机电一体化 机械臂部分总结

第一篇：机电一体化 机械臂部分总结

1机械臂设备的工作原理

研究所使用的机械臂设备是固高科技(深圳)有限公司自行研究、开发的一款高性能二自由度串联机械臂系统(GP．8．200．sv)，它可进行简单的二维图形的绘制，机械臂实体图如图1所示。该机械臂采用交流伺服电机作为驱动源，通过行星齿轮减速器直接驱动两个运动关节，与电机耦合的增量式光电编码器对机械臂的两个控制轴进行位置定位。该机械臂使用基于DSP的运动控制器作为底层实时控制设备，PC机作为上层的控制系统，整个机械臂系统的控制结构框图如图2所示。

始于原点的控制轴为关节1，与其相连接的为关节2。机械臂通过控制这2个关节的协调运动带动安装在关节2末端的绘笔完成绘图任务。机械臂接收到绘制曲线的指令后，以当前位置的直角坐标为绘图的起始点，根据所要绘制曲线的参数方程及绘制精度均匀取曲线上的H个点，获得完成绘图任务所需的H个目标位置，然后利用运动学反解公式，将这些目标点转化为2个关节相对应的关节坐标，再将关节坐标系下的目标位置、最大速度、加速度等参数转换成伺服驱动器能够识别的脉冲量，输入到运动控制器中驱动伺服电机运动。机械臂关节位置的反馈信息由增 量式光电编码器获得，先将所得到的脉冲量转换为关节坐标值，再进行运动学正解，就可以得到当前机械臂绘笔位置的直角坐标。图3二自由度机械臂在平面直角坐标系中的投影图 根据图3，直接应用平面几何的知识，即可得到 关节2末端坐标的运动学正解与反解的公式㈣。

当机械臂的绘笔在画纸上进行实际绘图时，观察到以下问题。首先，机械臂实际绘出的图形与光电编码器反馈数据还原后的图形有较大差异，表明反馈信息并不能真实反映实际输出，而这个偏差是由于电机与机械臂关节之间存在传动部件的耦合松动。其次，机械臂的绘笔在不同的位置、沿不同的方向绘出的图形也有比较明显的差别，而这往往是因为关节转动所固有的机械特性。此外，绘出的图线有小锯齿状，不平滑，仔细观察后发现，绘图过程中机械臂有轻微的 抖动，这可能是由于关节运动速度过快等原因造成的。图5就是机械臂在画纸上绘制四叶玫瑰线的实际图形。因为无法改变机械臂关节转动过程中的机械特性，于是仅针对在一个确定的起始位置、沿一个确定的方向的绘图过程进行补偿，如果起始点更换到其他

位置，补偿思想不变。当机械臂的关节l处于60。同时关节2处于80‘的位置时，关节2末端的绘笔刚好

位于绘图板的中部，因此以下的研究均以这个位置作 为绘图的起始位置。

图5机械臂实际绘制的四叶玫瑰线

Fig．5 Four-leafrose practically drawn by robot ann 由于光电编码器反馈回的数据与实际输出有较

大差距，为获得较好的实际结果，所以根据实测的间 隙值设定其补偿量，对运动控制器的参考输入进行修 正。以改进图5为例，进行简单的常数补偿。四叶玫 瑰线的中心点坐标为‰，yo)，可以看到X

在图5的基础上进行补偿后，机械臂已经能够绘

制出比较准确的曲线，但其平滑度还不够理想。下面 针对关节的运动速度进行分析，期望通过降低速度来 消除曲线上的抖动，以获得更好的绘图效果。机械臂 的控制轴按照梯形速度曲线模式运动，即运动关节从 当前位置点运动到下一个目标点的过程中经历3个阶 段，第l阶段速度根据设定的加速度值从零加速到最 大速度，第2阶段加速度为零，速度保持已达到的最 大速度运行，第3阶段速度再按设定的负向加速度减 速到零．并且此时到达要求的目标位置。写入运动控 制器的每一条指令都含有目标位置、最大速度和加速 度这3个参数。加速度在系统初始化时已设定。而最

1一一I 大速度被定义为V=—Iv-—1"01STEP TIME，其中内和p分别J。i 表示当前点位置和下一目标点位置，STEP TIME是时 间参数。很显然，当图形轨迹的离散点完全确定以后． STEP TIME就决定着最大速度的取值，其系统默认值 为0 000 8。增大STEP TIME．则2个关节的运动速 度会相应减小。图6显示了补偿之后取STEP TIME= 0．001 1时的实际绘图结果，可以看出．曲线形状已经 比较标准，且抖动被消除。

