基于MATLAB的仓储机械手控制系统设计与仿真.doc

1、目 录1 绪 论11.1 前言11.2 机械手的发展历史11.3 机械手的发展趋势41.4 选题背景及课题意义42 机械手介绍62.1 机械手组成及其工作原理72.1.1 执行机构72.1.2 驱动机构82.1.3 控制机构92.2 机械手运动学分析93 机械手控制系统设计163.1 系统各环节建模163.1.1 变频器环节163.1.2 交流异步电动机环节173.1.3 速度检测环节183.1.4 转速到角位移转换环节183.1.5 位置反馈检测环节183.1.6 PI调节器184 利用MATLAB仿真204.1 软件介绍204.2 变频器参数214.3 交流异步电动机参数214.4 速度环

2、节的仿真224.5 位移环节的仿真23结 论25参考文献26致 谢27I1绪论1.1前言机械手是一种能模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，它也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能性和适应性。机械手作业的准确性和在很多环境恶劣中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：(1)它能部分的代替人工操作,实现机械化

3、作业；(2)它能按照生产工艺的要求，遵循一定的指令，按照指定的路径完成工件的传送和装卸；(3)它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，机械手的应用备受很多国家的重视，使其投入大量的人力物力来研究和应用，尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。随着机械手在制造业中应用越来越广泛，人们对其工作的精度要求也越来越高，这就需要机械手有很稳定的控制系统。为了实际机械手控制系统的设计方便，我们利用MATLAB软件

4、进行仿真模拟。仿真技术利用系统模型对实际或设想的系统进行试验研究，其应用已经扩大为产品研制的全过程，包括方案论证、设计分析、生产制造等各个阶段。MATLAB 是一种可视化的具有强大矩阵计算能力的编程语言，在工业研究、产品开发、数值分析和科学计算等工程及科学方面的教学与研究中是一个十分有效的工具。1.2机械手的发展历史 现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。 (1)国外机械手的发展历史1954年，被称为“机器人之父”的美国科学家Georgedevol取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权，该设备能执行

5、从一点到另一点的受控运动，这被认为是“机器人时代”的开始。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手，是一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1970年，机器人学界早期的改革家之一，vic

6、tor schenman在斯坦福大学演示了一种计算机控制的机械手，这就是非常著名的斯坦福机械手。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。日本国也在 1967 年开始进口机器人，当时日本经济大发展，许多企业一齐开始了对机器人的开发，日本梨山大学研制成功了SCARA水平关节结构机器人。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门

7、用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。美国生产的PUMA（美洲虎）型装配机器人有小型（200）、中型（500）和大型（700）三种。它有六个自由度，各轴均由直流伺服电机驱动，采用齿轮减速机构。控制装置采用LSI1

8、1/2 型微机，串行接口在微机与终端、外部存储器、示教盒之间建立通讯，并行接口与机器人本体控制回路相连。PUMA适用于点位式、连续轨迹式工件方向控制等多种控制方式，重复定位精度为0.05mm，动作速度可达1.5m/s,具有视觉、触觉、力觉等传感器，可以协同控制。机构具有顺应性，可以吸收装配中的水平误差和倾角误差。第三代机械手则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。近年来，机械手和以机械手为核心

9、的自动化设备在工业发达国家，尤其在日本，有了广泛的应用。由机械手与其它设备组成的生产线极大的提高了企业的劳动生产率，提高和稳定了产品质量，大大缩短了产品更新换代的周期。这些应用在很大程度是哪个激发了人们对机械手的研究和开发，它的技术也因此取得了长足的进步。80年代，人们为了让机器人技术向各行各业扩展、应用，于是有了用于社会服务。海洋开发、地下采矿、救灾抢险等领域的机器人。应用这些领域的机器人，绝大多数都是由机械手和与之对应的安装平台组成的。由于人类活动领域的不断扩大，人们对非织造业用机械手的研究空前活跃起来。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机械手的要求更高

10、，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自主规划能力等。目前，机械手技术发达的国家都在竞相开发地下机械手、医用机械手、建筑用机械手和军用机械手，并已经取得了一些卓有成效的结果。随着工业机械手研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。(2)国内机械手的发展历史我国机器人技术研究起步于70年代初期，经过30多年的发展，大致经历了三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。我国于1972年开始了研制自己的工业机器人和水下攻关计划，并取得了一定的成绩。进入八十年代后，我国机器人技术的开发与研究在政府的重视与支持下，1986年国家高技术

11、研究发展计划(863计划)开始实施，先后研制了水下机器人、机器人压路机、农林业机器人、微操作机器人等。从跟踪世界先进水平机器人技术角度出发，经过几年努力研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。 90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地。国产机器人走向实用化阶段。例如：在蔡鹤皋院士主持下，哈尔滨工业大学和沈阳自动化所设计制造HT-100A点焊机器人；1998年2月第一台上线应用于解放牌卡车的后风窗点焊，1998年5月第二台上线应用于

12、红旗轿车焊接线上。哈尔滨工业大学机器人研究所研制的便携式机器人，可实现六自由度弧焊机器人的全部功能，同时可作为通用机器人完成其它工作，可在任意位置安装。沈阳新松公司为嘉陵集团摩托车车身生产线设计制造的6公斤轻型弧焊机器人。1.3机械手的发展趋势 机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展。因此，机械手的主要发展方向如下： (1)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；(2)机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大

13、大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性；(3)机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；(4)虚拟现实技术在机械手中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。机械手的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。当然，与机械手相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机械手技术的广阔发展前景也将越来越光明

14、。1.4选题背景及课题意义机器人技术是一门最近三十多年间发展起来的科学技术，随着机器人的普及与应用领域的不断扩大，对机器人的性能要求（如实时控制、动作精度、可靠性等）也不断提高。因此，为了能快速对机器人进行运动学分析，实现机器人机构和控制器的优化设计以及规划出优化的机器人运动轨迹，研究机器人的虚拟仿真是一个重要的手段。机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制等，是一项具有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，揭示机

15、构的合理的运动方案和控制算法，从而解决在机器人设计、制造和运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能造成的事故和不必要的损失。虽然目前机械手不如人手灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、抓举重量比人手大的特点。因此，在机械工业中，机械手有以下几个意义：(1)可以提高生产过程中的自动化程度，应用机械手有利于提高材料的传送、工件的装卸等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐；(2)可以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、有灰尘、噪音及工作空间狭窄等场合中发生，而且应用机械手可以部分或全部代替人手安全的完成作业，大大提高劳动生产率，避免由于疲劳或疏忽造成的事故；(3)应用机械手代替人手进行工作可以减少人力，便于有节奏的生产，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的进行工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，目前在自动化机床和综合加工自动生产线上都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行生产。2机械手介绍 机械手以使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为： (1)按使用范围分类:专用机械手：一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”