毕业设计(论文)-模块化机器人设计(15页).docx
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1、-毕业设计(论文)-模块化机器人设计-第 15 页模块化机器人设计摘要如今,机器人的发展突飞猛进,机器人服务已经覆盖了人们生活、工作、娱乐的方方方面。随着人类的需求的不断增加,对机器人领域的探索也越走越远,机器人模块化技术已在各个领域的产品研究和开发中广泛应用。于传统机器人相对比,模块化机器人柔性更好,自修复能力强柔性高,且容错性强、成本较低。模块化结构较简单,便于加工,各模块能互相替换,组装快捷简便。由于模块化机器人结构和功能的可重组性,对任务和环境有很强的适应能力。采用模块化技术,有利于机器人的维护和保养,缩短了机器人设计的时间。因此,本文将采用模块化的方法开发一种新机器人系统,希望有利于
2、改善目前机器人控制复杂、通用性差和操作繁琐等问题。本文一共分为六个部分,第一部分绪论主要概括模块化机器人的研究背景、意义和国内外模块化机器人研究现状,第二部分探讨了机器人模块化的设计原理和方法,第三部分主要讨论了机器人控制系统设计,第四部分分析机器人主从控制策略。第五部分概述了机器人构型,最后进行了小结。关键词:机器人;模块化;系统设计;构型AbstractNowadays, the development of robots is advancing by leaps and bounds. Robot service has covered all aspects of peoples l
3、ife, work and entertainment. With the increasing demand of human beings, the exploration of robot field is more and more far away. Robot modularization technology has been widely used in product research and development in various fields. Compared with the traditional robot, modular robot is more fl
4、exible, self repairing ability, high flexibility, and good fault tolerance and low cost. The modular structure is simple, easy to process, each module can replace each other, and the assembly is quick and easy. Because of the reconfiguration of modular robot structure and function, it has a strong a
5、daptability to task and environment. Modular technology is beneficial to the maintenance and maintenance of robots, and shortens the time of robot design. Therefore, this paper will use modular method to develop a new robot system, in the hope of improving the complexity of robot control, low univer
6、sality and tedious operation. This paper is divided into six parts, the first part is the introduction mainly summarizes the modular robot research background, significance and research status quo of inside and outside of the modular robot, the second part discusses the design principle and method o
7、f modular robot, the third part mainly discusses the design of robot control system, the fourth part of the analysis of the master-slave robot control strategy. In the fifth part, the configuration of robot is summarized, and finally a brief summary is made.Key words: robot; modularization; system d
