多自由度机器臂设计

摘要

机器臂是模仿人的手臂动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业。

本文主要设计一个拥有三自由度的机器臂，模仿人手臂的结构和机理，通过PLC的控制使其按固定程序实现抓取、搬运物件及其它相关操作。

关键词：机器臂，PLC，梯形图

Design of multi-DOF robotic arm

Abstract

The robotic arm is imitate human arm movements, according to the given program, track and demanding acquirement, handling and operation of the automatic device. It is especially in high temperature and high pressure, dust, inflammable, explosive, radioactive, such as environment, and heavy and drab, frequent operation instead of human.

This paper designs a robotic arm with three degrees of freedom, imitate the structure and mechanism of person arm, through which the PLC control program to grab a fixed, transporting and other related operations.

Key Words：The robotic arm, PLC, ladder diagram

目录

摘要................................................................ I 第一章 绪言........................................................ 1

1.1 机器臂的概念 ................................................................................................................... 1

1.2 机器臂的应用 ................................................................................................................... 1 1.3 机器臂的发展趋势 ........................................................................................................... 2 1.4 本文主要研究内容 ........................................................................................................... 3

第二章 机器臂控制原理.............................................. 4

2.1 机器臂的组成 ................................................................................................................... 4

2.1.1 执行机构 ............................................................................................................... 4 2.1.2 驱动机构 ............................................................................................................... 5 2.1.3 控制系统分类 ....................................................................................................... 5 2.2 装置简介 ........................................................................................................................... 5 2.3 控制原理 ........................................................................................................................... 6

第三章 硬件设计.................................................... 8

3.1 硬件选择 ........................................................................................................................... 8

3.1.1 PLC的概念 ............................................................................................................ 8 3.1.2 FX2N概述 .............................................................................................................. 9 3.1.3 PLC选择 ................................................................................................................ 9 3.2 分配IO端口 ................................................................................................................... 10

3.2.1 输入设备 ............................................................................................................. 10 3.2.2 输出设备 ............................................................................................................. 11 3.3 分配PLC I/O点的编号 ................................................................................................. 11

第四章 软件设计................................................... 13

4.1 PLC编程语言 .................................................................................................................. 13 4.2 操作模块 ......................................................................................................................... 13

4.2.1 回原位程序 ......................................................................................................... 14 4.2.2 手动单步操作程序 ............................................................................................. 15 4.2.3 自动操作程序 ..................................................................................................... 16 4.3 机器臂总程序梯形图 ..................................................................................................... 17 4.4 程序调试 ........................................................................................................................ 19

结束语.............................................. 错误!未定义书签。 致 谢............................................... 错误!未定义书签。 参考文献............................................ 错误!未定义书签。

第一章 绪言

1.1 机器臂的概念

机器臂是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器臂的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，它涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

多自由度机器臂是一种能自动控制并可重新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机器臂的结构形式最初比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，逐渐出现了能够地按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机器臂”，简称通用机器臂。由于通用机器臂能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

1.2 机器臂的应用

在现代生产过程中，机械臂被广泛的运用于自动生产线中，虽然它目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机器臂已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中他可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

（3）可在劳动条件差，单调重复易于疲劳的环境中工作，以代替人的劳动。 （4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 （5）宇宙及海洋的开发。

（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。

1.3 机器臂的发展趋势

从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，机器人化机械已成为国际研究的热点之一，各国纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

随着现代化生产技术的提高，机器臂设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器臂的生产与柔性化制造系统和柔性化制造单元相结合，从而改变了目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。

就目前来看，现代工业机器臂有以下几个发展趋势：

（1）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速其中各部件的标准化和模块化，由各个机械模块、控制模块、检测模块构成结构不同的机器臂；

（2）开发各种结构用于不同类型场合的机器臂，如开发微动机构用以保证精度，开发多关节多自由度的手臂和手指，开发各类行走机器人，以适应不同的

环境；

（3）研制各类传感器及检测元器件，如触觉、视觉和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测，并采用专家系统进行问题求解、动作规划。

