车载机器人一体化平台机械手腕手爪的设计(附件)
摘 要 当今时代科学技术是第一生产力，各类行业的发展都离不开科学技术，其中机器人技术已经渗入到海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等各个行业，所以现在各国都大力发展机器人行业，智能车载机器人一体化平台设计就是一个大力发展的方向。它包括车载部分和机械手部分，其中机械手部分是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。是可以按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。机械手一般由控制系统、驱动系统、执行机构及检测装置四大部分组成。执行机构由机械部件组成即手爪和手腕。驱动部分是由舵机组成的，负责驱动执行机构运动。控制系统采用单片机，用来控制驱动部分。检测装置即传感器，用来采集信号。通过这样一个闭环控制系统使得智能车载机器人能够达到准确抓取和运输的目的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1机械手的发展史 1
1.2机械手研究的意义 1
第二章 总体设计方案 2
2.1总体任务分配 2
2.2总体控制方案设计 2
2.3控制系统设计 3
2.4控制方案选择 4
第三章 机械结构设计 5
3.1位姿描述 5
3.1.1方位描述 5
3.1.2坐标变换 6
3.2机械手部结构设计 7
3.3机械手腕手爪功能 9
3.4动力学分析 10
第四章 控制方案设计 15
4.1控制系统硬件设计 15
4.2驱动系统设计 15
4.2.1驱动器的选型 15
4.2.2机械手爪和手腕的电机使用 16
4.3传感系统设计 17
第五章 机械手爪手腕的调试及仿真实验 19
5.1PID控制 19
5.1.1数字PID控制 19
5.1.2 PID产数的整定 19
5.2运动学分析 20
5.3机械手爪手腕的仿真实验 21
5.4机械手爪手腕的斜坡抓取实验 22
结束语 24
致 谢 25<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
br /> 参考文献 26
附录 27
第一章 绪论
1.1机械手的发展史
在机械化，自动化生产过程中逐渐发展起来的一种新型装置就是机械手。它是机器人的一个重要组成部分。它的特点有通过编程来完成各种命令和预期的任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用[1]。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务[2]。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。
1.2机械手研究的意义
工业机械手对于社会生产的各个方面都有重要的意义。在传统的制造业中，如汽车制造业、电器制造业、机械制造、采矿、冶金、化工石油等领域；以及现代技术中的核能、航空航天、医药、生化等科技领域，工业机械手都发挥着举足轻重的作用[3]。在今后的生活中必然是机械手逐渐取代人类去完成精度较高、具有一定危险的活动，机械手也必定会为人类做出更多的贡献。工业生产中，生产作业劳动量大，该平台的机械手可以提高生产效率，减轻人工劳动强度，手爪可以用来搬运物件，夹持工件等。要求抓紧力度要足够，且有可靠的控制装置，不仅能夹持，也能控制夹持的力度，以实现对工件的夹持以及不对工件造成损害[4]。要求手腕能够灵活转动，使夹持的工件被准确地运到目标点。作为工业机器人的重要分支机械手的发展具有十分重要的研究意义。其次，工业机械手的应用减轻了劳动强度、可提高产品的加工精度、减少危险性生产，尤其是一些危险性大的行业生产中应用较为广泛。
总体设计方案
2.1总体任务分配
