一个具有竞争力的低成本的四自由度机械人手臂的设计与开发(有出处)710中英文翻译_机器人机械臂设计

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外文翻译

Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of

Freedom

一个具有竞争力的低成本的四自由度机械人手臂的设计与开发

完成日期 2014年 3月

摘 要

这项工作的主要重点是设计，开发和实施具有竞争力的机器人手臂具有增强控制和粗短的成本。机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成精确简单的任务，如光材料处理，这将被整合到了作为一个助理为工业劳动力的移动平台。机器人手臂上配有数个伺服电机的臂之间做链接和执行的手臂动作。伺服电机编码器包括使没有控制器实施。控制我们使用LabVIEW，它执行逆运动学计算和串行通信的适当的角度，以一个微控制器，驱动伺服电机，修改的位置，速度和加速度的能力的机器人。机器人手臂的测试和验证，进行和结果表明，正常工作。关键词：机器人手臂，低成本，设计，验证，四自由度，伺服电机，Arduino的的机器人控制，Labview的机器人控制

目 录

1引言..............................................................1 2机械设计..........................................................1 3机械手逆运动......................................................6 4最终选择效应......................................................6 5机械手的控制......................................................7 5.1逆运动学控制................................................8 5.2 手动........................................................9 6测试和验证.......................................................10 7结果与讨论.......................................................11 7.1伺服电机运动范围...........................................11 7.2 电流消耗...................................................12 7.3 最大负载...................................................12 7.4 最终位置...................................................12 8 结论............................................................13 参考文献...........................................................14

1引言

机器人实际上是定义为研究，设计和使用机器人系统的制造[1]。机器人通常用于执行不安全的，危险的，高度重复的，和单调的任务。它们具有许多不同的功能，如材料处理，组装，电弧焊接，电阻焊接，机床的装载和卸载功能，刷涂，喷涂等。主要有两种不同类型的机器人：一个服务机器人以及工业机器人。服务机器人是机器人，工作半或完全自主地去履行服务，有用的福祉人类和设备，但不包括生产操作[2]。工业用机器人，在另一方面，被正式通过ISO定义的自动控制和多用途可编程操纵器在三个或更多个轴[3]。工业机器人是移动的材料，零件，工具，或通过可变的程式动作的专门设备来执行各种任务。工业机器人系统不仅包括工业机器人，但也能够执行其任务以及测序或监视通信接口需要对机器人的任何设备和/或传感器。2007年全球市场增长了3％，约114,000新安装的工业机器人。截至2007年底，全国共有大约一万个工业机器人的使用，估计有50,000服务机器人用于工业用途比较[3]。由于增加使用工业机器人手臂，演变到该主题开始试图模仿人类动作的细节模式。例如一组学生在韩国做创新的设计，为舞蹈的手，举重，中国书法和颜色分类机械臂考虑[4]。另一组工程师在美国开发八个自由度机械臂。该机器人是能够把握多个对象与很多从笔形状的一球，也模拟人类的手[5]。在空间上，航天飞机遥控器系统，被称为SSRMS或Canadarm，其继任者是例子多度已经用来执行各种使用专门部署热潮的任务，例如航天飞机的检查自由机械臂有摄像头和连接在末端执行器和卫星的部署和检索演习从货舱航天飞机传感器[6]。

在墨西哥，科学家们已经上了轨道设计和发展许多机器人的手臂，墨西哥政府估计，在墨西哥有在不同的工业应用中使用了大约11,000机械臂。不过，专家认为，机器人手臂的最高点，不仅质量更高，而且准确，可重复性和粗短的成本。大多数机器人都设置了一个操作的示教和重复技术。在这种模式下，一个训练有素的操作者（编程器）通常使用的便携式控制装置（示教）手动教机器人的任务。在这些编程会话机器人的速度很慢。目前的工作是一个两阶段的项目，这需要一个移动机器人能够运送工具从存储室到工业单元的一部分。在这个阶段中的项目，该项目开展了在科技，墨西哥蒙特雷大学，主要的重点是设计，制定和实施了工业机器人手臂粗短的成本，准确和优越的控制。这个机器人手臂的设计采用四自由度和才华来完成简单的任务，如光队友里亚尔处理，这将被整合到移动平台的形式，作为一个助理为工业劳动力。