1.4 本文主要研究内容

本文主要设计机器臂的控制系统。通过学习机器臂的工作原理，熟悉搬运机器臂的运动机理。并在此基础上，模仿人手臂的结构和机理，确定搬运机器臂的基本系统结构，然后用FX2N—40MR实现机器臂，通过PLC的控制使其按固定程序实现抓取、搬运物件及其它相关操作。

第二章 机器臂控制原理

2.1 机器臂的组成

工业机器臂由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 2.1.1 执行机构

（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

（4） 行走机构 有的工业机器臂带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。

2.1.2 驱动机构

驱动机构是工业机器臂的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 2.1.3 控制系统分类

在机器臂的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

2.2 装置简介

本文所设计的机器臂主要模仿人手臂的结构机理，设置了三个控制点，三个自由度。机器臂的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制，放松夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。

下图2-1为机器臂在工作台上搬运工件的简易工作图,机器臂固定在工作台一端,将工件由左工作台搬运到右工作台：从原点开始，机器臂下降，然后将工件夹紧，后上升到顶停止、右移、下降，然后机器臂放松将工件放下，最后上升、左移至原点停下，完成一次作业过程。

图2-1 机器臂动作简易图

2.3 控制原理

机器臂的全部动作由气缸驱动，而气缸则由相应的电磁阀控制。其中，上升

/下降和左移/右移分别由双线圈二位电磁阀控制。例如当下降电磁阀通电时，机器臂下降；当下降电磁阀断电时，机器臂下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机器臂才上升；当上升电磁阀断电时，机器臂上升停止。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机器臂的放松夹紧由一个单线圈二位电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。当该线圈通电时，机器臂夹紧，该线圈断电时，机器臂放松。

当机器臂右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许机器臂下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬走时，机器臂应自动停止下降。

机器臂的动作过程分解 如图2-2所示。从原点开始，按下起动按钮时，下降电磁阀通电，机器臂下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机器臂下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机器臂夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机器臂上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机器臂右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，机器臂右移停止。若此时工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机器臂下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机器臂下降停止；同时夹紧电磁阀断电；机器臂放松，放松后，上升电磁阀通电，机器臂上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机器臂左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机器臂经过8步动作完成了一个周期。

原点指示左限位开关左移左移电磁阀起动原点右移下降电磁阀下降下降上升下限位开关下限位开关右移电磁阀上限位开关右限位开关右位下降电磁阀上升上限位开关上升电磁阀光电开关无工件检测夹紧电磁阀夹紧电磁阀图2-2 机器臂动作过程分解图

第三章 硬件设计

3.1 硬件选择

3.1.1 PLC的概念

可编程序控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各类机械和生产过程。

可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。与传统的继电器控制相比，PLC控制具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、硬件接线简单、改变生产工艺十分方便等优点。

PLC内部构成框图如下所示：

图3-1 PLC构成框图

3.1.2 FX2N概述

FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的小型系列PLC。由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。为大量实际应用而开发的特殊功能:开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。网络和数据通信:连接到世界上最流行的开放式网络 CC-Link，Profibus Dp和DeviceNet或者采用传感器层次的网络解决您的通信需要。时钟功能和小时表功能:在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。

三菱FX2N系列PLC，外观如图3-2所示，体积为285mm ×87mm×90mm。

图3-2 三菱FX2N系列PLC外观

3.1.3 PLC选择

该机器臂的控制为开关量控制,且所需的I/O点数不多,因此选择一般的小型低档PLC即可。

另外，从PLC的功能方面考虑,该控制系统要实现的是步进控制,可以用一般

PLC所具有的移位寄存器和移位指令来编程,但若选择具有步进指令功能或鼓形控制器功能的PLC,则实现步进控制就更加方便了。

由于所需的I/O点数分别为16点和6点，考虑到机器臂操作的工艺固定，PLC的I/O点数基本上可不留余量,所以选用FX2N—40MR即可满足要求。

3.2 分配IO端口

3.2.1 输入设备

机器臂控制系统，除了有多工步特点之外，还要求有连续控制和手动控制等操作方式。工作方式的选择可以很方便地在操作面板上表示出来。当旋钮打向回原点时，系统自动地回到原位置待命。当旋钮打向自动时，系统自动完成各工步操作，且循环动作。当旋钮打向手动时，每一工步都要按下该工步按钮才能实现。开关及按钮在操作屏上的布置如图3-3所示：

