五自由度教學(xué)演示機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).doc

黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第1章 緒論1.1機(jī)器人概述 1.1.1機(jī)器人的誕生與發(fā)展1920年捷克作家卡雷爾.卡佩克發(fā)表了科幻劇本羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人。劇情是這樣的：羅薩姆公司把機(jī)器人作為人類(lèi)生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，讓它去充當(dāng)勞動(dòng)力，以呆板的方式從事繁重的勞動(dòng)。后來(lái)，羅薩姆公司使機(jī)器人具有了感情，在工廠和家務(wù)勞動(dòng)中，機(jī)器人成了必不可少的成員 。該劇預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對(duì)人類(lèi)社會(huì)的影響。在劇本中，卡佩克把捷克語(yǔ)“Robota”(農(nóng)奴) 寫(xiě)成了“Robot”（機(jī)器人）。這也是人類(lèi)社會(huì)首次使用“機(jī)器人”這一概念。50年代是機(jī)器人的萌芽期，其概念是“一個(gè)空間機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械臂，一個(gè)可重復(fù)編程動(dòng)作的機(jī)器”。1954年美國(guó)戴沃爾發(fā)表了“通用重復(fù)型機(jī)器人”的專(zhuān)利論文，首次提出“工業(yè)機(jī)器人”的概念；1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型；1959年 美國(guó)UNIMATION公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。60年代隨著傳感技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入成長(zhǎng)期，機(jī)器人開(kāi)始向?qū)嵱没l(fā)展，并被用于焊接和噴涂作業(yè)中。70年代隨著計(jì)算機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代。日本雖起步較晚，但結(jié)合國(guó)情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵(lì)使用機(jī)器人的措施，其機(jī)器人擁有量很快超過(guò)了美國(guó) ，一舉成為“機(jī)器人王國(guó)”。80年代，機(jī)器人發(fā)展成為具有各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)、通過(guò)傳感器控制的機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及時(shí)代，開(kāi)始在汽車(chē)、電子等行業(yè)得到大量使用，推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 為滿足人們個(gè)性化的要求，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)趨于小批量、多品種。90年代初期，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求進(jìn)入了高潮期：1990年世界上新裝備機(jī)器人81000臺(tái)，1991年新裝備76000臺(tái)。1991年底世界上已有53萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人工作在各條戰(zhàn)線上。 隨后由于受到日本等國(guó)經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也一度跌入低谷。近兩年隨著世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)又出現(xiàn)了一片生機(jī)。90年代還出現(xiàn)了具有感知、決策、動(dòng)作能力的智能機(jī)器人，產(chǎn)生了智能機(jī)器或機(jī)器人化機(jī)器。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的概念和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。2000年出現(xiàn)了仿人機(jī)器人及其他仿生機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和智能水平進(jìn)一步的提高，并以智能體的形式出現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步的擴(kuò)大。1.1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等幾種；在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品。 1.1.3國(guó)外機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：1工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的103萬(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)美元。 2機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 6當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 7機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。1.2機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)教育、培訓(xùn)的要求及本課題的提出采用機(jī)器人會(huì)給我們帶來(lái)很大的方便，機(jī)器人和其他自動(dòng)化裝置最主要的區(qū)別在于機(jī)器人的功能和任務(wù)很容易修改或改變，僅需要改變軟件就可以了，同時(shí)機(jī)器人比一般自動(dòng)化裝備更復(fù)雜，需要更多的軟件和硬件知識(shí)，故一旦大量采用機(jī)器人就需要專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)使用機(jī)器人的具有較高水平和技術(shù)人員，這無(wú)疑對(duì)教育和培訓(xùn)提出新的要求，大多數(shù)機(jī)器人專(zhuān)家都反復(fù)的強(qiáng)調(diào)需要制定培訓(xùn)計(jì)劃以為新的工作崗位準(zhǔn)備合格的勞動(dòng)力。