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机器人系统的详细设计
发布日期:2014-12-29 12:37:15 浏览次数: 字体大小:
(1)机器人的控制系统设计。首先根据总体的功能要求选择合适的控制方案。例如,对于仿人机器人的控制系统设计,有两种控制方式:集中式和分布式。设计者根据已有的技术和以往的经验,选择其中的一种。然后根据控制方...
(1)机器人的控制系统设计。
首先根据总体的功能要求选择合适的控制方案。例如,对于仿人机器人的控制系统设计,有两种控制方式:集中式和分布式。设计者根据已有的技术和以往的经验,选择其中的一种。然后根据控制方案设计或者选择控制硬件。例如,对于爬壁机器人上位机的选择,可以采用工控机,也可以采用笔记本计算机。追求可靠性常采用工控机,追求轻小、便携性常采用笔记本计算机,甚至集成专用数字控制器。如果需要设计机器人感知系统,就需要选择合适的传感器。在这一阶段,如果条件允许,可以搭建简单的控制实验系统,对控制方案进行论证和熟悉编程环境;把传感器简单地连接在控制硬件上对传感器进行标定等。
根据控制方案,选择驱动方式。根据负载要求选择液压、气动或电动作为机器人的驱动方式。如果选择电动,需要进一步选择伺服电机、步进电机或普通电机等。根据现场条件和机器人上能提供的电源类型,选择交流电机或直流电机。工业机器人常采用交流电机,移动机器人常采用直流电机。确定电机之后,选择相应的驱动器。很多电机厂商提供电机的同时,还提供配套的驱动器。随着电子技术的发展,市场上出现了很多可直接编程的驱动器。可直接编程的驱动器用在电脑直接连接驱动器和驱动器与控制器控制位置较远的情况比较合适,其他情况下,不建议选择这种驱动器。建议根据需要控制电机的数目、种类、传感器输出信号和I/O端口数来选择控制器。
移动机器人上的电机、驱动器、控制器通常需要3~48 V的直流电源,所以还要考虑直流电源的供给是采用电池还是有线电缆的方式。
(2)机器人的机械设计。
机器人的机械设计与一般的机械设计相比,许多方面是类似的,但是也有不少特殊之处。
首先,从机构学的角度来分析,机器人的机械结构可以是由一系列连杆通过旋转关节和移动关节连接起来的开式空间运动链,也可以是类似并联机器人的闭式或混联空问运动链。复杂的空间运动链机构使得机器人的运动分析和静力分析复杂化,两相邻连杆坐标系之间的位姿关系、手臂末端执行器的位姿和各关节量之间的关系、末端执行器上的受力和各关节力矩或力之间的关系等,均不是一般机构分析方法能解决的,而要建立一套针对机器人的空间链机构的运动学、静力学和动力学分析方法。末端执行器的位置、速度和加速度与各关节驱动力矩(或力)之间的关系是动力学分析的主要内容。在手臂开式运动链结构中,每个关节的运动受到其他关节运动的影响,作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂的形位变化而变化,在高速情况下,还存在不容忽视的离心力和哥氏力的影响,因此严格地说,机器人是一个多输人多输出、非线性、强祸合、位姿时变的动力学系统,动力学分析方法十分复杂。因此,即使经过一定程度的简化,也需要区别于一般机构的专门的分析方法。
其次,机器人的链结构形式比一般机构来说,虽在灵巧性和空间可达性等方面要好,但是由于链结构相当于一系列悬挂杆件串联或并联在一起,机械误差和弹性变形的累积,使机器人的刚度和精度大受影响,也就是说,这种形式的机器人在运动的传递上存在先天性的不足。一般机械设计主要是强度设计,机器人的机械设计既要满足强度要求,更要考虑刚度和精度的设计。
再次,机器人的机械结构,特别是关节传动系统,是整个机器人伺服系统中的一组重要环节,因此,机器人的机械设计具有机电一体化的特点。比如,一般机械对于运动部件的惯量控制只是从减小驱动功率来着眼的,而机器人的机械设计需要同时从机电时间常数,提高机器人快速响应能力这些角度来控制惯量。再如,一般的机械设计中控制机械谐振频率是为了保证不破坏,而在机器人上,是从运动的稳定性、快速性和轨迹精度等伺服性能角度来控制机械谐振频率的。
此外与一般机械相比,机器人的机械设计在结构的紧凑性、灵巧性以及特殊要求等方面,有更高的要求。
机器人的机械设计包括末端执行器、臂部、腕部、机座和行走机构等的设计。机器人的设计不但要实现一定的机械功能,还应该具有“人”的功能。人的智能是多少年来科学家们一直追求的目标,但是,不能忽视人的美感—匀称、和谐和线条美,这些也是设计者所追求的。在机械强度、刚度和成本允许的情况下,应尽可能使机器人美观大方。
机器人机械设计过程中,采用模块化设计会大大缩短研制周期。机器人跟人一样,有胳膊(机械手臂)和腿(移动机器人的行走机构),如果某一模块坏了,可以更换,甚至可以不影响其他模块功能的发挥。模块化设计可以使整个机器人的设计采用并行设计,从而大大缩短设计和加工的时间,也为机器人的调试、维护和检修带来便利。
机器人设计过程中最主要的设计问题之一是传动系统设计。机器人的传动系统除采用齿轮、链轮、涡轮蜗杆和行星齿轮外,还广泛采用滚珠丝杠、谐波减速装置和绳轮钢带等传动装置。如果机器人的成本允许,传动系统应避免设计者自己加工制造,尽可能采用知名厂家成熟的传动产品。传动装置并不能认为只是一个简单的机械装置,它是在机器人的设计中一个很重要的环节,传动的好坏直接影响到最后的控制性能。现在有些电机生产厂商(如Maxon)把传动系统和电机做成一体,对于研制批量小、传动精度要求高、经费允许的机器人,建议采用此种方式。
在详细设计各个系统的零件图和装配图之前,最好能够使用Pro/E、UG或者Solidworks等软件建立三维实体模型,并在计算机上进行装配,然后进行运动学仿真,检查是否存在干涉和外观上的不满意。如果条件允许,在加工制造之前,使用Adams等软件进行动力学仿真,以发现更深层次的问题。
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