2机械设计

机器人手臂的机械设计是基于一个机器人操作器具有类似功能的一个人的 1

手臂[6-8]。这样的操纵器的链接是由关节，允许旋转运动和操纵器的链接被认为形成一个运动链连接。机械手的运动链的业务最终被称为末端效应器或臂端的（4）。同样，执行的时刻周围的点C的总和，式（5），和点B，方程

化（6），以获得在C和B，等式（7）和（8），分别在转矩。

FFy(LWDDmWCCM)gCy0

Cy(1.141Kg)9.8m/s211.18N

y(LWDDmWCCM)gCy0

Cy(1.171Kg)9.8m/s211.4758N

MCCDLDE(WcL)WD(LCD)22L(LCDLDE)Dm(LCD)MC0

MBDEL(LBCLCDLDE)WD(LBCLCDL2)0

CDDm(LBCLDE)Wc(LBCL2)BCCm(LBC)WB(L2)MB0

（6）

Mc1.968Nm278.6oz/in

（7）

MB3.554Nm503.38oz/in

（8）

该被选择的基础上，计算在伺服马达，是Hextronik HX12K，其具有280盎司/英寸的扭矩。该电动机被推荐，因为它比任何其他电机与同样规格便宜得多。由于我们需要更大的扭矩在关节B，见公式（8），我们使用两个电动机在点B处，以符合扭矩要求;然而，一个马达是不够的其它关节。采用两台电机的合资B比使用一个大电机560盎司/英寸便宜得多。

图 5 伺服电机

可以在图5中示出，其他有关的特征是，它们可以转动60度，在130毫秒

和它们有各自47.9克的重量。一旦被定义为机器人手臂和电机的初始尺寸，设计进行了使用SolidWorks平台;设计应仔细考虑丙烯酸类片材的厚度和该块将被彼此连接的方式。用于使机器人的聚丙烯酸酯片材是1/8厚度和该薄片的选择，因为它更容易加工和更轻的重量以良好的抗性。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。它是需要工具来烧，并加入丙烯酸零件和未提供的和球队认为机械结基于螺钉和螺母会比其他的替代品，如胶如多强。为了做到这一点，一个小的特征，设计这允许紧固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸层的螺丝。这个过程的结果是在图6所示立体设计。

图 6 机械手3D模型

按照设计的结束，每个部分被印在满刻度的硬纸板，然后我们核实了所有尺寸和组件的接口。反过来，我们建立了机器人手臂的第一个原型。接着，上述机器人手臂的部件从使用圆锯和皮肤的工具的聚丙烯酸酯片材进行机械加工。的详细说明在各部分被做在一个专业工场因为机器人手臂的部分太小，这并不是一件容易的实现这种小而准确的切割。在组装机器人部件的电机，几个问题弹出。有报道说，没有抵抗所述紧固，并且，反过来，可能会破裂的临界点;因此，在这些点援军进行了审议。机器人手臂的最终结果示于图7。

图 7 机械手总体装配图

3机械手逆运动

为了验证机械臂的定位准确，逆运动学计算进行。这样的计算来获得每个电机从通过使用直角坐标系，图 8 坐标系

如图8所示的位置上的角度各电动机将具有特定功能：位于A结合的位置的马达，在y的最终元件轴，马达B和C的位置在x和z轴的最后一个元件。该问题已经通过使用xz平面简化，如图9在其下面的已知值被定义在[9] ：LAB ：前臂长度。LBC ：臂长。Z：在z轴上的位置。X：在x轴的位置。Y：在y轴的位置。利用三角关系，如图9所示，θ2和θ1可以得到，如在方程（9）可见，（10）的马达角度。

图9 XZ平面

马达B将使用θ1和马达C被打算用θ2。的角度为马达A的计算公式为EEN在等式（11）。通过这些计算，伺服电机的角度得到，从而他们采取的行动，整个结构移动到特定位置。

