外文翻譯 Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of Freedom 一個具有競爭力的低成本的四自由度機械人手臂的設計與開發 院 、 部 ： 機械工程學院 專業名稱： 機械設計制造及其自動化 學生姓名： 學 號： 指導老師： 職稱： 教授 完成日期 2014 年 5 月 摘 要 這項工作的主要重點是設計，開發和實施具有競爭力的機器人手臂具有增強控制和粗短的成本。機器人手臂的設計采用四自由度和才華來完成精確簡單的任務，如光材料處理，這將被整合到了作為一個助理為工業勞動力的移動平臺。機器人手臂上配有數個伺服電機的臂之間做鏈接和執行的手臂動作。伺服電機編碼器包括使沒有控制器實施。控制我們使用 LabVIEW ，它執行逆運動學計算和串行通信的適當的角度， 以一個微控制器，驅動伺服電機，修改的位置，速度和加速度的能力的機器人。機器人手臂的測試和驗證，進行和結果表明，正常工作。關鍵詞：機器人手臂，低成本，設計，驗證，四自由度，伺服電機， Arduino的的機器人控制， Labview 的機器人控制 目 錄 1 引言 . 1 2 機械設計 . 1 3 機械手逆運動 . 6 4 最終選擇效應 . 6 5 機械手的控制 . 7 5.1 逆運動學控制 . 8 5.2 手動 . 9 6 測試和驗證 . 10 7 結果與討論 . 11 7.1 伺服電機運動范圍 . 11 7.2 電流消耗 . 12 7.3 最大負載 . 12 7.4 最終位置 . 12 8 結論 . 13 參考文獻 . 14 1 1 引言 機器人實際上是定義為研究，設計和使用機器人系統的制造 1。機器人通常用于執行不安全的，危險的，高度重復的，和 單調 的任務。它們具有許多不同的功能，如材料處理，組裝，電弧焊接，電阻焊接，機床的裝載和卸載功能，刷涂，噴涂等。主要有兩種不同類型的機器人：一個服務機器人以及工業機器人。服務機器人是機器人，工作半或完全自主地去履行服務，有用的福祉人類和設備，但不包括生產操作 2 。工業用機器人，在另一方面，被正式通過 ISO 定義 的自動控制和多用途可編程操縱器在三個或更多個軸 3。工業機器人是移動的材料，零件，工具，或通過可變的程式動作的專門設備來執行各種任務。工業機器人系統不僅包括工業機器人，但也能夠執行其任務以及測序或監視通信接口需要對機器人的任何設備和 /或傳感器。 2007 年全球市場增長了 3，約 114,000 新安裝的工業機器人。截至 2007 年底，全國共有大約一萬個工業機器人的使用，估計有50,000 服務機器人用于工業用途比較 3 。由于增加使用工業機器人手臂，演變到該主題開始試圖模仿人類動作的細節模式。例如一組學生在韓國做 創新的設計，為舞蹈的手，舉重，中國書法和顏色分類機械臂考慮 4 。另一組工程師在美國開發八個自由度機械臂。該機器人是能夠把握多個對象與很多從筆形狀的一球，也模擬人類的手 5。在空間上，航天飛機遙控器系統，被稱為 SSRMS 或Canadarm ，其繼任者是例子多度已經用來執行各種使用專門部署熱潮的任務，例如航天飛機的檢查自由機械臂有攝像頭和連接在末端執行器和衛星的部署和檢索演習從貨艙航天飛機傳感器 6 。 在墨西哥，科學家們已經上了軌道設計和 發展 許多機器人的手臂，墨西哥政府估計，在墨西哥有在不同的工業應用 中使用了大約 11,000 機械臂。不過，專家認為，機器人手臂的最高點，不僅質量更高，而且準確，可重復性和粗短的成本。 大多數機器人都設置了一個操作的示教和重復技術。在這種模式下，一個訓練有素的操作者（編程器）通常使用的便攜式控制裝置（示教）手動教機器人的任務。在這些編程會話機器人的速度很慢。 目前的工作是一個兩階段的項目，這需要一個移動機器人能夠運送工具從存儲室到工業單元的一部分。