开放式5R工业机器人系统设计及分析

开放式5R工业机器人系统设计及分析

1引言

随着机器人技术进步及其在各个领域的广泛应用，许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列人国家高新技术发展计划。各国高等院校也相应地开设有关课程，培养机器人开发、设计、生产、维护等方面的人才。而作为机械工程及自动化专业的技术人才则更迫切需要掌握这一先进技术。为了能更好地加强技术人员对工业机器人的技能实践与技术掌握，需要开放性强的设备来满足要求。本文阐述了所开发的一种基于工业PC+DSP运动控制器分布式控制结构的开放式5R工业机器人系统。

25R工业机器人本体结构

2.15R工业机器人操作机结构

如1所示，为设计的5R工业机器人结构简。其5个自由度分别为:机身旋转关节J1、大臂旋转关节J2(肩关节)、小臂旋转关节J3(肘关节)和手腕仰俯J4(肩动关)，手腕旋转运动关节J5(腕关节)。总体设计思想为:选用伺服电桃(带制动器)驭动，通过同步带、轮系等机械机构进行间接传动，腕关节上计有装配手爪用法兰，通过不断地更换手爪来实现不同的作业任务。

2.1.1机身设计

如1中结构，机器人机身部分的旋转运动由交流伺服电机驱动而实现，其传动过程为:伺服电机运转带动装在电机输出=轴上同步步齿形带轮一起旋转，经同步齿形带传输到机身的转动轴上，从而驱动装在轴上的平台运转，而平台又与大臂旋转关节本休相联，则间接地实现锻个机身的运动驱动。转动轴上的轴承选用角接触球轴承，具有能同时受径向载荷和单向轴向载荷的特点，成对使用可以满足机身结构的承载需要。

2.1.2手臂设计

臂部的作用是支承腕部和手部，并改变手部在空间的位置，臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况，电机及导向装置的布置以及与手腕的连接形式等因素。大臂是联接机身和小臂的主体，设计中考虑到驱动电机的布置合理性，将大臂结构设计成为可拆型，即大臂的一侧面板可以拆卸，安装只需用螺钉将侧面板固定到大臂侧面上即可，这样有利于电机的安装和拆卸。大臂内部安装有2个电机，KUKA机器人维修，分别实现大臂、小臂的驱动。如2所示，为大臂的结构示意。小臂联接大臂和腕部，在设计中考虑到减轻小臂重量，发那科机器人维修，所以设计时挖去中间部分实体，同时照顾到电机在小臂内部的安装位置。这里尉个联接板将电机连接在小臂本体的底部，在侧面有电机输出轴安装位置(孔)。为了防尘，在小臂外部还加了防尘盖。其中小臂的电机是为腕部提供动力源，而小臂的动力源由安装在大臂内的电机提供。大臂、小臂驱动电机的转速相对于关节的运动速度高很多，所以必须进行减速。在这里考虑到结构的紧凑性问题，通过将主动轮和从动轮的大小设置不同来达到减速的目的，相对而言精度不是很高。另外，设计中还考虑到了传动带的张紧措施，如2所示中张紧轮。

2.1.3手腕设计

工业机器人的腕部是联接手部和臂部的部件，起支承手部的作用，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。我们所设计的手腕有两个自由度，一个是俯仰，一个是翻转，属于BR型手腕，其运动示意如3所示。其中俯仰自由度是由安装在小臂上的电机驱动，经同步带传动到安装在腕部的轴上，则带动腕部进行俯仰；翻转自由度是由安装在腕内部的伺服电机来直接驱动。该结构的手腕具有传动简单、结构紧凑和轻巧的特点。

2.25R工业机器人参数

如表1所示，为设计的5R工业机器人有关参数。

35R工业机器人开放式控制系统

3.1DSP运动控制器MCT8000F8简介

深圳摩信科技公司MCT8000F8运动控制器是基于网络技术的开放式结构高性能DSP8轴运动控制器，包括主控制板、接口板以及控制软件等，具有开放式、高速、高精度、网际在线控制、多轴同步控制、可重构性、高集成度、高可靠性和安全性等特点，是新一代开放式结构高性能可编程运动控制器。各个关节可以完成独立伺服控制，能够实现线性插补、二轴圆弧插补控制M。

3.2机器人控制系统结构及工作原理

机器人伺服系统框，如4所示。主机选用威达工控机(2台：管理级、控制级)，伺服级采用深圳摩信公司生产的8轴运动控制器MCT8000F8，手持式示教盒是自行设计的单片机设备，采用MCS-5l系列芯片，点阵字符型液晶显示。

伺服系统由基于DSP的运动控制器、伺服驱动器、伺服电动机及光电编码器组成。伺旧睬统包含三个反馈子系统：位置环、速度环、电流环阳，其工作原理如下：执行元件为交流伺服电动机，伺服驱动器为速度、电流闭环的功率驱动元件，光电编码器担负着检测伺服电机速度和位置的任务。伺服级计算机的主要功能是接受控制级发出的各种运动控制命令，根据位置给定信号及光电编码器的位置反馈信号，分时完成各关节的误差计算、控制算法及D/A转换、将速度给定信号加至伺服组件的控制端子，完成对各关节的位置伺服控制。管理级计算机主要完成离线编程、运动仿真、与控制级通讯、作业管理等功能；控制级计算机主要完成用户程序编辑、用户程序解释，向下位机运动控制器发机器人运动指令、实时监控、输^输出控制(如打印)等；示教盒通过控制级计算机可以获得机器^．伺服系统中的数据(脉冲、转角)，并用于实现对机器人的示教及控制。

3.3控制系统工作流程

如5所示，为机器人控制系统中的数据流，数据流有三种流向:(1)示教盒通过控制级计算机获得机器人伺服系统中的数据(脉冲、转角)，并用于控制级计算机控制软件中实现对机器人的示教及控制。(2)管理级训算机与控制级计算衫进行通讯，进行数据传输及实现管理工作，控制级计算机获得控制程序或控制数据对机器人进行控制。(3)控制级计算机直接获得机错人伺服系统中的数据进行控制，如6所示，为控制系统工作流程。

实验结果证明，采用工业PC+I15P运动控制器的分布式控制结构可以充分利用DSP运算的高速性，满足机器入控制的实时需求.实现较高的运动控制性能。

45R工业机器人控制软件

4.1管理级主模块

管理级主模块具有离线编程、运动仿直、资料杳询及故障诊断等功能，其结构如7所示:离线编程模块建立机器人及其工作环境的模型，利用规划算法，通过对模型对象的操作，编制各种运动控制，在离线情况卜生成工作程序；运动仿真模块可预先模拟离线编程的运行结果，便于检查机器人运动轨迹及路径优化;资料查询模块叮以查阅工似录生产数量、班次等信息，并提供打印输出、存档功能；故障诊断模块可以实时故障诊断，以代码形式显示出故障类型，并为技术人员排除故障提供帮助信息。

4.2控制级主模块