图3-3 操作面板布置图

其中：

（1）操作方式转换开关：有手动、自动、回原点三个位置可供选择。 （2）手动时的运动选择开关：应有上/下、左/右、夹紧/放松等三个位置可供

选择。

（3）起动、停止及急停按钮。

（4）位置检测元件：机器臂的动作是按行程原则进行控制的，有上限、下限、左限、右限四个限位。

（5）无工件检测元件：右工作台上无工件用光电开关来检测。 3.2.2 输出设备

其中应包括下降电磁阀、上升电磁阀、右移电磁阀、左移电磁阀、夹紧电磁阀。

为了对机器臂处于原点进行指示，还要配置一个原点位置的指示灯。

3.3 分配PLC I/O点的编号

机器臂输入和输出点分配表如下：

表1 机器臂输入和输出点分配表 名 称 启动 下限行程 上限行程 右限行程 左限行程 停止 手动操作 连续操作 代号 SB1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SB2 SB3 SB4 输入 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 名 称 夹紧 放松 单步上升 单步下降 单步左移 单步右移 回原点 工件检测 代号 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10 SB11 SQ5 输入 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 名 称 电磁阀下降 电磁阀夹紧 电磁阀上升 电磁阀右行 电磁阀左行 原点指示 代号 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 EL 输出 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5

对应硬件原理连接图如下所示：

图3-4 原理接线图

第四章 软件设计

4.1 PLC编程语言

随着PLC技术的深入发展，其编程语言呈现多样化并成为PLC软件发展的一个重要方向。

现代PLC常用的编程语言主要有以下几种： 顺序功能图

这是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。 顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件。可以用顺序功能图来描述系统的功能。 梯形图

组成：由触点、线圈和用方框表示的功能块。

特点：1）沿用继电器这一名称，但不是真实继电器，而是软件中编程元件。 2）假想的“能流”(POWeY Flow)，从左向右流动。 3）逻辑解算，从左至右，从上至下。 4）线圈放在最右边，触点可无限次使用。 语句表

指令表程序：一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式。 结构文本

结构文本是为IECll31—3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形 图相比，它能实现复杂的数算，编写的程序非常简洁和紧凑。

4.2 操作模块

操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图4-1所示：

图4-1 操作方式转换梯形图

其原理是：

把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。 4.2.1 回原位程序

回原位程序如图4-2所示。用S10~S12作回零操作元件。应注意，当用S10~S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。

图4-2 回原位状态转移图

4.2.2 手动单步操作程序

如图4-3所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位保护。

图4-3 手动单步操作梯形图

4.2.3 自动操作程序

自动操作状态转移见图4-4所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。

移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。

在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。

图4-4 自动操作状态转移图

4.3 机器臂总程序梯形图

如图4-5所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。

回原位程序和自动操作程序，是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同，回原位程序不能自动返回初始态S1，而自动操作程序能自动返回初态S2。

图4-5 总程序梯形图

4.4 程序调试

FX系列PLC可用“FX-TRN-BEG-C”仿真软件，进行仿真编程和仿真运行。该软件既能够编制梯形图程序，也能够将梯形图程序转换成指令语句表程序，模拟写出到PLC主机，并模拟仿真PLC控制现场机械设备运行。

启动“FX-TRN-BEG-C”仿真软件，进入仿真软件程序首页。界面显示如下图4-6所示。编程仿真界面上侧为现场仿真区，下侧分为编程区、模拟PLC和控制室。

梯形图程序编写完成后，将PLC置于运行模式，按照操作流程进行操作。机器臂的初始位置在原位，按下启动按钮后，机器臂依次完成：下降—夹紧—上升—右移—下降—放松—上升—左移八个动作，实现机器臂的一个周期的动作。程序运行时，注意有无出错。机器臂是否按要求到达预定的位置，是否有偏差，以及运行的顺序是否有错误。此时对PLC系统的控制进行校验、修正、调试，直到满足设计要求为止。

图4-6 仿真编程界面