大学机器人选修课的大作业2

《机器人技术基础》课程考核大作业一、进行课程学习考核（大作业形式）的目的：

工业机器人系统设计是专业选修课的一个理论和实践相结合的教学环节，是机械类基础课程的延伸，可以巩固和加强机械类基础课程学习和工程使用知识的拓展，可以为毕业设计和就业工作打下良好基础，其目的是：

1、通过资料查询和整理，联系生产实际，运用所学过的知识，使学生得到对课题的论证和分析、问题解决对策、自主学习、团队合作等能力的培养。

2、利用机械类的前序课知识，学会并掌握工业机器人系统设计的特点及方法，学会并掌握工业机器人系统设计中“总体方案设计”、“参数设计”、“组成机构原理和分析”、“机械结构装置设计”、“控制系统设计”等方面的一般方法和技术要求。

3、加强机械设计中基本技能的训练，如：设计计算能力，运用有关设计资料、设计手册、标准、规范及经验数据的能力，以及机械、电气系统的综合运用能力。

二、同学可以选择的课题领域：

1.玻璃、陶瓷加工业用的工业机器人

2.化学工业中使用的工业机器人

3.建筑行业使用的工业机器人

4.塑料工业中使用的工业机器人（如：装配、搬运）

5.用于包装工业的工业机器人

6.电气和电子工业中使用的工业机器人：工件搬运和存放的工业机器人

7.特殊行业使用的工业机器人（如：医疗、残疾、家庭）

8.用于金属生产和加工的工业机器人

9.用于木加工业的工业机器人：木加工行业装配和搬运的工业机器人

10.用于食品供应和加工的工业机器人：食品工业中的装配和搬运的工业机

器人

11.承担复杂机具搬运任务的工业机器人

12.搬运和托盘堆码使用的工业机器人

13.普通机械制造领域的装配和搬运作业的工业机器人

14.用于机床上下料件的工业机器人

15.用于粘接和密封的工业机器人

16.用于金属生产和加工的工业机器人

17.锻冶场所装卸的工业机器人

18.金属生产和加工业的装配和搬运的工业机器人

19.用于压铸和注模成型机装卸的工业机器人

三、设计内容和要求：

1．介绍所选工业机器人系统的组成及各部分的关系，理解其机、电组成系统的要求（包括：需求分析、功能分析和分解、功能求解和集成、设计方案的形成、方案的评价等），掌握工业机器人系统方案设计的主要进程以及各阶段的主要工作内容，初步领会工业机器人系统的设计方案及一般程序。

2．介绍工业机器人系统的总体设计的概念及一般过程，包括明确总体布局设计的内容，掌握总体布局设计的要求，以及确定主要的技术参数、总体设计图的内容。

①参数设计：根据课题所确定的工业机器人的种类、用途及生产能力，描述该机器人的总体布局、主要构件结构形式和尺寸参数、运动参数及动力参数（电机功率）。

②方案设计：根据所选机器人的主要结构的形式、性质及运动参数，阐述整机的机械

搬运机器人伺服系统的研究"

摘要为实现搬运机器人高精度位置伺服控制，采用了现代数字伺服技术，包括交

流驱动、分级控制、数字信号处理（123）、总线通讯及系统软硬件保护等新技术，使

机器人运行可靠，达到了精度高、速度快及平稳性好的控制要求。该文重点介绍伺

服系统设计方案及特点，并针对伺服系统位置环、速度环、电流环参数以及伺服周

期的确定方法进行了较为全面的讨论，最后介绍了伺服系统软硬件保护措施。

关键词机器人，交流电动机传动，伺服系统；数字信号处理

分类号43 !0

众所周知，机器人伺服系统是机器人实现高精度轨迹跟踪的关键。从机器人伺服技术

的发展趋势看，一方面，随着机器人使用范围的不断扩大，要求机器人完成的任务也呈现出日益复杂的趋势，因而对机器人伺服系统的稳态性能、动态性能及可靠性都提出了更高的要求；另一方面，现代数字伺服技术的日新月异以及123 技术日益普及，机器人伺服技术也朝着数字交流驱动方向发展，并逐步采用123 技术，从而获得快速高精度的性能指标，使机器人能够完成要求更高的复杂工作。

本文以江苏省“九五”重点科技攻关项目“工业机器人的开发和使用———搬运机器人”为背景，针对机器人的平稳、高精度及抗扰要求，阐明了伺服系统设计方案及其组成特点，介

绍了123 技术在数字伺服中的使用，并针对伺服系统位置环、速度环、电流环参数以及伺服周期的确定方法进行了较为全面的讨论。最后讨论了伺服系统的软硬件保护措施。8 技术要求及分级控制方案

搬运机器人的设计目标是研制一台通用并满足某浇铸生产线使用需求的机器人。根据

通用性及生产线需求，该搬运机器人设计为+ 自由度关节式机器人。它具有腰部回转、大臂

摆动、小臂摆动、小臂自转、腕部摆动、腕部回转等+ 个关节，能够根据生产作业安排，实时地

从保温炉中舀取铝液，为5 台压铸机服务。总体布局的规模要求机器人的工作半径达

# ’ " 6，而末端重复定位误差小于7 # 66，折合到机器人的关节角的定位误差则必须小于! " # "$%&。另外，为了保证铝液不外溢及浇铸质量，对机器人搬运过程中运行速度及姿态的

平稳性提出了很高的要求。其主要技术指标见表’。

为了使所设计的机器人达到性能指标，采用

了管理级、控制级、伺服级的分级控制方案以减轻

主控计算机的负担，减小伺服周期。机器人控制

系统如图’ 所示。

管理级主要完成对机器人系统的离线管理功

能，在机器人运作前给出本次运作所需的运行环

境，完成浇铸作业的编制、图形演示、调试和浇铸

资料的查询、故障的诊断及实时显示等功能。

控制级的主要功能是根据由位置传感器所测

得的当前位置信号，实时地进行路径规划，并将算

得的下一时刻位置给定信号发送给伺服级执行。

表’ 搬运机器人的主要技术指标

()*+, ’ (-, .)/0 12,3/4/3)5/601

64 5-, 57)012675 76*65

图

搬运机器人控制系统的结构图

B/C # ’ D60576+ 1E15,. 64 5-, 57)012675 76*65

伺服系统的主要任务是控制机器人的各个关节，按照系统要求的精度无超调地跟踪由

控制级所给出的希望轨迹。

! 伺服系统控制方案及组成特点

伺服系统是搬运机器人的执行机构，其伺服性能和工作的可靠性对机器人的整体工作

性能起着决定性的作用。

（’）交流驱动。

交流驱动是近年发展最快的驱动方式，因其具有节能、体积小、重量轻、抗恶劣环境能力强、坚固耐用、可靠性好、并具有和直流伺服驱动相媲美的调速性能等特点，有取代直流驱动

的趋势［?］。本机器人所有关节，均采用了目前使用前景最为看好的永磁式同步无刷电机作