第二章机械臂控制系统概述

2．1二自由度机械臂运动学分析

2．1．1机械臂工作空间分析

机械臂的工作空间定义为：机械臂正常运行时，机械臂末端连杆上的工具原点在空

间的最大范围。工作空间一般是一块或多块空间体积，它们具有一定的边界曲面，边界 曲面上的点对应的操作机的位置和姿态称为机械臂的奇异位形，与这些奇异位形对应的

机械臂的速度雅可比矩阵是奇异的。由于硬件设计上的限制，该二自由度机械臂的工作 空间被限制在如图2—1所示的空问内，空间段近似为(弧AB+弧BCD+弧DE+直线EF+弧FPG +直线GA)所围成的封闭平面，验证实验也必须限制在这个空间内完成。

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第二章机械臂控制系统概述

2．1．2机械臂运动学解

机械臂通常具有两种运动方式：关节空间运动和直角坐标运动。关节空间运动模式

是指机械臂的运动直接由各个关节的运动坐标来确定，所有关节变量构成一个关节矢量。所有关节矢量构成的空间称为关节空间。所谓关节空间运动模式，就是直接操作各个关 节的运动来完成机器人的运动。直角坐标运动模式是指机械臂术端工具的位置和方位通 常是在直角坐标空间中描述。直角坐标空间运动模式通过指定机械臂术端工具在直角坐 标空间中的运动来完成机械臂操作任务。

机械臂的实际运行是通过对关节运动轴的伺服控制来实现的，也就是最终的机械臂 的控制是在关节坐标空间进行的，但是对操作者来说，直角坐标空间更容易让人理解和 接受，操作者对机械臂的操作一般是在直角坐标空间中进行的，这样就需要建立一种关 节坐标空间和直角坐标空间的对应关系。也就是说，如果已知机械臂各个关节的坐标参 数，就需要求解机械臂木端在直角坐标空间中的坐标；反过来如果已知机械臂末端在直 角坐标空间的坐标就需要求解各个运动关节的坐标参数。前一个问题称为机械臂的运动 学正解，后一个问题称机械臂的运动学反解。

设机械臂的关节坐标空问中的变量记为q；【ql，q2⋯，吼】，机械臂木端工具在直角坐标 空间中的坐标记为x—k，Y，z，0⋯】，关节变量和直角坐标空间坐标存在如下运动学约束：，@，口)一0(2．1)这是一个隐式方程。如果能够从式(2．1)求解出： x一，(g)(2．2)即由关节坐标变量表示的直角坐标变量，这就是机械臂的运动学J下解。一般地，可以得 到机械臂运动学的惟一正解。如果能够从式(2．1)求解出： q=g(x)(2．3)也就是已知机械臂末端工具的直角坐标参数，求解出对应关节坐标空间中的各个关节变 量，这就是运动学的反解。通常，难以得到解析的运动学反解，而且运动学反解一般不 是唯一的，实际应用中通常采用几何机械臂的运动学解。1．二自由度机械臂运动学正解

已知：关节1连杆长度‘，关节变量为ql(关节控制轴l角度位置)；关节2连杆长 度L，关节变量为q，(关节控制轴2角度位置)。

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第二章机械臂控制系统概述

求解：关节连杆末端工具安装点在直角坐标空间的坐标x=b，Y】。

运动学所研究的主要问题包括两个方面：正向运动 学，即给定机器人各关节角度，计算机器人末端的 位置与姿态；逆向运动学，已知机器人末端的位置 与姿态，来计算机器人对应这个位置与姿态的全部 关节角，运动学方程是实现机器人运动控制的数学 基础。

