柑橘采摘机机械臂结构设计与计算
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摘 要
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业柑橘采摘机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业柑橘采摘机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业柑橘采摘机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。
本文将设计一台五自由度的工业柑橘采摘机器人，用于给采摘水果。首先，本文将设计柑橘采摘机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建柑橘采摘机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该柑橘采摘机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和柑橘采摘机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测柑橘采摘机器人的各个关节的运动情况、柑橘采摘机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。
关键词：柑橘采摘机器人，示教编程，伺服，制动
ABSTRACT
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.
In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point.
KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
目 录
第1章 绪论…………………………………………………………………… 1
1.1 柑橘采摘机器人概述………………………………………………… 3
1.2 柑橘采摘机器人的历史、现状………………………………………… 4
1.3 柑橘采摘机器人的发展趋势…………………………………………… 5
第2章 柑橘采摘机器人机械手的设计…………………………5
2.1自由度及关节……………………………………………………………6
2.2 基座及连杆…………………………………………………………… 7
2.2.1 基座……………………………………………………………… 8
2.2.2 大臂………………………………………………………………9
2.2.3 小臂……………………………………………………………… 10
2.3 机械手的设计……………………………………………………………12
2.4 驱动方式…………………………………………………………………13
2.5 传动方式…………………………………………………………………14
2.6 制动器……………………………………………………………………15
第3章 控制系统硬件……………………………………………………………16
3.1 控制系统模式的选择……………………………………………………17
3.2 控制系统的搭建………………………………………………………18
3.2.1 工控机……………………………………………………………19
3.2.2 数据采集卡………………………………………………………20
3.2.3 伺服放大器……………………………………………………21
3.2.4 端子板……………………………………………………………22
3.2.5电位器及其标定…………………………………………………22
3.2.6电源………………………………………………………………23
第4章 控制系统软件…………………………………………………………24
4.1预期的功能……………………………………………………………25
4.2 实现方法……………………………………………………………26
4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 ……………………26
4.2.2直流电机的伺服控制……………………………………………27
4.2.3电机的自锁………………………………………………………28
4.2.4示教编程及在线修改程序………………………………………29
4.2.5设置参考点及回参考点…………………………………………30
第5章 总结………………………………………………………………………32
5.1 所完成的工作…………………………………………………………33
5.2 设计经验………………………………………………………………35
5.3 误差分析………………………………………………………………36
5.4 可以继续探索的方向………………………………………………… 38
致 谢………………………………………………………………………………39
参考文献……………………………………………………………………… 40
第1章 绪论
1.1 柑橘采摘机器人概述
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。柑橘采摘机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
“工业柑橘采摘机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业柑橘采摘机器人或通用柑橘采摘机器人）。
柑橘采摘机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。柑橘采摘机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的柑橘采摘机器人称为专用柑橘采摘机器人，而把工业机械人称为通用柑橘采摘机器人。
简而言之，柑橘采摘机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
柑橘采摘机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用柑橘采摘机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作柑橘采摘机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业柑橘采摘机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种柑橘采摘机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
柑橘采摘机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型柑橘采摘机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为柑橘采摘机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名柑橘采摘机器人的本体部分都采用这种机构形式的柑橘采摘机器人。
要柑橘采摘机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了柑橘采摘机器人的性能。一般而言，柑橘采摘机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。
对于现代智能柑橘采摘机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予柑橘采摘机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及柑橘采摘机器人的触觉装置。柑橘采摘机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个柑橘采摘机器人的。要实现柑橘采摘机器人所期望实现的功能，柑橘采摘机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。
柑橘采摘机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是柑橘采摘机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供柑橘采摘机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足柑橘采摘机器人各关节力矩和运动所要求的驱动.3 误差分析
本文中每个关节的角度误差在±2°左右，由于是开环机构，所以综合叠加起来，末端误差可能会较大，并且重复精度不够。
下面简要分析一下误差的来源：
（1） 工作台、基座的上下表面平行度误差，腰关节转轴的垂直度误差，以及其它关节之间的平行度误差
（2） 齿轮、轴承的间隙，齿形带的变形不均匀
（3） 装配误差
（4） 各关节轴的回转误差，各连杆的受力变形误差；
（5） 运行时，机械部分的振动
（6） 电位器的滑动噪声，以及电源的不稳定都会导致反馈电压的不准确
（7） 用程序实现制动不如机械制动装置反应快
5.4 可以继续探索的方向
（1） 对于本文中的示教编程部分，将程序稍作修改，就能实现对示教程序的保存和离线修改，进而也容易实现离线编程。
（2） 可以用Opengl或者ADAMS订作一个虚拟场景，进而实现虚拟示教编程，这样会更加安全和方便。当然手工编写的程序代码也可以在此虚拟场景中运行，以验证其合理与否。
（3） 通过虚拟场景和网络，也可以进一步实现对柑橘采摘机器人的远程监测和控制。
（4） 还可以尝试在原有实验平台上加上视觉反馈。
（5） 控制界面如果用LabView设计，可能会更方便些。
（6） 通过进一步完善控制方式和控制结构，可以将控制系统的软件嵌入到嵌入式系统上去。
致 谢
本次毕业设计，是于德弘老师考虑到学生日后的研究方向而特意为我安排的。通过这次训练，提高了自己的动手能力、设计能力和编程水平，为学生日后顺利进入柑橘采摘机器人这一深邃的科研领域作下了铺垫。本次毕业设计，学生收获颇多，这与于老师的悉心指导是分不开的。于老师身体状况欠佳，且公务繁忙，但是还是经常抽时间来视察学生毕业设计进度，就毕业设计过程中遇到的问题给予耐心指导，敦敦教诲，身体力行，实在令学生钦佩感动不已！特此，学生郑重向于老师表示感谢！
另外，学生还要感谢何玉成师兄和任小刚师兄，他们在学生毕业设计的过程中给出了许多有益的建议，特此表示感谢！
参考文献
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[9] 罗建军 朱丹军 顾刚 刘路放. 大学C++程序设计教程. 北京：高等教育出版社，2004
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