爱普生机器人的应用开发研究_毕业设计(编辑修改稿)

爱普生机器人的应用开发研究_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

图 26 六轴关节机器人的腕部结构 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 9 机器人的腕部结构常见有如下几种结构 : 图 27 RBR型机器人腕部结构 图 28 BBR型机器人腕部结构 图 29 3R型机器人腕部结构 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 10 图 2 图 2 图 25所说的 三种手腕部的结构中 ,以第一种 (RBR 型 )结 构应用最为广泛 ,它适应于各种工作场合 ,后两种结构应用范围相对较窄 ,比如说 3R 型的手腕结构主要应用在喷涂行业等 . 六轴关节机器人的研发设计及制造已经有好几十年的历史了 ,整个工业机器人的研发制造体系较为完善 ,他们的技术相对来说比较成熟 ,他们在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新 ,他们的技术对于国内来说 ,近乎完美 .而国内目前这个行业还处在黎明前的黑暗阶段 ,虽然有不少公司有这个研发意图 ,或者正在研发途中 ,不管怎么说 ,浮出水面公布自己正在研发或者研发成功的公司应该说是极少数 ,即使宣布自己研发成功 ,也只是初 步试验成功。 六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂 ,因为在腕部同时集成了三种运动 .小型的六轴关节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器 .图 210为常见的六轴关节机器人的腕部结构 图。 图 210 常见的六轴关节机器人的机械 减速 结构 图 210的腕部关节用到了两个谐波减速器 ,两个同步齿型带传动输入 ,中间还用到了一对锥齿轮副传动。 6轴型机械手的机械手坐标系 垂直 6 轴型的机械手在第 4关节、第 6关 节同轴的点上，即使将第 4 关节、第 6 关节旋转 360度，也可以实现相同的位臵姿势。 作为用于区别像这样点的点属性，有 J4Flag 和 J6Flag。 指定 J4Flag 时，请记述斜杠（ /）和其后的 J4F0 （ 180J4 关节角度 =180）、或 J4F1（ J4 关节角度 = 180 或 80 J4 关节角度）。 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 11 指定 J6Flag 时，请记述斜杠（ /）和其后的 J6F0 （ 180J6 关节角度 =180）、或 J6F1 （ 360 J6 关节角度 = 180 或 180 J6 关节角度 = 360 ）、或 J6Fn 图 211 垂直 6轴型机械手坐标系结构 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 12 机器人的工作原理 机器人的工作原理 从最基本的层面来看，人体包括五个主要组成部分： 身体结构 肌肉系统，用来移动身体结构 感官系统，用来接收有关身体和周围环境的信息 能量。 身体结构。 肌肉系统，用来移动身体结 构。 感官系统，用来接收有关身体和周围环境的信息。 能量源，用来给肌肉和感官提供能量。 大脑系统，用来处理感官信息和指挥肌肉运动。 机器人的组成部分与人类极为类似。 一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。 从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。 机器人是“能自动工作的机器”，它们有的功能比较简单，有的就非常复杂，但必须具备以下三个特征： 身体 是一种物理状态， 具有一定的形态，机器人的外形究竟是什么样子，这取决于人们想让它做什么样的工作，其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等。 大脑 就是控制机器人的程序或指令组，当机器人接收到传感器的信息后，能够遵循人们编写的程序指令，自动执行并完成一系列的动作。 控制程序主要取决于下面几种因素：使用传感器的类型和数量，传感器的安装位置，可能的外部激励以及需要达到的活动效果。 动作 就是机器人的活动，有时即使它根本不动，这也是它的一种动作表现，任何机器人在程序的指令下要执行某项工作，必定是靠动作来完成的。 简单地说：机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。 不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不相同，通常情况下，一个机器人系统由三部分、六个子系统组成。 这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人环境交互系统、控制系统等。 机器人（ Robot）是自动执行工作的机器装置。 它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。 它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业， 或是危险的工作。 机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。 末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 13 从技术上说，机器人可以认为是一种通用的机械平台，就好像电脑是通用的计算设备，而计算器只能计算一样。 机器人系统通过安装具有通用性功能的感知设备（也就是 传感器，如摄像头，测距仪等等），通过处理，可以对各种场景（术语是非机构化的，也就是说不是特意搭出来的简单实验环境）进行识别；在此基础上，利用认知技术，可以对场景进行理解，比如通过摄像机判断哪些是人，哪些是茶杯（当然，这些技术实际上是属于图像识别的研究范畴，但机器人是集成学科，各个学科的成果都要拿来用）；通过对场景的理解，机器人使用通用性的机构（比如仿人手的机械手，这种东西工业上不用的，因为无论干那个具体工作，都可以有针对性的执行器使用，但机器人更多考虑的是通用性，就是不应定最适合某一个工作，但要能很多工作都 可以干），去完成指令。 