坐

58、標軸的單位矢量，用齊次坐標表示之，則有：</p><p>　　圖3.2 坐標軸的方向表示</p><p>　　X?=?[1 0 0 0]T</p><p>　　Y?=?[0 1 0 0]T</p><p>　　Z?=?[0 0 1 0]T</p><p>　　圖3.2中所示的矢量u的方向用4??1列陣可表達為：<

59、/p><p>　　u =?[a b c 0]T (2.3)</p><p>　　a?=?cos，b?=?cos，c?=?cos</p><p>　　手部的位置矢量為固定參考系原點指向手部坐標系{B}原點的矢量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</p><p>

60、;<b>　　(2.4)</b></p><p>　　3.2連桿坐標系間的齊次變換矩陣的表示方法</p><p>　　在對機器人進行運動學分析是，可以直接對機器人進行某種抽象，將連桿抽象為直線，而將關(guān)節(jié)抽象為點，這樣對分析結(jié)果不會產(chǎn)生影響。這是機器人的運動學建模。</p><p>　　在運動學的建模中，坐標系的選擇有很多種，而最為常見的Dena

61、vit-Hartenberg方法（D-H方法），其坐標系的建立如下：</p><p>　　連桿i的坐標系的Zi軸位于連桿i與連桿i?+?1的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸線上；連桿i的兩端軸線的公垂線為連桿坐標系的Xi軸，方向指向下一個連桿；公垂線與Zi的交點為坐標系原點；坐標系的Yi軸由Xi和Zi 經(jīng)右手法則確定。</p><p>　　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

62、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i。 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。</p><p>　　用表示機器人連桿n坐標系的坐標變換成連桿n–1坐標系的坐標的齊次坐標變換矩陣，通常寫成。對于n個關(guān)節(jié)的機器人，前一個關(guān)節(jié)向后一個關(guān)節(jié)的坐標齊次變換矩陣分別為：。其中，表示桿件1上的

63、1號坐標系到機座的0號坐標系的齊次坐標變換矩陣。</p><p>　　3.3連桿坐標系間變換矩陣的確定</p><p>　　一旦對全部連桿規(guī)定坐標系后，就能建立相鄰兩連桿i與i+?1之間的相對關(guān)系，連桿i–1的坐標系經(jīng)過變換可以與連桿i的坐標系重合。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i到連桿i–1的坐標變換矩陣為：</p><p

64、>　　=?Rot(Z, )Trans(0, 0, )Rot(X,)</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　上式為在D-H坐標系中，機械手中轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)坐標與其前一個關(guān)節(jié)坐標的齊次變換矩陣。能描述連桿坐標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身的位姿，描述第二個連桿坐標系相對于第一個連桿坐標系的位姿。如果已知一點在最末一個坐

65、標系（如n坐標系）的坐標，要把它表示成前一個坐標系（如n-1）的坐標，那么齊次變換矩陣為。依次類推，可知此點到基礎(chǔ)坐標系的齊次坐標變換為：</p><p>　　對于機械手末端執(zhí)行器坐標系(即連桿坐標系5)的坐標相對于連桿i–1坐標系的齊次變換矩陣，用i–1T5表示，即：</p><p>　　機器人末端執(zhí)行器相對于機身坐標系的齊次變換矩陣為：</p><p><

66、b>　?。ㄊ街校撼懗桑?lt;/b></p><p>　　由齊次變換矩陣可以求得機器人的運動方程。</p><p>　　第四章 機器人逆運動學</p><p>　　同組同學已經(jīng)建立了機器人的運動學方程：</p><p><b>　　（4.1）</b></p><p><b>

67、;　　式中:;;;</b></p><p>　　;;. (4.2)</p><p>　　對于5自由度的機械手而言，其運動學方程也可以寫成：</p><p>　　= （4.3）</p><p>　?。ㄊ街校?T5?常寫成T5?。）</p><p>　　上式中左邊矩陣表

68、示末端連桿相對于基礎(chǔ)坐標系的位姿。給定末端連桿的位姿計算相應(yīng)關(guān)節(jié)變量的過程叫做運動學逆解。</p><p>　　機器人的運動學逆解存在多解性，如圖4.1所示為一個二自由度的機器人，對于給定的位置與姿態(tài)，它是可解的且有兩組解。</p><p>　　圖4.1 機器人運動學逆解多解性示意圖</p><p>　　造成機器人運動學逆解具有多解的原因是由于解反三角函數(shù)方程產(chǎn)生