4最终选择效应

端部执行器可能是该系统的最重要和最复杂的部分之一。明显的，它是非常

容易和经济地使用商业人比构建它。端部执行器主要是根据应用和机器人臂完成的任务而变化;它可以是气动，电动或液压。由于我们的机器人手臂是基于在电力系统中，我们可以选择末端效应器的电基础。此外，本系统的主要应用是处理，因此，我们的末端执行器的推荐类型是一个夹持器，如图10。

图 10 夹持器与伺服

5机械手的控制

该机器人手臂能自动或手动控制。在手动模式下，训练有素的操作人员（程序员）通常使用的便携式控制装置（示教）教一个机器人做手工任务。在机器人的速度这些编程会话是缓慢的。在目前的工作中，我们所包围的两种模式。一个微控制器，一个驱动器和一个台电脑化用户界面：三个层次的呈现机器人手臂的控制基本上由。该系统具有独特的特点，允许灵活的编程和控制方法，它是利用逆实施运动学;此外它也可以在全手动模式下实现。控制的电子设计示于图11。

图11 控制器的电子方案

用微控制器是一个的Atmega 368，它有一个名为“ Arduino的”发展规划板，如图12。

图12 Arduino的微控制器板 图13 伺服控制器驱动器

编程语言非常类似于C，但包括几个库，帮助在I / O端口，定时器的控制和串行通信。该微控制器被选中因为它具有低的价格，这是很容易重新编程，该编程语言是简单的，并且中断可用于这个特定的芯片。所使用的驱动程序是一个六通道微大师伺服控制器板。它支持三种控制方式： USB直接连接到一台计算机，TTL串口与嵌入式系统，如Arduino的微控制器和内部脚本中使用自包含和主机无需控制器的应用。这个控制器，如图13所示，包括位置和内置的速度和加速度控器0.25微秒分辨率

用户界面取决于所使用的控制方法，即，逆运动学或全手动模式。在下文中，每个接口描述：

5.1逆运动学控制

在这种控制方法中，用户输入的坐标系统中的位置，其中夹爪应。至于后果，接口与LabVIEW通过一个可视化的用户生成的，如图14

图14 Labview的用户界面

程序将自动执行逆运动学的计算，以得到每个电机应具有的角度，然后发送一个命令要么到微控制器，或直接将机器人移动到指定的位置的驱动器。通信是通过RS-232协议进行。在下文中，您可能会看到Labview的用户界面的输入和输出。LabVIEW的用户界面输入：X轴位置。y轴的位置。Z轴位置。夹持器打开。叼纸牙攻角。串行端口。LabVIEW的用户界面输出是：

电机A角。电机B1角度。电机B2角度。电机Ç角。攻角。姿势角度

这样的输出变量进行处理，并通过适当的方式发送的，这样的信息可以在一个正确的方式来解释。该输出是通过其连通于控制器串行端口发送。当按钮“移动”被点击时，一个过程将发生，如图15

图15 程序流程

在图15中，随着这个动作，所述机器人臂将根据所输入的值改变其位置。此外，它有一个待机按钮，停止该通信控制器。

这种方法的主要优点是，它使用移动的有效方法，并提供进一步的功能，可以实现，比如位置和顺序学习。的缺点，另一方面，是使

具有有效的角度逆运动学计算之后可能的位置是非常有限的，因为伺服电机有180˚一个约束。

5.2 手动

这种类型的控制是我们的系统，在特定的位置有用多了一种选择。在强制的情况下持仓逆运动学模式不能计算其有效的角度，我们可以用手动控制来代替。

基本上，手动控制包括一系列模拟输入，诸如电位器，一种是与这将解释该值并发送一个命令到伺服驱动器的微控制器相连。为了实现这一点，一个控制板，如图16

图16 电位器板

应该被构建为一个接口与用户的工作。可能实现包括教学功能，使微控制器存储在内存中，并通过键盘或系列交换机，我们可能还记得这些职位的职位。

6测试和验证

若干测试是验证该机器人臂和它的组件。测验涉及的特定元件和整个系统的，如图17所示。

图17 机械手测试

微控制器测试是由软件发送不同的命令给单片机，检查这是连接到开启或关闭取决于命令伺服电机的输出发生变化。伺服电动机分别通过发送不同的直接脉冲到每个伺服电动机和验证移动到合适的位置的响应之后进行测试。我们使用的标记知道在哪里的初始位置是和最终电机的位置是通过与微控制器发送信号，并且，反过来，它是由伺服解释和比较，由编码器提供的信号，从而在旋转到所需的位置来确定。在测试过程中，伺服电动机是因为不正确的极化的不一致性与机器人臂系统。