根据机器人运动控制的高精度及高稳定度的性能要求，设计开放性强、人机界面友好的智能车载机器人一体化平台，以满足对机器人多电机协同控制性能进行全面调试的需求，这是本次设计小组要达到的目标。本次设计的智能车载机器人一体化平台系统包括上位机、下位机系统的设计、车载部分的设计以及手臂部分的设计和手爪手腕的设计；我在本次设计中承担着完成手腕、手爪部分的设计的任务，包括手爪手腕的电机和所需传感器的选型，以及在控制手爪、手腕准确稳定抓取物体的前提下能够与整体的其他部分协调控制，完成任务。为了手爪、手腕能够准确执行任务，将采用一定的控制算法以及在控制手爪、手腕前做好轨迹规划。
2.2总体控制方案设计
本次设计的智能车载机器人一体化平台系统设计需要通过控制器控制多个电机协调工作，包括对车载部分的电机、腰部电机、机械手臂电机和手爪手腕的电机的控制，本次设计的智能车载机器人一体化平台系统设计采用分级控制的思想，如图21所展示的控制框图和图22展示的反馈框图。
图 21 控制框图
由图21可以看出分级控制思想：PC机通过蓝牙传输来发送命令给总控制器，总控制器再对子控制器1和子控制器2发送命令，子控制器1和2再发送信号给驱动器，驱动器再驱动各自的电机（执行器）。图2.1中虚线框中就是我本次设计的任务：当子控制器2接收到从总控制器发送过来的命令后，经过子控制器2内部运算处理后将发送相应的信号给驱动器，驱动器再根据接收的信号控制机械手腕和手爪执行任务、完成命令。
图22反馈框图
由图22可以看出分级控制思想的反馈示意：陀螺仪在机械手腕旋转时能够实时测量其所旋转的角度并传送给子控制器，然后对角度的偏差进行比较，再通过PC机对机械臂的位置角度进行调节已达到预期值。
2.3控制系统设计
机械手腕和手爪控制系统主要由控制器、驱动器、传感器检测装置和执行机构组成。控制器主要负责协调分配各电机运动控制的执行单元，驱动器主要作用是驱动各电机工作。传感器检测装置则负责对电机转速和转角的检测并反馈给控制器，对电机的转速和转角加以修正。执行机构主要完物体的抓取和搬运等工作。控制系统功能主要包括实现电机的电流、速度、位置闭环控制，是机器人实现多关节组合和运动规划的基础。
下图为该智能车载机器人一体化平台手腕及手爪的控制系统框图：
图23 控制系统框图
由图23可以看出整个执行过程是从输入信号开始，经过偏差器到达控制器，控制器再给驱动器信号使得驱动器工作，驱动器再带动执行机构执行任务，然后得到输出信号，输出信号在经过检测装置到达偏差器，输出信号和输入信号相比较得到偏差值并传输到控制器，控制器将根据偏差值给驱动器相应的信号。最终使得输出信号无限逼近输入信号。
目 录
第一章 绪论 1
1.1机械手的发展史 1
1.2机械手研究的意义 1
第二章 总体设计方案 2
2.1总体任务分配 2
2.2总体控制方案设计 2
2.3控制系统设计 3
2.4控制方案选择 4
第三章 机械结构设计 5
3.1位姿描述 5
3.1.1方位描述 5
3.1.2坐标变换 6
3.2机械手部结构设计 7
3.3机械手腕手爪功能 9
3.4动力学分析 10
第四章 控制方案设计 15
4.1控制系统硬件设计 15
4.2驱动系统设计 15
4.2.1驱动器的选型 15
4.2.2机械手爪和手腕的电机使用 16
4.3传感系统设计 17
第五章 机械手爪手腕的调试及仿真实验 19
5.1PID控制 19
5.1.1数字PID控制 19
5.1.2 PID产数的整定 19
5.2运动学分析 20
5.3机械手爪手腕的仿真实验 21
5.4机械手爪手腕的斜坡抓取实验 22
结束语 24
致 谢 25<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
br /> 参考文献 26
附录 27
第一章 绪论
1.1机械手的发展史
在机械化，自动化生产过程中逐渐发展起来的一种新型装置就是机械手。它是机器人的一个重要组成部分。它的特点有通过编程来完成各种命令和预期的任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用[1]。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务[2]。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。