69、的。事實上對于一個真實的機器人，只有一組解與實際情況相符合，所以必須對這些解做出判斷，以選擇合適的解。</p><p>　　目前，已經(jīng)能夠?qū)σ话憬Y(jié)構(gòu)的六自由度串聯(lián)機器人進行逆運動學求解。但是，要獲得顯式解，必須滿足下列兩個充分條件之一：</p><p>　?。?）3個相鄰關(guān)節(jié)軸交于一點；</p><p>　?。?）3個相鄰關(guān)節(jié)軸平行。</p><

70、p>　　對機器人逆運動學的求解方法有三種：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，將因操作機的具體構(gòu)形而異。而數(shù)值算法則是一種通用求解逆運動學問題的方法。下面就用代數(shù)法來求解。</p><p>　　將5自由度的機器人的運動方程寫成：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　如果末端連桿的位姿已

71、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。</p><p><b>　　令：</b></p><p><b>　　由，有：</b></p><p>　　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

72、到下面四個等式：</p><p><b>　　解得：</b></p><p>　　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：</p><p>　　即： （4.5）</p><

73、p><b>　　同理可求得的逆：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　； （4.6）</p><p>　　用左乘式（4.3）得：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　方

74、程（4.7）左端為</p><p><b>　　（4.8）</b></p><p>　　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：</p><p><b>　　（4.9）</b></p><p><b>　　即：，可求得：</b></p>

75、<p>　　， （4.10）</p><p>　　同理，由方程（4.8）的元素3，1和3，2相等可求得：</p><p>　　， （4.11）</p><p>　　因為關(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：</p><

76、p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　由式（4.12）兩邊元素3，2可得：</p><p>　　即：， （4.13）</p><p>　　由方程(4.8)的元素1，4和2，4可知：</p><p><b>　?。?.14）</b>

77、;</p><p>　　同理，由(4.8)元素1,4和元素2,4可知 ：</p><p>　　因均已知，所以可進而求得。</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　至此求出了所有關(guān)節(jié)的解，給出了機器人置于任何期望位姿時所需的關(guān)節(jié)值。當然由于結(jié)構(gòu)的限制，有些解不能實現(xiàn)。在機器人存在多解的情況下，

78、應(yīng)進行軌跡規(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)的一組解進行控制。</p><p>　　第五章 控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　5.1 控制方式的確定</p><p>　　和大多數(shù)工業(yè)控制類似，搬運機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、單片機以及PC機。下面就從它們的性能的幾個方面的作一些比較，如表

79、5.1所示。</p><p>　　表5.1 常用工業(yè)控制器性能比較</p><p>　　顯然，PLC的高可靠性、易操作性和開發(fā)周期短等特點在對運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。</p><p>　　PC機的高運算速度和高可靠性為控制的精度和準確性提供了保證，但其價格高、操作性難和開發(fā)周期長要求

80、操作者本身有完善的微機知識結(jié)構(gòu)，充裕的開發(fā)時間和較強的經(jīng)濟勢力做后盾。在工業(yè)現(xiàn)場，其維護性也較好，但要比PLC稍遜一籌。</p><p>　　單片機控制的優(yōu)勢在于其價格便宜，運算速度快，但可靠性低，可操作性難、開發(fā)周期長，設(shè)計時要設(shè)計很多的接口電路，接線復雜，對設(shè)計者本身的要求很高，并不是每個控制系統(tǒng)都能接受的。</p><p>　　相比較而言，可編程控制器(PLC)用于機械手控制具有以下

81、五個突出的優(yōu)點：</p><p>　　1、可靠性高抗干擾能力強</p><p>　　單片機及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。</p><p>　　2、硬件配置齊全，外部接線方便</p><p>　　單片機及PC用于控制場合，難免遇到大量的接口電路

82、的設(shè)計及調(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、安裝、調(diào)試及維護的工作量大大減少。</p><p>　　3、編程簡單易學，查錯容易</p><p>　　PLC采用梯形圖編程方法。梯形圖語言的電路符號和表達方式與繼電器電路