利用D．H方法对每一个连杆建立

坐标系如图l所示，根据图l所建立的坐标系，得到 各连杆的D—H参数和关节变量(表1)。各连杆之 间的齐次变换矩阵为，一般表达式为：

第二篇：机电一体化 复习机械部分问题

驱动部分问题

1.机电一体化系统基本组成要素有

2.机电一体化的高性能化一般包含：高速化？高精度 ？高效率？高可靠性？

3.工业三大要素是

4.简述机电一体化对机械系统的基本要求及机械系统的组成。

5.机电一体化对机械传动的要求是？

6.等效到电动机轴上的总的等效惯量随减速比的： 增大而减小 ？增大而增大？.减小而减小？ 变化而不变？

7.机电一体化机械系统应包括？三部分。

8.机械传动装置在机电一体化系统中是必不可少的，因为在电动机和负载之间经常需要 ：匹配转矩和转速？增加传动功率？缩小传动功率？维持转速恒定？

9.斜齿圆柱齿轮消除齿侧隙方法？直齿圆柱齿轮传动机构中消除齿侧隙的常用方法？

10.滚珠丝杆螺母副结构有两类？

11.滚珠丝杠副的轴向间隙对系统有何影响？如何处理？

12.滚动螺旋传动的消除间隙和调整预紧一般有？三种。

13.在常用的滚珠丝杠螺母副的间隙消除方法中，调整精度最高的一种是双螺母齿差式 ？双螺母螺纹式？双螺母垫片式 ？单螺母变位导程式？

14.使滚珠丝杠具有最大刚度的支承方式是：两端固定？一端固定、一端游动？一端固定、一端自由？两端简支？长距离？？

15.滚珠丝杆不能自锁？

16.线性导轨特点？

PLC部分问题

1．应用于工业控制的计算机主要有几种类型，各自特点?。

2．PLC的扫描工作原理及其分析运用?

3．PLC内存管理：位 字节 字

4．基本指令使用：位指令（R S 跳变），定时器，计数器，整数运算（加法，传送，比较）

5．根据程序，绘制时序图；

6．设计基本控制程序

第三篇：《机电一体化综合训练》总结(机械)

两自由度机械臂控制系统实习总结

实习任务：

两自由度机械臂控制系统（机械部分）时间： 2009.8.10—2009.8.22 地点： 工程训练中心203 一.实习目的、任务与要求

1.1目的

1.11学习机电控制技术，了解机电一体化设备的基本结构，控制方式和工业机器人的基本控制原理。

1.12学习研究系统基础硬件构成。了解各部件名称、功能、选型依据和使用方法。了解网络系统配置及操作特点。

1.13学习研究系统基础软件，了解控制软件平台，了解示教再现控制方式及其演示软件。学习对机器人控制中两种坐标空间运动模式的操作设计。1.14通过机械臂的操作使用，了解部分控制器件的功能、使用方法和基本控制原理。了解机械臂素描绘图控制的图像处理技术。

1.15通过编程训练，学习工业机器人控制绘图语言的基本编程方法，了解机械臂绘图的基本算法。

1.2任务及要求

1.21测定机械臂结构，描述机械传动部分的结构形式、运动模式及减速器的结构原理，绘出机构运动示意图。

1.22了解机械臂控制系统电器控制部分的主要器件,绘制控制系统框图.标

注各部件的主要功能、型号及参数。

1.23学习使用鼠标、手写板和摄像头控制机械臂绘制图案文字和素描肖像。1.24学习编写控制程序。设计绘图程序，控制机械臂绘出实际图形。

二.实习环境

2.1实习设备

2.11硬件：GRB系列二自由度机械臂系统一套(GRB200）、PC 机一台、GT-400-SG-PCI/ISA型四轴脉冲型开环运动控制卡、GCB-100两轴驱动电气箱、彩色显示器、鼠标、手写板和摄像头。

2.12 软件：WindowsXP操作系统、运动控制器Windows驱动程序和运动控制动态连接库、机器人图形示教和语言编程软件。

三.实习内容

3.1 测定机械臂结构

GRB200 机器人关节1长度200mm,运动范围±100°，关节2连杆长度150mm,运动范围±50°。3.2 机械传动部分的结构形式

二自由度机械臂只有两个旋转运动关节，主要使用交流伺服电机和谐波减速器驱动。

交流伺服电机运转平稳，输出力矩恒定，过载能力强，加速性能好，可以取得很高的控制精度，以松下Panasonic 小惯量交流伺服电机为例，电机轴后端带有标准2500线增量式光电编码器，控制器内部采用了4 倍频技术，其脉冲当量为360°/（2500*4）=0.036°，控制精度远高于步进电机。交流伺服电机轴后端带有标准2500线增量式光电编码器，控制精度远高于步进电机。

谐波减速传动是一种依靠齿轮的弹性变形运动来达到传动目的的新型传动方式，它具有重量轻、结构简单、传动比大、承载力强、运转平稳和运动精度高等特点，广泛用于工业机器人关节传动领域。

关节控制轴1，2上还安置了光电式限位开关，结合电机上的增量光电编码器作为机器人控制轴的相对位置定位，并能在硬件上确保关节轴不超出其行程范围，保证了机器人本体和操作者的安全。

根据实际作业的需要可以在机器人关节2 的末端工具安装点上在第二个旋转运动关节的末端安装了笔和笔架便于验证机械臂末端的运动轨迹。

本体上引出2个关节控制轴的电机控制信号、编码器角度反馈信号和关节轴限位信号，通过连接电缆和控制器连接。本体部件采用铝合金材料加工成型，重量轻强度高，使得关节控制轴可以取得较高的控制速度和加速度。3.3 机械传动部分的运动模式