8、esign; configuration目 录摘要1Abstract2第一章 绪论41.1研究背景及意义41.2国内外研究现状4第二章 机器人模块化设计原理及设计方法52.1模块的划分52.1.1模块化思想概述52.1.2模块划分原理62.2模块化设计方法62.3随遇平衡的实现72.3主机器人模块82.3.1 I模块82.3.2 T模块92.3.3 应用模块化方法的效果103.1控制系统硬件设计103.2单片机最小系统模块113.3 CAN通信模块设计113.4控制器设计12第四章 机器人主从控制策略124.1从机器人系统搭建124.2同构型主从控制策略134.3镜像同构型主从控制策略14第五
9、章 机器人构型16第六章 结论18参考文献19第一章 绪论1.1研究背景及意义 机器人结构不同,通用性也不一样。研究模块化机器人的意义,主要是为了改善机器人的通用性,因此要设计出改变构型后能完成任务的机器人。模块化机器人可以在不同的任务要求、工作环境下,通过改变自身仅有的几种模块的连接顺序或方式而获得多种不同构型的机器人系统。这些不同的构型之间可以通过简单地改变模块之间连接顺序就可以相互转化。这种组合并不是简单的机械装配,参与的各个模块都是一种集通信、控制、驱动和传动为一体的单元,使组合成的系统满足不同的工作环境或不同的任务要求。相比传统机器人,模块化机器人具有柔性高、容错性强和自修复能力强、
10、成本低等优点。模块化结构简单,易于加工,各模块之间可以相互替换,实现快速组装。因此,本文将采用模块化的方法研究开发一种新型主机器人系统,以解决目前主机器人通用性差、控制复杂和操作不直观等主要问题。1.2国内外研究现状国内外学者在模块化机器人方面的研究成果较丰富,尤其是国外,很多机器人系统已经商业化了,如瑞士的Omega 7.0机器人,法国的MPB Techn机器人,美国研发出的phantom Desktop,以及gies公司生产出的Freedom6S机器人和Haptic Technologies公司开发的Excalibur机器人等。早先研发出的这些机器人在构型上都是固定的,比较死板,无法按照任
11、务要求在构型上作出相应的变化;机器人的自由度完全是固定的,不利于保证主从控制的实时性与稳定性;当实际任务发生改变时,由于主机器人无法胜任工作,必须重新研发其他机器人,造成成本和工作量的增加。可见,主机器人的通用性问题是研发机器人要解决的重要问题。21世纪以来,国内一些机器人研发部门对模块化机器人展开了深入研究,其中工业机器人的研究最多。张玉华(哈尔滨工业大学机器人研究所)认为可以研发一种模块化可重构的机器人系统,有利于模块迅速组成多种阵列网格式的整体构型,使模块化机器人整体结构既有阵列式特点,又有串联式的特点;张玉华采用相对方位矩阵来阐释模块间的相对关系以及模块的周围环境,建立了模块化机器人各
12、个模块的运动规则库。赵广涛(清华大学)提出了一种新的可重构机器人的单元组合模块理论,对机器人的摆动、旋转这两个关节进行了设计,研发出了摆动模块和旋转模块,巴东模块有独立的结构,旋转模块有运动功能,设计出的辅助模块可以完成整体组合结构的重构,降低了设计和分析模块化机器人的难度。刘金国(沈阳自动化研究所)一种模块化链式移动机器人结构,提出了基于组合计数原理的递归算法,用于多模块变形机器人的非同构构形计数。李树军(东北大学)也探讨了一种模块化可重构工业机器人,设计了三大类模块关节模块、连杆模块和辅助模块,并采用基于指数坐标的运动学求解方法。可以看出,模块化工业机器人还主要处在研究和起步阶段,模块化机
13、器人的应用也主要是针对一些高端领域,主要集中于一些大学及研究所的科研领域的研究,儿乎没有工业生产方面的应用。模块化机器人所具备的灵活性、对环境的强大适应性以及工作范围的可扩展性,必然会成为未来工业机器人领域的一个主要趋势,尤其是随着人类对外太空等一些人类无法到达领域的涉足,就更需要比传统机器人更优越的机器人来取代人类进行探索。第二章 机器人模块化设计原理及设计方法2.1模块的划分2.1.1模块化思想概述模块化思想并不是一个新颖的概念,最早被称为积木拼搭方式,所谓积木拼搭系统,就是把标准化的部件拼装组成一个装置或一个系统,用组件批量生产来降低成本,用互换性来改善维修保养性能,同时提高系统的柔性。
14、模块设计思想利用到工业机器人设计中可以缩短产品的开发、生产周期,降低生产成本,提高设计的重复使用性,增加系统的可靠性,同时可以根据客户的需要对系统进行合理的配置,以不满不同的市场需求,模块与系统之间存在以下几个方面的关系:一是模块具有独立的功能,二是模块的功能需要在整体系统中得以实现,三是模块具有标准的可速配的输入输出接日,尺寸上的连接分离装置是必须的,此外信息、能量等输入输出接口也是实现整体系统功能所必需具备的。 模块化工业机器人中的模块是一个个相互独立的机械功能模块单元,模块之间可以实现快速的连接和分离,每个模块都是一个集通信、控制、驱动、传动为一体的单元,模块之间允许动力和信息的输入并且