在這個階段中的項目，該項目開展了在科技，墨西哥蒙特雷大學，主要的重點是設計， 制定和實施了工業機器人手臂粗短的成本，準確和優越的控 制。這個機器人手臂的設計采用四自由度和才華來完成簡單的任務，如光隊友里亞爾處理，這將被整合到移動平臺的形式，作為一個助理為工業勞動力。 2 機械設計 機器人手臂的機械設計是基于一個機器人操作器具有類似功能的一個人的 2 手臂 6-8。這樣的操縱器的鏈接是由關節，允許旋轉運動和操縱器的鏈接被認為形成一個運動鏈連接。機械手的運動鏈的業務最終被稱為末端效應器或臂端的 - 工具，它是類似于人的手。圖 1 顯示了自由體圖的機器人手臂的機械設計。 圖 1 機械手的自由體圖 如圖所示，端部執行器不包括在設計，因為市售的夾持 器被使用。這是因為端部執行器是系統中最復雜的部分之一，并且，反過來，這是很容易和經濟地使用商業 化 生 產 它。 圖 2 示出了機器人手臂的工作區域。 圖 2 機械手工作區域圖 這是一個機器人臂具有四個自由度（ DOF 4）的典型的工作空間。機械設計僅限于 4 自由度，主要是因為，這樣的設計允許大部分必要的運動，并保持 成本和機器人競爭的復雜性。因此，關節的旋轉運動被限制，其中旋轉的肩完成圍繞兩個軸和周圍只有一個在肘和手腕上，參見圖 1。 機器人手臂的關節通常是由驅動的電氣馬達。伺服電動機被選擇，因為它們包括編碼器，它可以自 動提供 3 反饋給電動機并相應地調整位置。但是， 這些電動機的缺點是轉動范圍小于 180跨度，從而大大減小了臂和可能的位置到達該區域的 9。的基礎上，選定了伺服電機的資格 由結構和可能的負載所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于構造的材料是丙烯酸樹脂。 圖 3 示出用于負載計算的力的圖。的計算均只對具有最大負荷關節，由于其他關節將具有相同的電機，即電機可以移動的鏈接沒有問題。計算考慮了權重 的電動機，約 50 克，除電機在關節 B 的重量，因為它是通過鏈接的 BA。圖 4 示出了力示意圖上鏈路 CB，它包含接頭（ B 和 C）具有最高的負 載（攜帶了該書的 DC 和 ED）和計算如下進行。 圖 3 機械手負載分布圖 圖 4 CB 段負載分布圖 用于扭矩計算的值： WD= 0.011 千克（體重鏈接的 DE） WC= 0.030 千克（體重鏈接的 CD） WB= 0.030 千克（體重鏈路的 CB） L = 1 千克（負載） CM = Dm為 0.050 公斤（重電機） LBC 為 0.14 米（公元前鏈路的長度） 4 液晶顯示屏為 0.14 米（鏈接的 CD 長度） 斯 = 0.05 米（ LINK DE 的長度） 執行力之和在 Y 軸，用負載，如圖 4 中，并求解 CY 和 CB，見方程（ 1） - （ 4）。同樣，執行的時刻周圍的點 C 的總和，式（ 5），和點 B，方程 化（ 6），以獲得在 C 和 B，等式（ 7）和（ 8），分別在轉矩。 0)( yMCmDy CgCWDWLF NsmKgC y 18.11/8.9)1 4 1.1( 2 0)( yMCmDy CgCWDWLF NsmKgC y 4 7 5 8.11/8.9)171.1( 2 )()( 22 DECDc LCDDLWC LWM 0)()( CCDmDECD MLDLLL 0)()( 2DELCDBCDDECDBCB LLWLLLLM )()( 2CDLBCDEBCm LWcLLD 0)()( 2 BLBBCm MWLC BC （ 6） inozNmM c /6.278968.1 （ 7） inozNmM B /38.503554.3 （ 8） 該被選擇的基礎上，計算在伺服馬達，是 Hextronik HX12K ，其具有 280盎司 /英寸的扭矩。