1、本科生畢業設計（論文）摘要隨著微電子技術、傳感器技術、控制技術和機械制造工藝水平的飛速發展，機器人的應用領域逐步從汽車拓展到其它領域。 在各種類型的機器人中， 模 擬人體手臂而構成的關節型機器人， 具有結構緊湊、 所占空間小、 運動空間大等 優點，是應用最為廣泛的機器人之一。 尤其由柔性關節組成的柔性仿生機器人在 服務機器人及康復機器人領域中的應用和需求越來越突出。本文將設計一臺四自由度的工業機器人，用于給沖壓設備運送物料。首先， 本文將設計機器人的底座、 大臂、 小臂和機械手的結構， 然后選擇合適的傳動方 式、驅動方式，搭建機器人的結構平臺；在此基礎上，本文將設計該機器人的控 制系統，包括數

2、據采集卡和伺服放大器的選擇、 反饋方式和反饋元件的選擇、 端 子板電路的設計以及控制軟件的設計， 重點加強控制軟件的可靠性和機器人運行 過程的安全性， 最終實現的目標包括： 關節的伺服控制和制動問題、 實時監測機 器人的各個關節的運動情況、 機器人的示教編程和在線修改程序、 設置參考點和 回參考點。關鍵詞： 機器人，示教編程，伺服，制動本科生畢業設計（論文）ABSTRACTWith the development of microelectronic technology, sensor technology, the rapid development of control technolo

3、gy and machinery manufacturing technology level, the application of robots gradually expanded from cars to other fields. In all types of robots, the articulated robot arm simulation human form, has the advantages of compact structure, small occupied space, large moving space, is one of the most wide

4、ly used robots. Especially flexible biomimetic robot composed of flexible joint in the field of service robot and rehabilitation robot application and demand more and more prominent.In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I w

5、ill 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 ca

6、rd, 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, monitori

7、ng 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目錄本科生畢業設計（論文）第 1 章 緒論31.1 機械手概述41.2 機械手的發展41.3 機器人的發展趨勢4第 2 章 機器人實驗平臺介紹及機械手的設計 32.1 自由度及關節42.2 基座

8、及連桿42.2.1 基座72.2.2 大臂72.2.3 小臂72.3 機械手的基本結構 42.4 驅動方式42.5 傳動方式42.6 制動器4第 3 章 控制系統軟件43.1 預期的功能43.2 實現方法43.2.1 實時顯示各個關節角及運動范圍控制 43.2.2 電機的自鎖43.2.3 示教編程及在線修改程序43.2.4 設置參考點及回參考點4致 謝 4 參考文獻 4本科生畢業設計(論文)第 1 章 緒論1.1 機械手概述機械手是模仿著人手的部分動作， 按照給定程序、 軌跡和要求能實現自 動抓取、 搬運的自動機械裝置。 在工業生產中應用的機械手叫做 “工業機械手”。 在實際生產中， 應用機械

9、手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率， 可以減輕 勞動強度、保證產品質量、實現安全生產。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉 塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環境下，它代替人進行正常的工作，意義 更為重大。隨著生產的發展， 功能和性能的不斷改善和提高， 在機械加工、沖壓、 鍛、鑄、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業、交通運輸業等領域得到 了越來越廣泛的應用。國內外對機器人及機械手所作的定義不盡相同。國際標準化組織 (ISO) 對機 器人的定義 : “機器人是一種能自動定位、可控的可編程的多功能操作機。這類 操作機具有幾個軸，在可編程序操作下，能處理各種材料、零件、工具和專用裝 置，以執行

