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)5/60164 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为驱动元件，它们采用自控变频方式实现变频调速。

（=）三环伺服控制结构。

针对搬运机器人负载变化大、环境干扰强的特点，伺服系统设计除了要考虑稳态和动态性能外，还需特别考虑抗扰性能。

本机器人伺服系统采用了位置、转速、电流三环控制结构，如图= 所示。

三环系统可获得优良的稳态和抗扰性能，但要求外环截止频率低于内环截止频率，这使外环响应速度受到影响。

解决的办法是采用新型电力电子器件，提高内环的截止频率，使系统既可得到较好的快速性，又可获得很好的抗干扰能力及稳定性。

（?）伺服系统组成特点。

搬运机器人交流伺服系统主要由位控板、伺服放大器、伺服电机FG、光电编码器HI 及JK 减速器组成。

图! 中伺服电动机"# 采用了日本安川!系列永磁式同步电机，它除了具有无刷电机的优良特性外，还具有轴向尺寸短，允许的负载惯量大的优点，特别适用于机器人。

光电编码器$% 为靠电池记忆角位置的特殊的绝对式编码器，它担负着检测电机旋转速度和位置的任务，和电机同轴安装，其分辨率按各关节角控制精度选择。

采用间接驱动，通过减速器，可得到比伺服电机的输出力矩大得多的力矩以驱动关节运动。

搬运机器人各关节均采用56 减速器，它除了具有同轴线、响应快、回差小、转矩大、结构紧凑、效率高等优点外，还具有刚性好、转动惯量小的特点。

伺服放大器采用和!系列电机配套的7%89 : $;# 变频器，其功率元件为绝缘栅极双极型晶体管，具有驱动功率小、开关速度快和饱和压降低的优点，是新型的电力电子器件。

位控板的主要功能是接收控制级发出的各种运动控制命令，根据位置给定信号及光电编码器的反馈信号，分时完成各个关节角的误差计算、伺服控制算法的计算及<= > 转换，并将模拟量速度给定信号提供给伺服放大器，从而完成对? 个关节的位置伺服控制。

位控板是以<"$ 芯片为核心集成的可编程多轴控制器，实为一台用于位置控制的实时多任务专用计算机，它借助<"$ 高速的信号处理和运算能力，可同时操纵多轴运动，并实现复杂的控制算法，获得性能优良的伺服性能，并使多轴伺服系统更趋小型化。

位控板插在总线槽上，它和控制级计算机之间采用总线并行通讯。

和串行通讯相比较，总线通讯速度快，操作简单，数据传送可靠，几乎可以不使用任何校验就能够高速、准确无误地传送数据，这在机器人这类高度复杂的控制系统使用中显得十分重要。

! 伺服系统参数设计由于搬运机器人各关节负载情况不同、惯量不同，对其运动速度的要求不一，而关节式机器人的运动是靠各个关节协调动作的，任何一个关节伺服性能都将直接影响机器人本体及末端的定位精度和运动的平稳性。

因此伺服系统的性能至关重要。

（@）电流环参数设计。

电流环设计主要考虑电流的跟随性能，按典型!型系统设计，使电流环阶跃响应无超调，保证运行的平稳性。

为使外环有较大的截止频率，须尽可能提高电流环的截止频率。

因功率元件采用了新型的7%89 器件，其快速开关的优点使电流环时间常数大大减小，从而可提高电流环增益，即提高了电流环的截止频率。

（!）速度环参数设计。

综合考虑跟随和抗扰性能，速度环按典型"型系统设计。

设计的主要参数是速度环增益和积分时间常数。

速度环增益的调节原则是在不引起机械振荡的条件下，尽可能提高速度环增益以改善速度环响应速度。

如果负载惯量大或机械系统中有刚性较差的部件，为避免机械振动，需增大速度环积分时间常数，以下经验公式给出了设计指导：）式中，为速度环积分时间常数（#），$"为速度环增益（$%）。

（"）位置环参数设计。

位置环作为最外环，决定了伺服系统的快速性及稳态性能，为了获得优良的性能，位置环采用了&’( 反馈调节和速度前馈、加速度前馈的复合控制方案，位置环结构如图" 所示。

图" 中比例（&）调节可改善系统的刚度，微分（(）调节可改善系统的稳定性，而积分（’）调节可消除位置静差。

速度前馈则用于减少由阻尼引起的跟踪误差，加速度前馈用于减少或消除由系统惯量引起的跟踪误差。

复合控制为实现高性能位置伺服创造了条件。

通过阶跃响应实验，并综合各项性能指标，可得到满足要求的参数。

实践表明，将位置环阻尼比调整为8 , 989，可使阶跃响应几乎无超调，系统响应速度较快，且无静差。

图" 中凹口滤波器为一种抗谐振滤波器，用于抵抗物理系统谐振。