1.2机械手研究的意义
工业机械手对于社会生产的各个方面都有重要的意义。在传统的制造业中，如汽车制造业、电器制造业、机械制造、采矿、冶金、化工石油等领域；以及现代技术中的核能、航空航天、医药、生化等科技领域，工业机械手都发挥着举足轻重的作用[3]。在今后的生活中必然是机械手逐渐取代人类去完成精度较高、具有一定危险的活动，机械手也必定会为人类做出更多的贡献。工业生产中，生产作业劳动量大，该平台的机械手可以提高生产效率，减轻人工劳动强度，手爪可以用来搬运物件，夹持工件等。要求抓紧力度要足够，且有可靠的控制装置，不仅能夹持，也能控制夹持的力度，以实现对工件的夹持以及不对工件造成损害[4]。要求手腕能够灵活转动，使夹持的工件被准确地运到目标点。作为工业机器人的重要分支机械手的发展具有十分重要的研究意义。其次，工业机械手的应用减轻了劳动强度、可提高产品的加工精度、减少危险性生产，尤其是一些危险性大的行业生产中应用较为广泛。
总体设计方案
2.1总体任务分配
根据机器人运动控制的高精度及高稳定度的性能要求，设计开放性强、人机界面友好的智能车载机器人一体化平台，以满足对机器人多电机协同控制性能进行全面调试的需求，这是本次设计小组要达到的目标。本次设计的智能车载机器人一体化平台系统包括上位机、下位机系统的设计、车载部分的设计以及手臂部分的设计和手爪手腕的设计；我在本次设计中承担着完成手腕、手爪部分的设计的任务，包括手爪手腕的电机和所需传感器的选型，以及在控制手爪、手腕准确稳定抓取物体的前提下能够与整体的其他部分协调控制，完成任务。为了手爪、手腕能够准确执行任务，将采用一定的控制算法以及在控制手爪、手腕前做好轨迹规划。
2.2总体控制方案设计
本次设计的智能车载机器人一体化平台系统设计需要通过控制器控制多个电机协调工作，包括对车载部分的电机、腰部电机、机械手臂电机和手爪手腕的电机的控制，本次设计的智能车载机器人一体化平台系统设计采用分级控制的思想，如图21所展示的控制框图和图22展示的反馈框图。
图 21 控制框图
由图21可以看出分级控制思想：PC机通过蓝牙传输来发送命令给总控制器，总控制器再对子控制器1和子控制器2发送命令，子控制器1和2再发送信号给驱动器，驱动器再驱动各自的电机（执行器）。图2.1中虚线框中就是我本次设计的任务：当子控制器2接收到从总控制器发送过来的命令后，经过子控制器2内部运算处理后将发送相应的信号给驱动器，驱动器再根据接收的信号控制机械手腕和手爪执行任务、完成命令。
图22反馈框图
由图22可以看出分级控制思想的反馈示意：陀螺仪在机械手腕旋转时能够实时测量其所旋转的角度并传送给子控制器，然后对角度的偏差进行比较，再通过PC机对机械臂的位置角度进行调节已达到预期值。
2.3控制系统设计
机械手腕和手爪控制系统主要由控制器、驱动器、传感器检测装置和执行机构组成。控制器主要负责协调分配各电机运动控制的执行单元，驱动器主要作用是驱动各电机工作。传感器检测装置则负责对电机转速和转角的检测并反馈给控制器，对电机的转速和转角加以修正。执行机构主要完物体的抓取和搬运等工作。控制系统功能主要包括实现电机的电流、速度、位置闭环控制，是机器人实现多关节组合和运动规划的基础。
下图为该智能车载机器人一体化平台手腕及手爪的控制系统框图：
图23 控制系统框图
由图23可以看出整个执行过程是从输入信号开始，经过偏差器到达控制器，控制器再给驱动器信号使得驱动器工作，驱动器再带动执行机构执行任务，然后得到输出信号，输出信号在经过检测装置到达偏差器，输出信号和输入信号相比较得到偏差值并传输到控制器，控制器将根据偏差值给驱动器相应的信号。最终使得输出信号无限逼近输入信号。
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