10、各種任務?！泵绹鴩覙藴?(NBS)對機器人的定義 :“一種可編程， 并在自動化控制下執行 某種特定操作和移動作業任務的機械裝置。 ”日本工業機器人協會對工業機器人 的定義: “一種裝備有記憶裝置和最終執行裝置，能夠完成各種移動來代替人類 勞動的通用機器?！彼址譃橐韵聝煞N情況來定義 :(1) 工業機器人 : “一種能執 行與人的上肢類似動作的多功能機器。 ”(2) 智能機器人 : “一種具有感覺和識別 能力，并能夠控制自身行為的機器。”機械手可分為專用機械手和通用機械手兩大類。專用機械手 : 它作為整機的 附屬部分，動作簡單，工作對象單一，具有固定 (有時可調 )程序，使用大批量的 自動生產

11、。 如自動生產線上的上料機械手， 自動換刀機械手， 裝配焊接機械手等 裝置。通用機械手 : 它是一種具有獨立的控制系統、程序可變、動作靈活多樣的 機械手。它適用于可變換生產品種的中小 PLC的硬件結構主要分單元式和模塊式 兩種。將 PLC的主要部分 ( 包括 CPU、 I/O 系統、電源等 ) 體積小，安裝方便， 全部安裝在一個機箱內。要機器人像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、本科生畢業設計(論文)臂、關節等部分組成的抓取和移動機構執行機構； 像肌肉那樣使手臂運動的 驅動傳動系統； 像大腦那樣指揮手動作的控制系統。 這些系統的性能就決定了 機器人的性能。 一般而言， 機

12、器人通常就是由執行機構、 驅動傳動系統和控制 系統這三部分組成，如圖 1-1 所示。圖 1-1 機器人的一般組成對于現代智能機器人而言， 還具有智能系統， 主要是感覺裝置、 視覺裝置和 語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛” ，使它能識別物體和 躲避障礙物，以及機器人的觸覺裝置。 機器人的這些組成部分并不是各自獨立的， 或者說并不是簡單的疊加在一起， 從而構成一個機器人的。 要實現機器人所期望 實現的功能，機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯、 相互影響和相互制約。 它們之間的相互關系如圖 1-2 所示。圖 1-2 機器人各組成部分之間的關系機器人的機械系統主要由執行機構和驅動

13、傳動系統組成。 執行機構是機器 人賴以完成工作任務的實體， 通常由連桿和關節組成， 由驅動傳動系統提供動 力，按控制系統的要求完成工作任務。 驅動傳動系統主要包括驅動機構和傳動 系統。驅動機構提供機器人各關節所需要的動力， 傳動系統則將驅動力轉換為滿 足機器人各關節力矩和運動所要求的驅動力或力矩。 有的文獻則把機器人分為機 械系統、驅動系統和控制系統三大部分。其中的機械系統又叫操作機 (Manipulator) ，相當于本文中的執行機構部分。本科生畢業設計（論文）1.2 機械手的發展工業機械手是在第二次世界大戰期間發展起來的，始于 40年代的美國橡樹 嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手研

14、究，它是一種主從型的控制系 統。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。 它的結構是： 機體上安裝一 回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的； 1962年，美 國聯合控制公司在上述方案的基礎上， 又試制成一臺數控示教再現型機械手， 命 名為Unimate（ 即萬能自動 ） 。 1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫 Versatran 機械手，原意是靈活搬運，可作點位和軌跡控制；該機械手的中央立 柱可以回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統也是示教再現型。雖然這兩 種機械手出現在六十年代初， 但都是國外工業機械手發展的基礎。 從60年代后期 起，噴漆、弧焊工業機

15、器人相繼在生產中開始應用。 1978年美國 Unimate公司和 斯坦福大學、麻省理工學院聯合研制出一種 Unimation-Vic-arm 型工業機械手， 裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，定位誤差可小于 lmm。聯邦德 國機器制造業是從 1970年開始應用機械手， 主要用于起重運輸、 焊接和設備的上 下料等作業；聯邦德國 Kuka公司還生產一種點焊機械手， 采用關節式結構和程序 控制；日本是工業機器人發展最快， 應用國家最多的國家， 自1969年從美國引進 兩種典型機械手后， 開始大力從事機械手的研究， 目前以成為世界上工業機械手 （ 機器人 ） 應用最多的國家之一。 前蘇聯自六十