該電動機被推薦，因為它比任何其他電機與同樣規格便宜得多。由于我們需要更大的扭矩在關節 B，見公式（ 8） ，我們使用兩個電動機在點 B 處，以符合扭矩要求 ；然而，一個馬達是不夠的其它關節。采用兩臺電機的合資 B 比使用一個大電機 560 盎司 /英寸便宜得多。 圖 5 伺服電機 可以在圖 5 中示出，其他有關的特征是 ，它們可以轉動 60 度，在 130 毫秒 5 和它們有各自 47.9 克的重量。一旦被定義為機器人手臂和電機的初始尺寸，設計進行了使用 SolidWorks 平臺 ；設計應仔細考慮丙烯酸類片材的厚度和該塊將被彼此連接的方式。用于使機器人的聚丙烯酸酯片材是 1/8 厚度和該薄片的選擇，因為它更容易加工和更輕的重量以良好的抗性。在設計過程中，我們面臨著由于強烈的加盟薄亞克力部分的方式有些困難。它是需要工具來燒，并加入丙烯酸零件和未提供的和球隊認為機械結基于螺釘和螺母會比其他的替代品，如膠如多強。為了做到這一點，一個小的特征，設計這允許緊 固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸層的螺絲。這個過程的結果是在圖 6 所示立體設計。 圖 6 機械手 3D 模型 按照設計的結束，每個部分被印在滿刻度的硬紙板，然后我們核實了所有尺寸和組件的接口。反過來，我們建立了機器人手臂的第一個原型。接著，上述機器人手臂的部件從使用圓鋸和皮膚的工具的聚丙烯酸酯片材進行機械加工。的詳細說明在各部分被做在一個專業工場因為機器人手臂的部分太小，這并不是一件容易的實現這種小而準確的切割。在組裝機器人部件的電機，幾個問題彈出。有報道說，沒有抵抗所述緊固，并且，反過來，可能會破裂的 臨界點 ；因此，在這些點援軍進行了審議。機器人手臂的最終結果示于圖 7。 圖 7 機械手總體裝配圖 6 3 機械手逆運動 為了驗證機械臂的定位準確，逆運動學計算進行。這樣的計算來獲得每個電機從通過使用直角坐標系， 圖 8 坐標系 如圖 8 所示的位置上的角度各電動機將具有特定功能：位于 A 結合的位置的馬達，在 y 的最終元件軸，馬達 B 和 C 的位置在 x 和 z 軸的最后一個元件。該問題已經通過使用 xz 平面簡化，如圖 9 在其下面的已知值被定義在 9 ：LAB ：前臂長度。 LBC ：臂長。 Z：在 z 軸上的位置。 X：在 x 軸的位置。 Y：在 y 軸的位置。利用三角關系，如圖 9 所示， 2和 1可以得到，如在方程（ 9）可見，（ 10）的馬達角度。 圖 9 XZ 平面 馬達 B將使用 1和馬達 C 被打算用 2。的角度為馬達 A的計算公式為 EEN在等式（ 11）。通過這些計算，伺服電機的角度得到，從而他們采取的行動，整個結構移動到特定位置。 4 最終選擇效應 端部執行器可能是該系統的最重要和最復雜的部分之一。 明顯 的，它是非常 7 容易和經濟地使用商業人比構建它。端部執行器主要是根據應用和機器人臂完成的任務而變化 ；它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機器人手臂 是基于在電力系統中，我們可以選擇末端效應器的電基礎。此外，本系統的主要應用是處理，因此，我們的末端執行器的推薦類型是一個夾持器，如圖 10。 圖 10 夾持器與伺服 5 機械手的控制 該機器人手臂能自動或手動控制。在手動模式下，訓練有素的操作人員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（示教）教一個機器人做手工任務。在機器人的速度這些編程會話是緩慢的。在目前的工作中，我們所包圍的兩種模式。一個微控制器，一個驅動器和一個臺電腦化用戶界面：三個層次的呈現機器人手臂的控制基本上由。