15、可以通过该模块输入到其他相邻的模块。同时,构成模块化机器人的模块需具备以下几个功能特性:一是每个模块都应该可以独立完成某一特定的功能,相互之间彼此独立,这样就可以减小整机系统模块之间的关联性,使机器人的设计和加工更加快速有效;二是当模块分为主动模块和被动模块时,每一个主动模块都应该具有单独的控制和驱动系统,并且可以驱动被动模块完成特定的机械动作;三是各模块之间可以方便地组合装配,不仅要保证机械连接能够快速有效,同时还要保证相互之间可以实现电气、信息、能量等方面的传输;四是各个模块在动力学、运动学上也应具有独立性,机器人的祸合性非常强,应尽可能保证模块在运动学和动力学上的独立性。2.1.2模块划
16、分原理模块的划分及创建原理有两种,一种是基于功能分析的模块创建原理, 一种是基于相似特征聚类的模块创建原理。基于功能分析的模块创建原理,主要对产品进行功能分解,建立功能层次模型,然后在该模型基础上结合模块划分中的功能独立、结构完整等原则进行模块的划分。2.2模块化设计方法进行模块化设计时,首先必须进行模块分解,按照一定的标准将系统分解成若干模块,然后以模块为基本单元进行构型设计。因此,模块划分的合理性对模块化系统的性能、外观以及模块的通用化程度和成本都有很大影响。模块的划分方法有很多,比如按物理功能划分(例如机械、电气、软件等)、按制造方式划分、按系统的组成结构划分等,不同的划分方法得到的模块
17、化系统截然不同。机器人系统作为一个综合控制、电子、机械、软件等多领域的复杂的机电系统,以机械结构为依据分解系统是一种理想的模块化方法。通常,模块化产品的构成模式可用一个简单的公式表达:系统=通用模块(不变部分)+专用模块(变动部分)。要到达目标并操作以完成任务,机器人系统一般具有移动和作业两个基本的功能。机器移动是由驱动器带动适当构型的关节结构实现的,而作业功能通常是由所谓的执行器完成。 考虑到主机器人结构和功能的特点,结合上面描述的模块化分解方法,我们把主机器人分解成关节模块(即通用模块)和功能模块(即专用模块)。分析转轴与自身轴线之间的关系,可知运动构型中包括两种基本的关节:回转关节和摆动
18、关节。回转关节的转轴与自身的轴线重合或平行,称之为I关节。摆动关节的转轴与自身轴线垂直,称之为T型关节。关节模块就包括I关节模块和T关节模块,这两种模块都拥有单一自由度。功能模块可以根据实际需要设计,这里设计有手柄模块。根据模块化的要求和主机器人的结构功能要求,模块化主机器人的设计应遵循以下的原则: (l)舒适性。(2)独立完整。 (3)质轻紧凑。(4)简易互换。(5)准确性。(6)模块种类精简。根据以上的原则,本文设计了两种自由度单转动的关节模块,即I模块和T模块,作为基本模块,还有功能模块,即操作手柄(H模块)。应用这两种关节模块可以灵活地构建多种主机器人本体,再加上一个或两个手柄模块,可
19、以方便地控制多种从机器人系统。2.3随遇平衡的实现在操作过程中,随着主机器人位姿的变化,各关节所支撑的结构的质心位置跟随着变化,由此产生的重力矩的大小也不断发生变化,会使机器人部分或者整体有向下倾斜的趋势。因此在设计时要保证主机器人达到随遇平衡,即当不受外力的作用的时候,能够克服自身的重量,在任何位置和姿态都能保持静止状态。 为了研制结构简单、控制简单、操作性能好、低成本且能实现完全平衡的主机器人,本课题采用增大关节阻尼的方式,在关节模块内安装缓冲器,缓冲器具有恒定阻尼,且产生的反力矩约等于主机器人在极限位置时的重力矩,从而实现系统的随遇平衡。 以常见的5自由度的操作臂构型为例,校核缓冲器的扭
20、矩。机器人的构型中,两端分别为基座和手柄,中间是3个转动轴互相平行的T所示,主机器型关节串接,两端与T型关节串之间分别通过l个I型关节连接.其构型如式(2一l)所示:B-I1T1T2T3I2-H (2一l)式中,B表示基座,H表示手柄,T表示T型关节模块,I表示I型关节模块,土和日分别表示相邻的2个关节模块转轴之间的垂直和平行关系。图2-2-a)是主机器人的构型图,图2-2-b)是主机器人的实物图。最大负载时的结构是当Tl关节转角为90。,后续关节“一”摆开时,TI关节受到的扭矩最大。图2-2最大负载时的结构图通过计算得Tl往后的结构的质量为m=604.139,重心的位置为X=一4.97mm,
21、Y=-0.42mm,z=180.08,力臂长为=180.15mm,则Tl受到的扭矩为M=mgL=1 .07Nm。我们选用扭矩恒为INm的缓冲器,因为这是机器人的极限位置,基本上不会到达这个极限,所以扭矩也是小于该极限值,再加上关节摩擦力,可以使机器人保持随遇平衡的同时,保证操作的舒适性。选用的缓冲器是FUJI公司生产的单向摩擦式缓冲器,图2-3显示了两种关节模块分别选用的缓冲器,考虑到安装的方便,两种缓冲器的结构有所不同,I模块选用的缓冲器的安装方式是通过凸台与模块中的凹槽配合实现的,这样是由I模块的转动轴与结构轴线重合以及径向尺寸有限决定的;而T模块选用的缓冲器的安装方式则是通过单边法兰固定
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