机器人的空间坐标直接由各个关节的坐标来确定，所有关节变量构成一个关节矢量。所有关节矢量构成的空间称为关节坐标空间。因此关节坐标空间运动就是直接操作各个关节的来完成机器人动作的运动。

其中, x：关节2 末端在直角坐标空间中的X 轴坐标值； y：关节2 末端在直角坐标空间中的Y 轴坐标值； q1 ：关节坐标空间中关节1 的坐标值； q2 ：关节坐标空间中关节2 的坐标值； l1 ：关节1 的长度，为200mm；

l2 ：关节2 的长度，为150mm（GRB400 关节2 长度为200mm）；

根据关节

1、关节2 的关节坐标值q1，q2，用运动学方程式可以计算出机器人关节2 末端，即绘图笔末端点在XY平面的位置，这是机器人运动学正解。

3.4 机械传动部分减速器的结构原理

谐波减速传动是一种依靠齿轮的弹性变形运动来达到传动目的的新型传动方式，它具有重量轻、结构简单、传动比大、承载力强、运转平稳和运动精度高等特点, 广泛用于工业机器人关节传动领域。

谐波减速传动的工作原理如图1-1所示：

图1-1 谐波减速传动的工作原理

谐波传动包括三个基本构件：波发生器、柔轮、刚轮。

三个构件可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。

当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时：柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端 处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴的区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。

波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。3.5 机构运动示意图

如图1-2所示：

图1-2 机构运动示意图

在PC机的控制下，程序通过一轴编码器、二轴编码器，分别驱动交流伺服电机、步进电机工作，再通过谐波齿轮减速器驱动大小机械臂转动，小机械臂带动画笔工作，当画笔间断工作时，电磁铁便工作，提起画笔，最终完成所做的任务。两自由度机械臂自由度计算：

根据机构运动示意图可知空间机构共有6个活动构件，即n=6，P5=5，P3=3。则机械臂的空间自由度为：

F=6n-(5*P5+3*P3)=6×6-(5×5+3×3)=2 故该机械臂的自由度为2，即两自由度机械臂。

四.实习总结

在这次机电一体化综合训练实习中，我们通过对两自由度机械臂控制系统的学习初步学习了机电控制技术，了解了机电一体化设备的基本结构、控制方式和工业机器人的基本控制原理。通过机械臂的操作使用，了解部分控制器件的功能、使用方法和基本控制原理和机械臂素描绘图控制的图像处理技术，并且了解各部件名称、功能、选型依据和使用方法。机械臂提供了机器人系统开发平台，由通用运动控制器提供基本的电机位置和速度控制功能，数字IO功能；由PC提供的各种功能强大应用系统软件和丰富的硬件扩展功能。采用面向对象的方法和语言来进行设计开发。

两自由度机械臂控制系统几乎涵盖了机电一体化这门课的所有知识。先前学过的课程如机械原理，机械设计，电子技术等，使我很容易理解机电一体化系统的结构形式，工作原理；以前学过的C语言程序设计知识，在学习和理解机器人绘图语言过程中起到了很大的作用，我们很快掌握了绘图语言并能够熟练应用。

持续好2周的机电一体化综合训练实习到今天终于圆满的结束了，在这个实习的过程中，学到了很多在平时书本中学不到的东西，同时也发现了自己在学习中也存在许多不足之处，现将其总结如下：

（1）巩固加深了以前所学的知识，让我们深深地感受到实践的不足，所学的理论知识必须经过实践，切实地应用到实际中，才能真正地掌握知识，学以致用；

（2）通过这次实习接触并使用了以前没有见到过的高科技产物；

（3）加强了实践能力的锻炼，认识到自身的缺陷，实践很难结合课本学到的知识，理论知识总是无法运用到实践，也发现了自己对机械的了解还不是很透彻。

本次实习的不足之处：在还没有进行机电一体化课程的前提下，进行机电一体化综合实习，我们感觉实习很盲目，很被动，不能很直观地理解其含义。虽然我们认真地实践，进行实物观察，阅读实验指导书和说明书，还是有很多知识不能完全掌握，对知识的理解不够完善，不能很系统地清晰地理解整个机电一体化系统的结构及其工作原理。

五.展望

通过这次机电一体化实习，使我认识到在纯机械技术较为完善的基础上，增强与电子信息技术的融合，使机械与电子技术完美有机结合，才能更好地实现机电一体化系统的高附加价值化目标，即多功能化、高效率化、高可靠化、节省材料和能源。