該系統具有獨特的特點，允許靈活的編 程和控制方法，它是利用逆實施運動學 ；此外它也可以在全手動模式下實現。控制的電子設計示于圖 11。 圖 11 控制器的電子方案 8 用微控制器是一個的 Atmega 368 ，它有一個名為 “ Arduino 的 ”發展規劃板，如圖 12 。 圖 12 Arduino 的微控制器板 圖 13 伺服控制器驅動器 編程語言非常類似于 C ，但包括幾個庫，幫助在 I / O 端口，定時器的控制和串行通信。該微控制器被選中因為它具有低的價格，這是很容易重 新編程，該編程語言是簡單的，并且中斷可用于這個特定的芯片。所使用的驅動程序是一個六通道微大師伺服控制器板。它支持三種控制方式： USB 直接連接到一臺計算機， TTL 串口與嵌入式系統，如 Arduino 的微控制器和內部腳本中使用自包含和主機無需控制器的應用。這個控制器，如圖 13 所示，包括位置和內置的速度和加速度控器 0.25 微秒分辨率 用戶界面取決于所使用的控制方法，即，逆運動學或全手動模式。在下文中，每個接口描述： 5.1 逆運動學控制 在這種控制方法中，用戶輸入的坐標系統中的位置，其中夾爪應。至于后果，接口與 LabVIEW 通過一個可視化的用戶生成的，如圖 14 圖 14 Labview 的用戶界面 9 程序將自動執行逆運動學的計算，以得到每個電機應具有的角度，然后發送一個命令要么到微控制器，或直接將機器人移動到指定的位置的驅動器。通信是通過 RS- 232 協議進行。在下文中，您可能會看到 Labview 的用戶界面的輸入和輸出。 LabVIEW 的用戶界面輸入： X 軸位置。 y 軸的位置。 Z 軸位置。夾持器打開。叼紙牙攻角。串行端口。 LabVIEW 的用戶界面輸出是： 電機 A 角。 電機 B1 角度。 電機 B2 角度。 電機 角。 攻角。 姿勢角 度 這樣的輸出變量進行處理，并通過適當的方式發送的，這樣的信息可以在一個正確的方式來解釋。該輸出是通過其連通于控制器串行端口發送。當按鈕 “移動 ”被點擊時，一個過程將發生，如圖 15 圖 15 程序流程 在圖 15 中，隨著這個動作，所述機器人臂將根據所輸入的值改變其位置。此外，它有一個待機按鈕，停止該通信控制器。 這種方法的主要優點是，它使用移動的有效方法，并提供進一步的功能，可以實現，比如位置和順序學習。的缺點，另一方面，是使 具有有效的角度逆運動 學計算之后可能的位置是非常有限的，因為伺服電機有180一個約束。 5.2 手動 這種類型的控制是我們的系統，在特定的位置有用多了一種選擇。在強制的情況下持倉逆運動學模式不能計算其有效的角度，我們可以用手動控制來代替。 10 基本上，手動控制包括一系列模擬輸入，諸如電位器，一種是與這將解釋該值并發送一個命令到伺服驅動器的微控制器相連。為了實現這一點，一個控制板，如圖 16 圖 16 電位器板 應該被構建為一個接口與用戶的工作。可能實現包括教學功能，使微控制器存儲在內存中，并通過鍵盤或系列交換機，我們可能還 記得這些職位的職位 。 6 測試和驗證 若干 測試 是 驗證該機器人臂和它的組件。 測驗 涉及的特定元件和整個系統的，如圖 17 所示。 圖 17 機械手測試 微控制器測試是由軟件發送不同的命令給單片機，檢查這是連接到開啟或關閉取決于命令伺服電機的輸出發生變化。伺服電動機分別通過發送不同的直接脈沖到每個伺服電動機和驗證移動到合適的位置的響應之后進行測試。我們使用的 11 標記知道在哪里的初始位置是和最終電機的位置是通過與微控制器發送信號，并且，反過來，它是由伺服解釋和比較，由編碼器提供的信號，從而在旋轉到所需的位置來確定。在測試過 程中，伺服電動機是因為不正確的極化的不一致性與機器人臂系統。 