多关节机器人通用体系结构的研究

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《机床与液压》20051No 12

多关节机器人通用体系结构的研究

汪木兰

1, 2

3

, 张崇巍, 饶华球, 张思弟

122

(11合肥工业大学电气工程与自动化学院, 合肥230009; 21南京工程学院, 南京210013)

摘要:结合一个五自由度教学工业两用型机器人应用实例, 构造出多关节机器人通用体系结构, 包括总体原型、机械

结构、关节传动链、伺服驱动元件、电气控制系统、关节坐标系及其运动学方程、通信协议和软件设计思路等。通过实际使用表明, 本文提出的通用体系结构是实用的、合理的。

关键词:多关节机器人; 体系结构; 电气控制系统; 运动学中图分类号:TP242　　文献标识码:A 　　文章编号:1001-3881(2005) 2-060-3

Research on Genera l System Structure of M ulti -jo i n t Robot

WANG Mu 2lan , Z HANG Chong 2wei , RAO Hua 2qiu , Z HANG Si 2di

(11School of Electrical Engineering and Aut o mati on, Hefei University of Technol ogy, Hefei 230009, China;

21Nanjing I nstitute of Technol ogy, 210013, Abstract:The general system structure of multi -j oint r obot was r obot exa mp le used f or educati on and industry . The syste m includes general type, oint drive component, electrical contr ol syste m, j oint coordinate and kine matic s w are design thoughts, etc . result de monstrates that the above p Keywords:Multi -j r contr ol syste m; Kine matics

The app licati on

1, 2

1

2

2

　　自从20世纪, 100万台, 并且还在以更快的速度递增。另外, 机器人的应用领域也从

[1, 2]

制造业拓宽到了非制造业———特种机器人。这一切都说明了机器人的广泛应用已成为不争的事实。

机器人的研究、开发和应用涉及到许多学科, 机[3, 4]

器人学是一门跨学科的综合性技术。多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、模式识别、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能、仿生学、微机电系统以及计算机集成制造系统(C I M S ) 等学科都与机器人技术有着密切的关系。正是由于技术的这种复杂性导致了机器人形式多种多样, 有些学者还为此研制出相应的“机器人选

[5]

择综合决策支持系统”。

本文试图根据现有机器人的结构形式构建出多关节工业机器人的通用体系结构原型, 为机器人设计、制造和使用提供技术支撑。1　总体设计

工业机器人的总体结构类型可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节型四种。其中, 由于关节型结构动作灵活, 操作机占地面积小, 具有较大的操作空间, 应用比较广泛, 因此, 本文也主要以多关节工业机器人作为研究对象。

从通用体系结构的角度来看, 多关节机器人应该由机器人执行机构(操作机) 、电气控制系统、作业环境以及人机接口等部分组成, 如图1所示。2　

通用结构设计

图1　多关节机器人总体原型

　　机器人操作机运动构件一般使用高强度铝合金材

料制成, 目的是为了减小运动部件质量, 并尽量提高刚度, 少数场合也使用碳纤维材料, 但成本较高。

在机器人中从驱动元件到各个关节之间常常设计有机械传动链, 并且一般通过连杆机构和运动部件相连。在驱动元件的电动机上, 其输出轴一般联接行星齿轮类减速器, 假设减速比为n (n >1) , 则输出力矩增大了n 倍, 而折算到电动机轴上的负载转动惯量要

2

除以n , 这有利于提高驱动系统的动力学性能。常用的减速器有正齿轮、锥齿轮和谐波齿轮等。当传动链较长时还经常采用齿形带传动、低摩擦链传动和钢丝绳传动等。

机器人中驱动元件安装方式分关节直接驱动和集中式间接驱动。前者直接安装在关节上, 比较麻烦, 不太美观, 但没有关节运动诱导现象; 而后者集中安装在机器人某个空间位置, 布局比较合理、结构优化, 但存在关节运动诱导行为, 必须通过控制软件进行适当补偿。

在自行研制的五自由度(腰、肩、肘、摆腕、旋腕) 教学工业两用型多关节机器人(NGR01) 中

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基金项目:江苏省高校自然科学研究基金资助项目(99KJB460006)