伺服电机驱动器中使用LabVIEW软件发送命令到发送的特定命令其中有一台电机连接根据称道改变位置的驱动微控制器也测试。要注意到，在这一点很重要开始一个项目的不同的伺服电机驱动器被选中，但与他们和微控制器之间的通信几个问题都存在。所以，我们选择一个驱动器，允许数据被直接从计算机发送到它与只有一个USB线，所以，微控制器将仅在箱子的使用实现手动控制。其他测试，以验证整个系统的功能，图 18 机器人手臂的动作

如显示在图18中通过引入在LabVIEW界面中的特定位置和测量，以验证一个参考点和最后点之间的距离发生了那些测试：该从逆正确变换到正运动学，指定的角度和马达的转动之间的关系。机器人手臂的测试和验证是需要细长时间，因为需要几次迭代的任务之一。在我们的测试中，很多问题出现的：错误的角度计算，电机的错误校正，问题与物理角度和位置测量，因为这是没有预料过载烧毁伺服电机之一。

7结果与讨论

7.1伺服电机运动范围

伺服电机的极限得到规范，因为这种类型的电机都包含有小于180度的跨

度。实际范围为所有电机被发现是在范围125）×

1厘米

Ÿ

2厘米 Ž

1厘米 结论

本文介绍了机器人手臂，具有天赋太一，plish简单的任务，如光材料处理的设计，开发和实施。机器人手臂的设计和建造从那里伺服电机被用来进行武器之间的联系和执行的手臂动作亚克力材质。伺服电机编码器包括使没有控制器实施;然而，电机的转动范围小于180°范围，从而大大减小了臂和可能的位置到达该区域。机器人手臂的设计，因为这是有限的四个自由度设计允许大多数必要的运动和保持成本和机器人竞争的复杂性。末端执行器是不包括在设计，因为市售的夹持器使用，因为它是更容易和经济地使用商业1比生成它。在设计过程中，我们面临着由于强烈的加盟薄亚克力部分的方式有些困难。根据螺钉和螺母的机械连接点被使用，并且，为了实现这一点，一个小的特征，设计这使与紧固螺母螺栓，而无需在薄亚克力层螺旋。到控制的机器人手臂，三种方法被执行：一个微控制器，一个驱动器，和一个基于计算机的用户界面。该系统具有独特的特点，允许在编程和控制方法的灵活性，它利用逆运动学实施;是词汇，国际标准化组织标准8373，1994.[ 2 ]工业和服务机器人，机器人的IFR国际联合会，2010.[ 3 ]案例研究和投资的机器人，机器人协会统计部，2008年盈利能力。[ 4 ] RJ王，JW Zhang等人，“多重功能的智能机械臂，” FUZZ-IEEE杂志，韩国，2009年8月20-24日,1995-2000页。

[ 5 ] LB德，米Syaifuddin 等人，“设计8自由度人型机器人手臂，”国际智能与先进系统，吉隆坡，2007年11月25-28页1069-1074。

[ 6 ] CR佳丽酿，GG Gefke和BJ ·罗伯茨，“介绍到航天飞行设计：太空机器人”太空机器人，马里兰大学巴尔的摩，2002年3月26日的研讨会。

[ 7 ] 职业安全与健康管理局技术手册，OSHA 3167，劳动，1970年美国国防部。

[ 8 ] B.利亚诺，L.Sciavicco，L.Villani和G Oriolo，“机器人，建模，规划与控制”，施普林格，伦敦，2009。

[ 9 ] M.P.Groover and M.Wei，“工业机器人,可编程的技术应用“MC-格劳山，墨西哥D.F.，1989