伺服電機驅動器中使用 LabVIEW 軟件發送命令到發送的特定命令其中有一臺電機連接根據稱道改變位置的驅動微控制器也測試。要注意到，在這一點很重要開始一個項目的不同的伺服電機驅動器被選中，但與他們和微控制器之間的通信幾個問題都存在。所以，我們選擇一個驅動器，允許數據被直接從計算機發送到它與只有一個 USB 線，所以，微控制器將僅在箱子的使用實現手動控制。其他測試，以驗證整個系統的功能， 圖 18 機器人手臂的動作 如顯示在圖 18 中通過引 入在 LabVIEW 界面中的特定位置和測量，以驗證一個參考點和最后點之間的距離發生了那些測試：該從逆正確變換到正運動學，指定的角度和馬達的轉動之間的關系。機器人手臂的測試和驗證是需要細長時間，因為需要幾次迭代的任務之一。在我們的測試中，很多問題出現的：錯誤的角度計算，電機的錯誤校正，問題與物理角度和位置測量，因為這是沒有預料過載燒毀伺服電機之一 。 7 結果與討論 7.1 伺服電機運動范圍 伺服電機的極限得到規范，因為這種類型的電機都包含有小于 180 度的跨 12 度。實際范圍為所有電機被發現是在范圍 125 - 142 度，如 表 1 所示的這清楚地表明，機器人手臂的實際操作是從機架的情況下不同。 表 1 電機角的范圍 電動機 角度范圍 電機 A 130 電機 B1 135 電機 B2 140 電機 142 電機攻擊角度 125 7.2 電流消耗 消耗電流取決于負載和機器人臂的運動的類型。在目前的研究中，有 4 個級別的電流消耗為： 低（從 0 到 200 mA）。這種消費發生時，機器人處于靜止狀態（不運動的情況下）。 正常（從 200 到 500 mA）。這件事發生時，機器人手臂移動與能力去目標沒有很大的扭矩需求。 高（ 500 mA 到 900 毫安）。達 到按賬面負載的開頭這個范圍。通過克服的慣性載荷的初始瞬間，在正常范圍內發生的地方。 過電流（超過 900 MA）。負荷太重，電機不能動彈。為在此條件下被用于多于一分鐘，將馬達燒毀，也就是說，它是不可能使用的任何多 7.3 最大負載 這些結果是用不同的權重得到的 ；一袋玉米被用于與規模來決定包的體重。結果進行了使用機器人手臂拿起袋子，并將其移動到特定位置。表 2presents 的電流消耗袋玉米的不同權重。從表 2 中可以看出，該機器人可在負載沒有問題的移動超過 50 克以下。在負載 60 克，機器人手臂開始有困難，并通過 80 克 后發生嚴重的情況，其中憤怒可逆的損害可發生在馬達。 7.4 最終位置 結果表明，該機器人臂的精度移動至不同的重量（ 50 克），結果列于表 3 ，如圖所示，在機器人手臂能夠執行移動到指定的位置。然而，這種移動不平滑，有時馬達沒有足夠的力，尤其是當負載很重。此外，一些問題可能會由于同步兩個底部的電機。兩個電機的步驟是不重合而引起的丙烯酸部位張力，這在箱子被過多會破壞的部分。 13 表 2 負載與電流消耗 空載 電流損耗 20 克 低 40 克 正常 50 克 正常 60 克 高 80 克 過流 100 克 過流 表 3 精度上的所有軸 軸 精度（ + / - ） 1 厘米 2 厘 米 1 厘米 8 結論 本文介紹了機器人手臂，具有天賦太一， plish 簡單的任務，如光材料處理的設計，開發和實施。機器人手臂的設計和建造從那里伺服電機被用來進行武器之間的聯系和執行的手臂動作亞克力材質。伺服電機編碼器包括使沒有控制器實施 ；然而，電機的轉動范圍小于 180范圍，從而大大減小了臂和可能的位置到達該區域。機器人手臂的設計，因為這是有限的四個自由度設計允許大多數必要的運動和保持成本和機器人競爭的復雜性。末端執 行器是不包括在設計，因為市售的夾持器使用，因為它是更容易和經濟地使用商業 1 比生成它。在設計過程中，我們面臨著由于強烈的加盟薄亞克