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速度和加速度。

采用了集中驱动方式, 如图2所示。图中1为旋腕减速器, 2为摆腕减速器, 3为腰座, 4为上臂减速器, 5为前臂减速器, 6为电动手指, 7为手腕, 8、10、11、15、16、17为齿形带轮, 9为套, 12、14为齿轮, 13为霍尔开关, 18为胀紧轴。可见, 机器人操作机以腰座为独立基础单元, 其余关节机构及传动装置均置于腰座之上, 各驱动元件(含减速箱) 集中置于下臂关节下方或后方以减少自重倾覆力矩和运动惯量, 并且结构紧凑, 便于电气布线。各自由度分别由电动机经谐波齿轮1∶100减速后经齿轮和齿形带传

动实现旋转。

3　, 基于上述思路CP U 并行工作方式的电气控

[6]

制系统, 如图3所示。图中第一级计算机选用工业级嵌入式PC 机, 主要完成机器人路径规划、正向运动学和逆向运动学的计算, 然后把计算结果通过RS

-232C 串行口送给下一级计算机。第二级计算机一

方面接收到PC 机下发的命令信息(如示教方式、自动方式、状态查询等) 或各关节旋转角度数据后, 立即转发给下一级计算机执行; 另一方面它还具有独立的下位机手动示教键盘接口功能。第三级计算机通过内部并行数据总线和握手信号按约定的逻辑关系进行数据通信, 它主要接收上一级计算机发来的命令和

图2　NGR01型多关节机器人总体结构

具体的传动链如下:肩关节:减速箱5———齿轮12———肩关节肘关节:减速箱4———齿轮14———齿形带轮16———齿形带———齿形带轮8———套9———肘关节

摆腕关节:减速箱2———齿形带———齿形带轮11———齿形带———齿形带轮10———齿形带———摆腕

旋腕关节:减速箱1———齿形带———齿形带轮15———齿形带———齿形带轮17———齿形带———旋腕3　通用电气控制系统设计

机器人电气控制系统结构一般都是多CPU 并行工作的分级控制方式, 可以配有专用控制语言或通用的高级语言、汇编语言等。

机器人中的驱动元件一般采用交流伺服电动机, 但对于性能指标要求不太高的场合也可以采用步进驱动系统; 对于重型或要求防爆的喷漆机器人, 也可以采用电气液压驱动系统; 对于要求快速动作的冲压上、下料机器人, 经常采用气压驱动方式。

机器人运动轨迹可分为点位控制方式、轮廓控制方式和柔顺控制方式, 但无论哪一种类型都是要求控制机器人末端作用器的位姿(位置和姿势) 、轨迹、

数据, 然后控制对应关节电动机旋转相应的角度, 驱动机器人手指到达所要求的位置。

4　关节坐标系及其运动学方程

根据机器人各个关节坐标系和广义连杆四参数(d i 、a i -1、αi -1、θi ) 的定义, 当上臂和前臂处于水平状态时, NGR01型五自由度多关节机器人运动学坐标系如图4所示, 图中X 0Y 0Z 0是固定基坐标系, X 1Y 1Z 1是腰关节坐标系, X 2Y 2Z 2是肩关节坐标系,

X 3Y 3Z 3是肘关节坐标系, X 4Y 4Z 4是摆腕关节坐标系, X 5Y 5Z 5是旋腕关节坐标系, noa 是机器人末端作用器

位姿坐标系。

图4　NGR01型机器人运动学坐标系

现将机器人各关节连杆变换矩阵相乘, 求得其末端作用器的位姿矩阵, 整理得:

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n x

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o x o y o z

a x a y a z

p x p y p z

T 5=

n y n z

=

C 12C 345S 12C 345

000+S 12-C 12S 345-C 1200

-S 12S 345-C 3450

a 3C 12C 34+a 2C 12

C 3a 3S 12C 34+a 2S 12C 3

-S 3450

-a 3C 34-a 2S 3

1

式中:C 12—cos (θ1+θ2) , 以此类推; 　S 345—sin (θ3+θ4+θ5) , 以此类推。

可见, 在处理NGR01型机器人正向运动学时,

θθθθ只要将各关节旋转的角度[θ1、2、3、4、5]代

入上式中右边表达式, 就可求得末端作用器位姿。反之, 对于逆向运动学来讲就是已知上式中左边表达式末端作用器位姿, 值。显然, 是一个多解问题, 5　当采用多CPU , CP U 之间的通信问题非常关键, 并且要求制订相应的通信协议。对于如图3所示电气控制系统来讲, 第一级与第二级计算机之间可以采用串行通信的方式, 例如RS -232C 、RS -485等; 而第二级与第三级之间可以采用并行通信方式, 通过内部总线实现。至于通信协议要根据具体情况自行约定。例如, NGR01型多关节机器人中约定的自动工作方式下数据包(共32个字节) 格式[7]为:

学工业两用型多关节机器人的设计过程中, 获得了较好的效果, 并且已将该机器人成功应用于某小型柔性制造系统(F MS ) 和课程教学过程中。同时, 这种通用的体系结构也可以借鉴应用于柱型机器人或简单机械手等其它场合。可见, 对于多种多样的机器人来讲, 开展本文类似的通用技术研究是完全有必要的, 这既有利于机器人设计、制造和使用的标准化工作, 也有利于机器人的普及和推广应用, 具有较大的现实意义。另外, 在本文的基础上也可以进一步开展可移动机器人、特种机器人和智能机器人的通用体系结构的研究工作。

参考文献

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, (～761

2J ]1自动化学报, 2002(增刊) :96～1021

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20001

【5】李贇, 徐家球1机器人选择综合决策支持系统[J ]1

制造技术与机床, 2001(11) :16～181

【6】汪木兰, 饶华球等1NGR01型机器人电气控制系统设

计[J ]1组合机床与自动化加工技术, 2003(4) 1【7】徐开芸, 饶华球1多关节机器人实用通信系统的构建

[J ]1机床与液压, 2004(4) 1

作者简介:汪木兰(1967～) , 男, 湖北崇阳人, 合肥工业大学博士研究生, 南京工程学院副教授, 硕士, 主要研究领域为数控技术、智能控制、电力传动及自动化装置等。电话:025-83497143, [1**********]4, E -mail:mulan w776@s ohu 1com 。

由于机器人控制软件要涉及到复杂的运动学计算和路径规划, 同时还要实现各关节的实时控制, 所以选用的软件环境要有针对性。一般情况下, 复杂的运动学处理和友好的人机交互界面比较适合采用高级语言完成, 而实时在线控制较多采用汇编语言实现。这种控制软件设计方案能够扬长避短, 具有一定的通用性和代表性, 可以推广应用到类似的上下位机控制场合。为了便于高、低级语言的混合编程, 建议选用VC ++和I ntel 8086汇编语言。当然, 下位机也可以使用MCS -51系列单片机汇编语言实现各关节的控制, 而与高级语言之间的接口可以通过串行通信等方式来完成。

对于如图3所示的电气控制系统来讲, 第一级计算机采用VC ++610高级语言编程, 而第二级和第三级计算机采用了单片机汇编语言编程。6　小结

将以上通用体系结构的原型应用于自行研制的教

收稿时间:2003-12-09

超高压钢丝缠绕胶管问世

　　河北省景县远大橡塑液压配件厂研制成功了一种可广泛用于石化、机械、治金、矿山等行业的新型高压钢丝缠绕胶管, 填补了国内一项空白。

据介绍, 目前我国石化、机械、冶金、矿山等行业广泛使用的超高压钢丝缠绕胶管还大多依赖进口。这种新产品的推出为国内首创。它承受的压力高、弯曲半径小、抗疲劳性能强。产品爆发力达到了44MPa, 工作压力达110MPa, 分别比同类产品提高了25%以上。尤其是生产中采用新工艺、新配方后, 产品抗拉强度比同类产品提高了50%, 更具有耐腐蚀、耐高压、耐低温的特性, 使用寿命比同类产品高2倍以上, 更加耐用。

胡正隆

据陕西省信息中心消息