談到培訓(xùn)，還有個(gè)協(xié)調(diào)的問(wèn)題，工業(yè)和教育團(tuán)體應(yīng)減少培訓(xùn)與需求的協(xié)調(diào)失誤，在校學(xué)生也應(yīng)了解市場(chǎng)情況，在教師的協(xié)助下開(kāi)設(shè)和調(diào)整自己的課程，使所學(xué)的專(zhuān)業(yè)和技能在畢業(yè)的時(shí)候滿足社會(huì)的需求。對(duì)機(jī)器人，人們的頭一個(gè)問(wèn)題就是：機(jī)器人是否會(huì)造成失業(yè)？應(yīng)該說(shuō)大量采用機(jī)器人會(huì)使一部分人喪失工作，然而這一新的產(chǎn)業(yè)所創(chuàng)造的新的就業(yè)機(jī)會(huì)比其消滅的職業(yè)更多，新的職業(yè)需要新的技能，就再需要教育和培訓(xùn)，再次證明，機(jī)器人對(duì)社會(huì)的沖擊就是再培訓(xùn)的課題。大量采用機(jī)器人不會(huì)帶來(lái)失業(yè)，在機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用上有七種職業(yè)，即研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用、市場(chǎng)、服務(wù)、維修和教育，而潛在的部門(mén)是機(jī)器人制造部門(mén)，教育機(jī)構(gòu)和機(jī)器人相關(guān)部門(mén)?，F(xiàn)在國(guó)外機(jī)器人制造廠家不僅自己開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程也向?qū)W校提供資助 ，為學(xué)校提供機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)，據(jù)資料顯示，美國(guó)有很多大學(xué)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人課程。早在我國(guó)，許多大學(xué)也開(kāi)設(shè)了機(jī)器人方面的課程（如上海交大，華中科技大學(xué)等），也有很多研究開(kāi)發(fā)機(jī)器人的研究機(jī)構(gòu)，但資金問(wèn)題是困擾機(jī)器人發(fā)展的障礙，在教學(xué)中也面臨相同的問(wèn)題。但教學(xué)課程上，只是紙上談兵，沒(méi)有一點(diǎn)直觀的印象，關(guān)鍵是設(shè)備問(wèn)題，研制一個(gè)價(jià)格低廉、性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能給學(xué)生以深刻印象的實(shí)驗(yàn)用的教學(xué)演示系統(tǒng)，在這前提和背景下，提出本課題，它能達(dá)到以下目標(biāo)：1成本低，必要時(shí)可以降低精度要求，因?yàn)槭菍?shí)驗(yàn)演示裝置。2機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于學(xué)生掌握機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)。3整體尺寸不宜過(guò)大，以擺放實(shí)驗(yàn)臺(tái)為準(zhǔn)。4與結(jié)構(gòu)相匹配，為降低成本，采用開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制相結(jié)合。5各部分結(jié)構(gòu)最好方便拆卸，以便維修保養(yǎng)。1.3本章小結(jié)本章在綜述機(jī)器人計(jì)術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，提出了本課題的總體設(shè)計(jì)思想及方案。第2章 總體設(shè)計(jì)方案2.1總體設(shè)計(jì)的思路設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段： 一系統(tǒng)分析階段 1根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。 2分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。 3根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。 二技術(shù)設(shè)計(jì)階段 1根據(jù)系統(tǒng)的要求的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式 2擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖。3確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型。 4擬訂控制系統(tǒng)的控制原理圖。 5選擇個(gè)部件的具體集體夠，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)。 6繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。下面結(jié)合本演示系統(tǒng)的基本要求和設(shè)計(jì)的基本原則確定本系統(tǒng)的方案。2.2總體方案的確定本課題的要求：1它是一個(gè)教學(xué)用的演示系統(tǒng)。2我們希望它不太大，可以安置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)沙鍋內(nèi)給學(xué)生講解，即小型化、輕型化。3經(jīng)費(fèi)有限，要求成本低。4在滿足前幾點(diǎn)的要求下，盡可能的要造型美觀。2.2.1坐標(biāo)形式的選擇有要求可知這是一個(gè)演示的系統(tǒng)，即機(jī)器人的幾個(gè)基本的動(dòng)作的演示，了解機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)、控制方式等，加深對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其適用的工作環(huán)境的了解，綜合考慮選用圓柱型坐標(biāo)，此坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是各動(dòng)作直觀性強(qiáng)，占用空間小，相對(duì)工作范圍大，也常用，而關(guān)節(jié)型、極坐標(biāo)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)直觀性差，而直角坐標(biāo)型占地面積大、工作范圍小，靈活性差。