16、年代開始發展應用機械手， 主要用 于機械化、自動化程序較低、繁重單調、有害于健康的輔助性工作。我國工業機械手的研究與開發始于 20世紀 70年代。1972年我國第一臺機械手 開發于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃 （1986-1990） 開始，我國政府將工業機器人的發展列入其中，并且為此項目投入 的大量的資金， 研究開發并且制造了一系列的工業機器人， 有由北京機械自動化 研究所設計制造的噴涂機器人， 廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造 的點焊機器人， 大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人， 沈陽工業大學設計制 造的裝卸載機器等等。 這些機人的控制器， 都是由中

17、國科學院沈陽自動化研究所 （SIA） 和北京科技大學機器人研究所開發的，同時一系列的機器人關鍵部件也被 開發出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器， DC-PWM等本科生畢業設計（論文）等。我國的工業機械手 （ 或第一代機械手 ） 發展主要是逐步擴大其應用范圍； 在應 用專用機械手的同時， 相應地發展通用機械手， 研制出示教式機械手、 計算機控 制機械手和組合式機械手等?？梢詫C械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、 橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業要求，選用不 同的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于更換工件， 擴大了應用范圍。1.

18、3 機器人發展趨勢 隨著現代化生產技術的提高， 機器人設計生產能力進一步得到加強， 尤其當 機器人的生產與柔性化制造系統和柔性制造單元相結合， 從而改變目前機械制造 的人工操作狀態，提高了生產效率。就目前來看，總的來說現代工業機器人有以下幾個發展趨勢：a）提高運動速度和運動精度， 減少重量和占用空間， 加速機器人功能部件的 標準化和模塊化， 將機器人的各個機械模塊、 控制模塊、 檢測模塊組成結構不同 的機器人；b）開發各種新型結構用于不同類型的場合，如開發微動機構用以保證精度； 開發多關節多自由度的手臂和手指；開發各類行走機器人，以適應不同的場合；c）研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺

19、、聽覺、味覺、和測距傳 感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環境信息、 位置信息、 狀態信息以完 成模式識別、狀態檢測。并采用專家系統進行問題求解、動作規劃，同時，越來 越多的系統采用微機進行控制。本科生畢業設計（論文）第 2 章 實驗平臺介紹及機械手的設計該設計的目的是為了設計一臺物料搬運機器人， 利用現有已經報廢的焊接機器人，本文的中結構設計主要偏向于對原有機構的改造和機械手的設計。2.1 自由度及關節圖1 該機器人具有四個自由度 ，即腰關節、肩關節、肘關節和腕關節，都 為轉動關節；還有一個用于夾持物料的機械手。2.2 基座及連桿2.2.1 基座 基座是整個機器人本體的支撐。 為保證機器

20、人運行的穩定性， 采用兩塊 “Z” 字形實心鑄鐵作支撐?；厦媸墙泳€盒子， 所有電機的驅動信號和反饋信號都從中出入。 接線盒本科生畢業設計（論文）子外面，有一個引入線出口和一個引出線出口。2.2.2 大臂大臂長度 230mm，具體尺寸如圖 2.1 所示：圖 2.1 大臂外形2.2.3 小臂小臂長度 240mm，具體尺寸如圖 2.2 所示：圖 2.2 小臂外形2.3 機械手的基本結構機械手是一個水平、 垂直運動的機械設備， 用來將工件由左工作臺搬到右工作臺。有上升、下降運動，左移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制。簡易本科生畢業設計(論文)機械手在各類全自動和半自動生產線上應用得十分廣泛，