如果再往一个低一些的层面说，就是机器人内部有台计算机，通过读取各个传感器的信息，做出判断，并且调用电机实现相关的动作。 值得说明的一点是，机器人是集成学科，具体的某一个技术基本上都有学科单独研究，机器人研究的是如何把很多已有的功能拼起来。 所以不要对机器人有什么幻想性的东西，他里面每个单独的部分，拿出来都有其他产品的。 另外你可能很疑惑的是人工智能，其实这个领域，电脑游戏行业做得比机器人行业还高级，除了最顶尖的机器人，其他的和游戏里面的 AI 水平差不多的。 工业机 器人专门用来在受控环境下反复执行完全相同的工作。 例如，某部机器人可能会负责给装配线上传送的花生酱罐子拧上盖子。 为了教机器人如何做这项工作，程序员会用一只手持控制器来引导机器臂完成整套动作。 机器人将动作序列准确地存储在内存中，此后每当装配线上有新的罐子传送过来时，它就会反复地做这套动作。 人类手臂的作用是将手移动到不同的位置。 类似地，机器臂的作用则是移动末端执行器。 您可以在机器臂上安装适用于特定应用场景的各种末端执行器。 有一种常见的末端执行器能抓握并移动不同的物品，它是人手的简化版本。 机器手往往有内置的 压力传感器，用来将机器人抓握某一特定物体时的力度告诉计算机。 这使机器人手中的物体不致掉落或被挤破。 其他末端执行器还包括喷灯、钻头和喷漆器。 大多数工业机器人在汽车装配线上工作，负责组装汽车。 在进行大量的此类工作时，机器人的效率比人类高得多，因为它们非常精确。 无论它们已经工作了多少小时，它们仍能在相同的位置钻孔，用相同的力度拧螺钉。 制造类机器人在计算机产业中也发挥着十分重要的作用。 它们无比精确的巧手可以将一块极小的微型芯片组装起来。 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 14 机器人的装配 装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。 其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多 CPU 或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。 爱普生机器人在装配的工艺与流程方面不断的做了改进如图 212 所示： 图 212 爱普生机器人的装配发展 装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。 其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多 CPU 或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。 常用的装配机器人主要有可编程通用装配操作手 即 PUMA 机器人（最早出现于 1978年，工业机器人的祖始）和平面双关节型机器人 即机器人两种类型。 与一般工业机器人相 比，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点，主要用于各种电器的制造行业。 机器人大量的装配作业是垂直向下的 ,它要求手爪的水平 (X， Y)移动有较大的柔顺性，以补偿位置误差。 而垂直 (Z)移动以及绕水平轴转动则有较大的刚性 ,以便准确有力地装配。 另外还要求绕 Z 轴转动有较大的柔顺性，以便于键或花键配合。 日本山梨大学研制出 SCARA 机器人 ,它的结构特点满足了上述要求，其 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 15 控制系统也比较简单 ,如 SR3000 机器人采用微处理机对 θ 1,θ 2,Z 三轴（直流伺服电机）实现半闭环控制， 对 s 轴（步进电机）进行开环控制。 编程语言采用与 BASIC 相近的 SERF。 最新版本 Level4 具有坐标变换、直线和圆弧插补、任意速度设定、以文字命名的子程序以及检错等功能。 SCARA 机器人是目前应用较多的类型之一。 机器人一般 采用多层线路板， 32 位高性能的 CPU 和超大规模可编程器件 RC+，系统的整个工艺采用表贴元器件，从而使整套系统更为紧凑； 采用自主研发的 AFDX05 运动控制芯片，多达 20级的运动指令缓冲区，特别适合高速小线段加工； 6 轴联动，可扩展到 24轴； 执行 ISO 国际标准 G 代码； 32 路输入， 32路输出接口； 全光耦隔离，抗干扰性强，运行稳定； 可通过键盘或示教盒对机械手进行操作； 在示教编程的基础上，指挥六个步进 /伺服电机完成指定的动作； 系统界面简洁大方，提供丰富的显示及监控信息，机械手的当前状态信息、 I/O 信息、轴的速度、位置都可实时查询和监控； 机械手各轴参数可设置，更好大限度的提高机械手的整机性能； 示教编程过程支持绝对位置、相对位置、延时、等待任意 IO 口输入信号、控制任意 IO口输出信号、程序段循环调用等等。 下面介绍爱普生机械手一些装配流程示范，如图 213 所示 : 图 213 机器人装配流程图 装配机器人的大量作业是轴与孔的装配，为了在轴与孔存在误差的情况下进行装配，应使机器人具有柔顺性。 主动柔顺性是根据传感器反馈的信息而从动柔顺心则利用不带动力的机构来控制手爪的运动以补偿其位置误差。 例如美国 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 16 Draper 实验室研制的远心柔顺装置 RCC(Remote Center Compliance device)（图3） ,一部分允许轴作侧向移动而不转动 ,另一部分允许轴绕远心（通常位于离手爪最远的轴端）转动而不移动，分别补偿侧向误差和角度误差，实现轴孔装配。 爱普生机器人与控制器之间的装配示意图： PLC 系统 以可编程控制器为基础来构筑系统如图 214 所示： 图 214 PLC 与 RC180的控制系统 RB 控制器系统 仅用机器人控制器来构筑系统如图 215 所示： 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计 17。