83、原理相當接近，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。</p><p><b>　　4、人機界面好</b></p><p>　　如果適當添加人機界面設(shè)備，便可動態(tài)顯示整個系統(tǒng)真實的工作情況。對PC用高級語言編程也可得到較好人機界面，但開發(fā)量大，而對單片機則很難得到令人滿意的人機界面。</p><p>　　5、P

84、LC具有極強的通訊功能</p><p>　　PLC遠程I/O與計算機聯(lián)接可實現(xiàn)通訊功能，同組的同學就設(shè)計了VB與PLC之間的通信。</p><p>　　作為機電一體化專業(yè)的學生，在平時課程學習當中，就已經(jīng)系統(tǒng)的學習了PLC的有關(guān)理論，并且作過大量的實驗，掌握了其在控制過程當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。</p><p

85、>　　特別的，在我們所設(shè)計的機械手當中，所有元件中，光電編碼器的精度不太高，對控制器的運算速度要求不太高；而在控制要求上，PLC(FX2N-64MR)內(nèi)部配有高速計數(shù)輸入點，可直接用來接收機械手5個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出。當計數(shù)器中的值達到設(shè)定值時，可直接控制各關(guān)節(jié)相應(yīng)電機電源的通斷，從而達到準確控制的目的。</p><p>　　綜上所述，在本設(shè)計中優(yōu)先采用PLC來控制機械手各關(guān)節(jié)的運動。</p>

86、;<p><b>　　5.2選擇PLC</b></p><p>　　在選擇功能和容量滿足要求的PLC時，首先應(yīng)估計所需的PLC規(guī)模大小。</p><p>　　5.2.1 PLC規(guī)模的估算</p><p>　　為完成預定的控制任務(wù)所需要的PLC規(guī)模，主要取決于機械手對輸入輸出點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

87、、輸出點數(shù)，并據(jù)此估算出機械手控制的存儲容量，是本系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　1）輸入、輸出點的估算。為了能準確地統(tǒng)計出被控機械手對輸入、輸出點的總需求量，可以把被控機械手的信號源一一列出（如圖5.1所示），并認真分析輸入、輸出點的信號類型。</p><p>　　考慮到在實際安裝、調(diào)試和應(yīng)用中，還可能會發(fā)現(xiàn)一些估算中未預見的因素，在估算的基礎(chǔ)上再增加15%-20%的輸入、輸

88、出點數(shù)，以備將來調(diào)整、擴充使用。所以在機械手的控制當中，對輸出點數(shù)估算為25×（15%～20%），然后根據(jù)日本三菱公司FX2N系列產(chǎn)品中部分主機單元的規(guī)格，選定輸出點數(shù)為32，對應(yīng)的輸入點數(shù)也為32。</p><p>　　圖5.1 信號源以及I/O地址號分配對照表</p><p>　　2）存儲容量的計算。微小型PLC的用戶存儲器是固定的，不能隨意擴充選擇。因此，選購PLC時，要保

89、證存儲容量夠用。根據(jù)輸入、輸出的點數(shù)及其類型、控制的繁簡程度加以粗略的估算如下：</p><p>　　指令步數(shù)=（輸入點數(shù)+輸出點數(shù)）×（10-12）=640-768</p><p>　　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。</p><p>　　5.2.2PLC的選擇</p><p>　　PLC產(chǎn)品

90、的種類、型號繁多，他們的功能、價格、使用條件各不相同。選用時，除輸入、輸出點數(shù)外，一般要考慮以下幾個方面的問題。</p><p>　　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)。</p><p>　　對于機械手而言，只要分別對單個電機自動控制，屬于簡單的邏輯、順序控制，因此只要

91、選用具有邏輯運算、計數(shù)器、狀態(tài)器等基本功能的微小型PLC就可以了。</p><p>　　2）輸入接口模塊。PLC的輸入直接與被控機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。</p><p>　　對于機械手的五個直流電機的工作電壓為±12V，所以我們可以選擇輸入電壓為DC24V的PLC。</p>

92、;<p>　　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)動機械手執(zhí)行的控制信號。因此，除了考慮輸出點數(shù)外，還應(yīng)注意輸出模塊允許的工作電壓、電流應(yīng)大于負載的額定工作電壓、電流值，而5個伺服電機功率均較小，PLC采用繼電器輸出滿足功率要求?？紤]機械手中的電動機起動沖擊電流的影響，要留有足夠的余量。</p><p>　　綜合以上各種因素，在本設(shè)計中決定采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX

93、2N系列產(chǎn)品中的FX2N-64MR作為機械手的控制器。</p><p>　　5.3可編程控制器（FX2N-64MR）結(jié)構(gòu)功能介紹</p><p>　　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，其實是一臺工業(yè)控制用的微型計算機。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

94、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。</p><p>　　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（包括它的常開和常閉觸點）不會立即動作，必須等到掃描到該觸點時才會動作。這種獨特的運行方式——掃描技術(shù)使PLC的掃描用戶程序的時間一般小于100m

95、s，其過程如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.2 PLC的掃描運行方式</p><p>　　FX2N-64MR的輸入電流為DC24V 7mA (X010以后是DC24V 5mA)。但是，為了可靠起見，使其ON時，需要用4.5mA(3.5mA)以上的電流，使其OFF時，需要用1.5mA(1.5mA)以下的電流。FX2N-64MR提供21個32位的內(nèi)部高速計數(shù)器邏輯線圈C235～C25

96、5.但由于這21個內(nèi)部高速計數(shù)器邏輯線圈的計數(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/復位的單相高速計數(shù)器C235～C239是我們在這個設(shè)計中將要同時用到的。</p><p>　　5.4PLC的外部接線 </p><p>　　PLC的外部接線如附錄1所示。</p><p><b>　　5.5位置檢測電路

97、</b></p><p>　　位置反饋信號是通過光電編碼器而得到，每個伺服電機輸出軸上都裝有光電編碼器，通過它實現(xiàn)光電脈沖轉(zhuǎn)換及對電機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速進行檢測。</p><p>　　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：&

98、lt;/p><p>　　圖5.3 光電編碼器簡圖</p><p>　　光電編碼器的原理如圖5.4所示。</p><p>　　圖5.4 光電編碼器的原理圖</p><p>　　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。當總線通電時，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

99、端由截止變?yōu)閷?，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：</p><p>　　圖5.5 光電編碼器正、反向測速脈沖信號</p><p>　　5.6輸入輸出接口電路</p><p>　　5.6.1輸入接口電路</p><p

100、>　　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)計的計數(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。</p><p>　　其中：電容C=100µF R3=300 R2=R1=10 R4=20</p><p>　　op1、op2為光電耦合器

101、 IC為異或門 T1為開關(guān)型三極管</p><p>　　圖5.7 輸入接口電路圖</p><p>　　FX2N-64MR型PLC有高速1相單向輸入計數(shù)器，本設(shè)計用到的高速計數(shù)器為C235～C239,相應(yīng)的計數(shù)輸入端為X0—X4,電機每轉(zhuǎn)一圈，計數(shù)輸入端接收高電平12次，計數(shù)器相應(yīng)計數(shù)12次。當計數(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，PLC通過程序切斷電機電源，電機停轉(zhuǎn)，從而實

102、現(xiàn)了PLC對電機的控制，即對機械手的控制。</p><p>　　5.6.2PLC輸出接口電路</p><p>　　直流電機具有良好的調(diào)速性能，要改變直流電機的轉(zhuǎn)速，只要改變施加在直流電機電樞兩段的電壓值就可以達到目的，要改變轉(zhuǎn)向，只要改變施加在直流電機電樞兩端的電壓的極性就可以實現(xiàn)。</p><p>　　本文所設(shè)計的機械手的運動控制可分解為對5個直流電機的控制，為了

103、實現(xiàn)機械手在約束條件下的任意運動，需要分別對5個電機施加不同的控制。用FX2N-64MR型PLC作為機械手的控制器，完全滿足對機械手控制的需要。</p><p>　　要實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動電路可以采用圖5.8所示的橋式電路，直接將PLC輸出觸點用在伺服電機的橋式直流驅(qū)動電路中，PLC輸出觸點存在公共地，要注意接入位置。PLC輸出點共分4組，每一組有一個獨立的公共地端。</p><p>

104、;　　注：M1、M2、M3、M4、M5、均為24V直流電機，本文設(shè)計采用DC12V電壓</p><p>　　圖5.8 PLC輸出控制</p><p>　　當選擇PLC的4個觸點作為直流電機的驅(qū)動橋路正反的切換開關(guān)時，上橋臂觸點和下橋臂觸點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