21、主要用于零部件或成品 在固定位置之間的移動， 替代人工作業， 實現生產自動化。 本設計中的機械手采 用上下升降加平面轉動式結構， 機械手的動作由氣動缸驅動， 氣動缸由相應的電 磁閥來控制， 電磁閥由 PLC控制。 驅動執行元件完成， 能十分方便的嵌入到各類 工業生產線中。圖 3.1 為機械手簡圖 ,其中 1- 豎直氣缸， 2-執行氣爪， 3-工件， 4-水平氣缸， 5-旋轉軸， 6-支架， 7-底座。這個機械手具有二個直線運動和一個旋轉運動自由度用于將源工作臺上的 物品搬到其左側或右側目的工作臺上。 機械手的直線動作由氣缸驅動， 氣缸由電 磁閥控制，整個機械手在工作中能實現上升 /下降、左傳/

22、 右轉、夾緊/ 放松功能， 是目前較為簡單的、 應用比較廣泛的一種機械手。 其升降運動通過升降氣缸、 垂 直導柱、滑動導柱、 垂直導軌及升降位置微動開關相互配合完成， 升降工作行程 為 01500mm轉; 動是通過電機驅動軸承、轉動工作行程為 0180；手爪是通過 氣缸、彈簧的作用來夾持物品，夾持力是靠調節彈簧的預壓縮量來調整。機械手的基本結構由感知部分、 控制部分、 主機部分和執行部分四個方面組 成。采集感知信號及控制信號均由氣動缸驅動。 主機部分采用了標準型材輔以模 塊化的裝配形式， 使得氣動機械手能拓展成系列化、 標準化的產品。 人們根據應 用工況的要求， 選擇相應功能和參數的模塊， 像

23、積木一樣隨意的組合， 這是一種 先進的設計思想， 代表氣動技術今后的發展方向， 也將始終貫穿著機械手的發展 及實用性模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向裝置更具有靈活的安裝體系。 它集 成電接口和帶電纜及氣管的導向系統裝置， 使機械手運動自如。 由于采用了模塊 化拼裝結構，可組成立柱型氣動機械手、 門架型氣動機械手及滑塊型氣動機械手， 及其它各種類型的機械手。 這些模塊化機械手組裝方便， 動作靈活， 具有較高的 定位精度， 但工作空間比較小， 主要應用于一般的送料自動線上。 氣動機械手具 有三個自由度， 即水平(Z) 方向自由度、 垂直(Y)方向自由度和旋轉自由度， 并可 以采用多種靈活的控制方案

24、。圖 2-3 中工件所處位置為原點位置， 根據課題設計任務書的要求： 機械手初 始位置在原點位置，每次循環動作都從原點位置開始，完成上升、下降運動，左 移、右移運動和夾緊、放松動作和位置控制， 并能實現手動操作和自動操作方式。 當機械手在原點位置下啟動按鈕， 系統啟動，左傳送帶運轉。 當光電開關檢測到 物品后，左傳送帶停止運行。根據分析可得出機械手的工作流程圖，如圖 2-3-1 所示工件下限延時上限原位下降上升右移夾緊啟 動右左限上限延時下限限停止左移上升松開下降圖 2-3-1 機械手工作流程圖 可見，實現要求功能需要如下條件：(1) 底座與橫梁之間需要旋轉盤，旋轉盤的驅動由電機來完成，普通電

25、機轉 速較高， 需要考慮安裝減速機， 在這種頻繁啟動制動的場合下， 選用低速電機會 更方便。(2) 橫梁在普通情況下，長度是固定的，如果工作臺不進行調整，橫梁長度 可永遠不變。課題任務也未作橫梁要求， 但在實際應用中， 可能出現工作臺距離本科生畢業設計(論文)調整的情況， 為增加機械手的通用性， 本設計中在橫梁上安裝了執行氣缸， 可使 用手動按鈕調整橫梁長度。(3) 豎直方向上是頻繁上下工作的機構，可選用電機傳動的齒輪齒條嚙合機 構，也可選用執行氣缸，后者是新技術更經濟、環保、噪音低，也更符合課題要 求。(4) 抓緊機構也可選用氣動執行爪和執行氣缸并用組成氣動執行模塊。(5) 光電開關在控制方