以下是我对此次实习的一点建议，不对的地方希望老师批评指正。

我认为本次实习的优点:具有一套两自由度机械臂控制系统供我们进行实物分析，并有PC机一台及相应的机器人图形示教和语言编程软件，能够编写自己的绘图程序，充分发挥了同学们这方面的主观能动性。

存在的不足之处是：首先，此次实习的两自由度机械臂服务器没有开启，同学们不能进行实际的机械绘图来验证程序；其次，同学们只能观察机械臂的外部结构形状，但其内部具体结构不能进行观察，因此提出建议：在老师的指导下对两自由度机械臂进行简单的拆装，搞清楚每一部件的具体结构，工作原理及它们之间的相对位置关系等，同时希望老师进行适当的讲解。

第四篇：mechatronic(机电一体化)机械专业英语

Mechatronic

1.Introduction

Mechatronics is a design process that includes a combination of mechanical engineering, electronic engineering, material engineering, chemical engineering and industrial engineering.Mechatronics is a multidisciplinary field of engineering, that is to say, it rejects splitting engineering into separate disciplines.Nowadays, with the increasing of economy, Interdisciplinary research becomes an irreversible tendency.Which means mechatronic is facing unprecedented challenges.The old mechanics cannot catch the pace of new world, so they need to be changed.In order to stand steady from the competition, they must provide high value by being innovative during the process of transformation and upgrading.2.Mechatronic system application

Mechatronics are useful on so many fields, such as Machine vision, Automation and robotics, Servo-mechanics and so on.Mechatronic system apply to Machine vision(MV)

Mechatronic make the possibilities of MV, technology and methods used to provide imaging-based automatic inspection and analysis for such applications as automatic inspection, process control, and robot guidance in industry, came true.Mechatronic system apply to Automation and robotics

Imagine that just push some simple bottoms lightly can you control a huge, smart, intelligent robots.Is it only dreamed? No, it is reality.When mechatronic system applies to automation and robotics we can meet that easily.Mechatronic system apply to Servo-mechanics

Common type of servo provides position control.Servos are commonly electrical or partially electronic in nature, using an electric motor as the primary means of creating mechanical force.Other types of servos use hydraulics, pneumatics, or magnetic principles.Whatever type it is, it can be separate as feedback system, transducer system and control system.And all of it cannot be kept in functional order without mechatronic system engineering.3.Future challenges

Mechatronic products--products that blend mechanical, electrical and software technologies--have exploded far beyond such industries as high-tech, aerospace and consumer product goods.That means more and more product development teams that once may have been comprised of mechanical engineers and electrical engineers are now adding software to the mix.Multiple engineering disciplines are being challenged to work together in mechatronic product development, such as on this printed circuit board assembly created in PTC's Pro/Engineer.Additional challenges of mechatronic product development noted by PTC include MCAD changes not reaching electrical engineers quickly enough, ECAD designers working ahead of the mechanical engineer and failing to relay that information, and software development largely removed from the product development change management process.

第五篇：第二部分机电一体化概论

2014年对口升学考试大纲《机电一体化概论》

掌握机电一体化的基本概念、基本原理和基本知识，了解机电一体化的发展方向；理解机电一体化的分类；掌握机电一体化相关技术的基础知识，具备初步的学科融合的思维能力和相应的实践应用能力。

机电一体化概论（60分）

1.机电一体化的定义与发展（5分）

（1）理解机电一体化的含义。

（2）了解机电一体化的发展趋势。

2.机电一体化系统的功能及组成（5分）

（1）了解机电一体化系统的功能。

（2）掌握机电一体化系统的组成。

3.机电一体化系统的分类（10分）

（1）熟悉生产过程机电一体化的组成。

（2）熟悉典型的机电一体化产品应用。

4.机电一体化相关技术及实例分析（40分）

（1）了解机器人运动功能的符号。

（2）了解机械传动机构和使用能源的传动机构的种类。

（3）理解电动传动的优点和缺点。

（4）理解液压传动工作原理和驱动方式。

（5）理解气压传动的工作原理和特点。

（6）了解常用传感器的种类，能根据控制要求选择传感器，熟悉传感器采集信号的处理过程。

（7）理解接口的概念和功能，熟悉接口的分类，认识常用的接口IC。

（8）了解伺服驱动的概念，理解伺服系统的组成和工作过程，熟悉伺服电机的特点和工作原理。

（9）理解自动门的机械组成、电气组成及主要功能，会选择相应器件。