105、極，COM2接驅(qū)動電源負極。當PLC程序使Y0、Y5及Y2、Y7接通時，電機M1、M2正轉(zhuǎn)；當PLC程序使Y1、Y4及Y3、Y6接通時，電機M1、M2反轉(zhuǎn)?？梢?，通過設(shè)計簡單的PLC程序就可以實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。</p><p>　　考慮到實際應(yīng)用中，機械手的三個運動部件有運動范圍限制，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)計的。這三個運動部件上安裝了行程開關(guān)，當部件

106、運動到達限定位置，行程開關(guān)動作，KM動作使電機一端的KM常閉斷開，電機斷電，電機停止轉(zhuǎn)動。</p><p>　　5.7 控制軟件的設(shè)計</p><p>　　利用PLC對機械手進行控制，需要將手爪的運動控制轉(zhuǎn)化為對機械手的直流電機的控制。為了使手爪準確到達所要求的位置，需要準確計算出每個電機所應(yīng)轉(zhuǎn)的角度，既根據(jù)手爪的運動空間的初始位置和目標位置計算出空間坐標系中的相對運動量，并將其轉(zhuǎn)換成PL

107、C控制的內(nèi)部指令。</p><p>　　在這里給定機械手連桿的一個空間位姿：</p><p>　　AP=[201,138,307]T</p><p><b>　　對應(yīng)的：</b></p><p>　　α=15°,β=30°,γ=65°</p><p>　　通過反

108、向運動學求出反解運動所需的逆解，然后通過同組同學的軌跡規(guī)劃得到最優(yōu)的一組解為：</p><p>　　θ1=34.472°；</p><p>　　θ2=39.447°；</p><p>　　θ3=78.491°；</p><p>　　θ4=-95.857°；</p><p>　　θ

109、5=-47.598°。</p><p>　　根據(jù)相應(yīng)的軸分辨率，計算出對應(yīng)的編碼器所要檢測的脈沖數(shù)：</p><p>　　K1=34.472/0.14≈246.23=246</p><p>　　K2=39.447/0.11≈358.61=359</p><p>　　K3=78.491/0.11≈731.55=732</p>

110、;<p>　　K4=-95.857/0.11≈871.43=871</p><p>　　K5=-47.598/0.24≈192.33=192</p><p>　　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)。當電機轉(zhuǎn)動時，計數(shù)器開始計數(shù)，當計數(shù)到脈沖數(shù)時，PLC輸出控制信號使電機停止轉(zhuǎn)動。通過各個電機的協(xié)調(diào)運動，最終

111、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。整個運行過程如圖5.9所示。</p><p>　　各關(guān)節(jié)運動如圖2.1—2.4所示。電機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5控制手腕的轉(zhuǎn)動。</p><p>　　本設(shè)計中的程序是PLC通過的內(nèi)部計數(shù)器來對電機進行控制。當電機轉(zhuǎn)動

112、時，光電編碼器輸出與電機轉(zhuǎn)速成一定比例的脈沖頻率。PLC內(nèi)部通過計數(shù)器的計數(shù)頻率小于10HZ，輸入脈沖信號的頻率遠遠大于這一頻率，因而必須使用PLC內(nèi)部高速計數(shù)器。</p><p>　　圖5.9 工作流程圖</p><p>　　PLC高速計數(shù)器的輸入端是固定的，高速計數(shù)器采用中斷處理方式的計數(shù)方式，與PLC的內(nèi)部頻率無關(guān)。采用的高速計數(shù)器是C235、C236、C237、C238、C239,

113、對應(yīng)的計數(shù)器的輸入端是X0、X1、X2、X3、X4。</p><p>　　因為各個計數(shù)器的計數(shù)輸入固定，所以輸入端口被占用后，另外的計數(shù)就不能使用。所以無論電機正轉(zhuǎn)，還是反轉(zhuǎn)都采用同一個計數(shù)器，這就產(chǎn)生了一個問題，即每一次計數(shù)前，計數(shù)都要清零，這就會影響到前一個過程已經(jīng)計數(shù)過的計數(shù)器的輸出動作。于是在設(shè)計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)有輸出的計數(shù)器。計數(shù)器的輸入為X0—X4，