26、面是作為輸入量的信號源之一，它可以選擇模擬輸入 和數字輸入， 根據課題要求和后面 PLC的各輸入量的情況， 選用數字輸送式的光 電開關更方便簡捷。根據以上分析， 機械構造方案基本固定。 整個機械手一共用到三個氣缸， PLC 需要控制每個氣缸的動作： 橫梁長氣缸的內外調， 執行氣爪的夾持與放松、 豎導 桿氣缸的升降和各氣缸的定位控制上面所述的橫梁調整功能是本設計的創新之 一，另外兩個是工件計數和故障報警。2.3.1 機械手的控制要求機械手的操作方式分為手動操作和自動操作， 自動操作又分為單周期操作和 連續操作方式。 手動操作是指用按鈕對機械手的每一步運動單獨進行控制； 單周 期操作指機械手從原點

27、開始， 按啟動按鈕，機械手自動完成 1 個周期的動作后停 止；連續操作指機械手從原點開始，按啟動按鈕，機械手的動作將自動地、連續 不斷地周期性循環。 在工作中若按停止按鈕， 機械手將繼續完成 1 個周期的動作 后，回到原點自動停止。(1) 機械手的自動運行： 下降：當機械手檢測到傳送帶 A 上有工件時，有原點位置開始下降，下 降到位時，碰到下極限開關，機械手停止下降，同時接通加緊電磁閥線圈。 加緊工件：當機械手加緊到位時，壓力繼電器動合觸電閉合，接通上升 電磁閥線圈。 上升：當機械手夾緊到位時，機械手開始上升，上升到位時，碰到上極 限開關，機械手停止上升，同時接通右移電磁閥線圈。 右移：當機械

28、手上升到位時，機械手開始右移，右移到位時，碰到有極 限開關，機械手停止右移，同時接通下降電磁閥線圈。 下降：當機械手右移到位時，機械手重新開始下降，下降到位時，碰到本科生畢業設計（論文）下極限開關，機械手停止下降，同時釋放加緊電磁閥線圈。 放松工件：放松動作為時間控制，設為 2 秒。 上升：工件放松后，機械手開始上升，上升到位時，碰到上極限開關， 機械手停止上升，同時接通左移電磁閥線圈。 左移：機械手上升到位后，開始左移，左移到位時，碰到左極限開關， 機械手停止左移。 回到原位：機械手左移到位后，回到原點位置，再次自動啟動傳送帶A，當光電開關檢測到工件后，又開始新的工作循環周期。機械手的手動運

29、行（2）手動運行是指機械手的上升、下降、左移、右移及夾緊操作通過對應 的手動操作按鈕控制，與操作順序無關。2.4 驅動方式該機器人一共具有四個獨立的轉動關節， 連同末端機械手的運動， 一共需要 五個動力源。機器人常用的驅動方式有液壓驅動、 氣壓驅動和電機驅動三種類型。 這三種方法各有所長，各種驅動方式的特點見表 2.4：表 2.4 三種驅動方式的特點對照內容驅動方式液壓驅動氣動驅動電機驅動很大， 壓力范圍為大，壓力范圍為 48較大輸出功率50 140Pa60Pa，最大可達 Pa利用液體的不可壓縮氣體壓縮性大，精度控制精度高，功率較大，性，控制精度較高，低，阻尼效果差， 低速能精確定位，反應靈敏

30、，控制性能輸出功率大，可無級不易控制，難以實現高可實現高速、 高精度的連調速，反應靈敏，可速、高精度的連續軌跡續軌跡控制，伺服特性實現連續軌跡控制控制好，控制系統復雜響應速度很高較高很高結構性能及體結構適當，執行機構結構適當，執行機構可伺服電動機易于標準化，積可標準化、模擬化，標準化、 模擬化， 易實結構性能好， 噪聲低， 電本科生畢業設計（論文）易實現直接驅動。功現直接驅動。功率 / 質動機一般需配置減速裝率 / 質量比大，體積量比大， 體積小， 結構置，除 DD電動機外，難小，結構緊湊，密封緊湊，密封問題較小以直接驅動，結構緊湊，問題較大無密封問題防爆性能較好，用液防爆性能好，高于設備自身

31、無爆炸和火災安全性壓油作傳動介質，在1000kPa(10 個大氣危險， 直流有刷電動機換一定條件下有火災危壓） 時應注意設備的抗向時有火花， 對環境的防險壓性爆性能較差對環境的影響液壓系統易漏油，對排氣時有噪聲無環境有污染在工業機器人適用于重載、低速驅適用于中小負載驅動、適用于中小負載、 要求具中應用范圍動，電液伺服系統適精度要求較低的有限有較高的位置控制精度用于噴涂機器人、點點位程序控制機器人，和軌跡控制精度、 速度較焊機器人和托運機器如沖壓機器人本體的高的機器人，如 AC伺服人氣動平衡及裝配機器噴涂機器人、點焊機器人氣動夾具人、 弧焊機器人、 裝配機成本成本低器人等液壓元件成本較高成本高維

32、修及使用方便，但油液對環方便較復雜境溫度有一定要求機器人驅動系統各有其優缺點，通常對機器人的驅動系統的要求有：1）驅動系統的質量盡可能要輕，單位質量的輸出功率要高，效率也要高；2）反應速度要快， 即要求力矩質量比和力矩轉動慣量比要大， 能夠進行頻繁地 起、制動，正、反轉切換；3）驅動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?）安全可靠；5）操作和維護方便；6）對環境無污染，噪聲要小；7）經濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。本科生畢業設計（論文）基于上述驅動系統的特點和機器人驅動系統的設計要求， 本文選用直流伺服 電機驅動的方式對機器人進行驅動。 表 2.2 為選定的各個關節電機型號及其相關 參數。

33、表 2.2 機器人驅動電機參數電機參數腰關節肩關節肘關節腕關節手爪MULTIPLEXMULTIPLEX型號MAXON2332MAXON2332MAXON2332STELL-SERVOSTELL-SERVO額定電壓18v18v18v6v6v額定轉矩18.2 N m18.2 Nm18.2 Nm10.3 N m10.3 Nm最大轉矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm額定轉速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高轉速9200rpm9200rpm9200rpm轉子慣量18.4gcmcm18.4gcm cm18.4gcmcm2.5 傳動方式 由于一般的電機驅動系統輸出

34、的力矩較小，需要通過傳動機構來增加力矩， 提高帶負載能力。對機器人的傳動機構的一般要求有：（1）結構緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕；（2）傳動剛度大，即由驅動器的輸出軸到連桿關節的轉軸在相同的扭矩時 角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動；（3）回差要小，即由正轉到反轉時空行程要小，這樣可以得到較高的位置 控制精度；（4）壽命長、價格低。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設計， 結構緊湊，具有 很強的帶負載能力， 但是不能通過電機直接驅動各個連桿的運動。 為減小機構運 行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。齒

35、形帶傳動是同步帶的一種， 用來傳遞平行軸間的運動或將回轉運動轉換成 直線運動，在本文中主要用于腰關節、肩關節和肘關節的傳動。齒形帶傳動原理如圖 2.5 所示本科生畢業設計（論文）齒輪帶的傳動比計算公式為n2 z1in1 z2齒輪帶的平均速度 va 為va z1 t n1 z2 t n2圖 2.5 齒形帶傳動2.6 制動器制動器及其作用：制動器是將機械運動部分的能量變為熱能釋放， 從而使運動的機械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩類。在機器人機構中，學要使用制動器的情況如下： 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。機械制動器：機

36、械制動器有螺旋式自動加載制動器、 盤式制動器、 閘瓦式制動器和電磁制 動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。在機器人的驅動系統中常使用伺服電動機， 伺服電機本身的特性決定了電磁 制動器是不可缺少的部件。 從原理上講， 這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制本科生畢業設計（論文）動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開， 這時制動器不起制動作用， 而當電 源斷開線圈中無勵磁電流時， 在彈簧力的作用下處于制動狀態的常閉方式。 因此 這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。 又因為這種制動器常用于安全制動 場合，所以也稱為安全制動器。電氣制動器電動機是將電能轉換為機械能的裝置， 反之，他也具有將旋轉機械能

37、轉換為 電能的發電功能。 換言之， 伺服電機是一種能量轉換裝置， 可將電能轉換為機械 能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。 但對于直流電機、 同步電機和感 應電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當的制動電路。本文中，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器， 因此機器人的肩關節和軸關 節在停止轉動的時候，會因為重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便 在原有機構上添加機械制動器， 所以只能通過軟件來實現肩關節和軸關節的電氣 制動。采用電氣制動器， 其優點在于： 在不增加驅動系統質量的同時又具有制動功 能，這是非常理想的情況， 而在機器人上安裝機械制動器會使質量有所增加， 故 應盡量避免。

38、 缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠， 斷電的時候將失去 制動作用。本科生畢業設計（論文）第 3 章 控制系統軟件以上完成了機器人的本體設計， 下面將通過設計控制軟件， 使計算機通過數 據采集卡有條不紊地向外部發送指揮信號， 最終驅動機器人各個關節的運動， 使 之按照人的意愿“工作” 。3.1 預期的功能（ 1） . 實時顯示各個關節角，并且可以防止各個關節的運動角度超出預定的關 節角范圍內；（ 2） . 實現直流電機的伺服控制；（ 3） . 實現電機的自鎖；（ 4） . 實現示教編程及在線修改程序；（ 5） . 可以設置參考點，使機器人在空間有一個固定的參考位置，可以回參考 點。3.2

39、 實現方法 以模塊化程序設計思想為指導， 以預期要實現的功能作為各個模塊， 設計控 制軟件。 本文采用了 Visual C+作為編程工具。3.2.1 實時顯示各個關節角及運動范圍控制 在 BOOL CRobotDlg:OnInitDialog（） 函數中， 設置定時器 SetTimer（1, gwScanTime, NULL）， 然后在 void CRobotDlg:OnTimer（UINT nIDEvent） 函數中， 通過調用 bool CRobotDlg:position_now（USHORT ka1_chan），采樣電位器輸出電 壓，通過前面的電位器標定函數，換算出各個關節的角度，并顯

40、示出來。在 void CRobotDlg:OnChangeAngle?Edit（）函數中（ ?表示 1， 2， 3，4，5）， 將換算出的角度與該關節預設的運動范圍作比較， 看其是否在此區間內， 否則彈 出警告對話框，并且自動停止該關節的運動。3.2.2 電機的自鎖 該機器人關節上未裝制動器， 所以必須通過軟件程序實現關節的自鎖， 尤其是肩關節和肘關節的自鎖本科生畢業設計(論文)解決思路： 大臂和小臂在電機運轉時不會由于重力而掉落， 在電機停止的時 候卻會下落， 因為電機一旦停止， 就失去了驅動力矩， 因此若想讓大臂和小臂停 止在預定位置，應該在此位置給關節電機施加一個電壓， 讓它擔負起大臂或小臂， 而不讓其由于重力而下落。 但是，在不同的位置， 重力對大臂或小臂的力矩不同， 應提供給電機的電壓也不同，如何選取電機的電壓呢？提供給電機的電壓小了，不足以抵抗重力的力矩；提供給電機的電壓大了， 會使電機轉動， 使大臂或小臂上升； 所以，最好能通過程序來自適應選擇這個制 動電壓，方法有多種，下面是本文的設計過程。程序設計：在調用在 OnT2Button() 或 OnT3Button()函數時，先給電機一個 0 電壓，使電 機失去驅