2.2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型選擇基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中電機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在確定整體結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到課題的基本要求，覺(jué)得采用模塊式結(jié)構(gòu)，各部位自成體系，組裝方便，根據(jù)思想有圖的個(gè)構(gòu)想，臂部回轉(zhuǎn)電機(jī)1通過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)2回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)，又臂部電機(jī)帶動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)4縮運(yùn)動(dòng)，5 固定載上實(shí)現(xiàn)腕部的升降，7為控制腕部分回轉(zhuǎn)的位置傳感器，8實(shí)現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。綜合考慮此設(shè)計(jì)，可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)具有線條簡(jiǎn)潔明快，能使初學(xué)者較快的得其要領(lǐng)，理解工作原理，很適合于機(jī)器人教學(xué)的需要。2.2.3各部位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定臂部的回轉(zhuǎn)：因?yàn)楸鄄康幕剞D(zhuǎn)帶動(dòng)的部件多、慣性大，所以轉(zhuǎn)速不能太高，考慮到用步進(jìn)電機(jī)，要用減速機(jī)構(gòu)，如選用齒輪傳動(dòng)，體積較大，不適合教學(xué)的要求，綜合考慮采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)比較合理，首先能實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比；其次體積小，便于安裝，其也有傳動(dòng)效率底的缺點(diǎn)，工作過(guò)程中有相當(dāng)一部分的能量要轉(zhuǎn)化成熱，在工業(yè)生產(chǎn)中要裝有散熱的裝置，由于本系統(tǒng)是為教學(xué)演示的，不需要長(zhǎng)時(shí)間的工作，所以溫升不大，不必安裝散熱裝置。臂部伸縮：采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，由螺母帶動(dòng)臂部和腕部機(jī)構(gòu)伸縮是采用普通絲杠傳動(dòng)（主要考慮到價(jià)格）腕部升降：采用絲杠傳動(dòng)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。腕部回轉(zhuǎn)：要求重量輕、機(jī)構(gòu)緊湊，故采用直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，但要求轉(zhuǎn)速低，故采用長(zhǎng)時(shí)間工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的直流力矩伺服電機(jī)，位置檢測(cè)采用光電碼盤(pán)。手部回轉(zhuǎn)也采用同樣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中各個(gè)部分實(shí)現(xiàn)連接簡(jiǎn)單，方便拆卸。2.2.4外形尺寸和運(yùn)動(dòng)范圍的確定考慮到本系統(tǒng)的小型化的要求，可將外形尺寸及各部分的運(yùn)動(dòng)范圍確定如下：1外形尺寸：600600700范圍內(nèi)2臂部回轉(zhuǎn)：03603臂部伸縮：80mm4腕部升降：70 mm5腕部回轉(zhuǎn)：01806手爪回轉(zhuǎn)：907手指開(kāi)合：5108抓重： 0.5 Kg本系統(tǒng)是教學(xué)演示用的，為節(jié)約資金，對(duì)速度和精度要求較低。2.2.5 控制系統(tǒng)的確定本系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)控制，臂部伸縮、回轉(zhuǎn)、腕部升降、手爪開(kāi)合采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制；腕部回轉(zhuǎn)和手爪回轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)閉環(huán)控制，其中步進(jìn)電機(jī)采用單電壓恒流源驅(qū)動(dòng)，由單片機(jī)直接發(fā)出控制脈沖信號(hào)。腕部的閉環(huán)控制采用直流力矩電機(jī)加裝光電碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)，顯示部分采用LCD液晶顯示模塊。2.3本章小結(jié)本章在確定機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案前對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)基本步驟及其基本原則進(jìn)行了詳細(xì)論述。確定了設(shè)計(jì)的方案的各項(xiàng)參數(shù)。第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算3.1手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1.1 概述機(jī)器人的手部是最重要的部件。從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類(lèi)人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱(chēng)抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)握持工作或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同，其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，按其握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類(lèi)： 1夾持式，包括內(nèi)撐式和外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。2吸附式，包括氣吸式和磁吸式等。 3.1.2 手部的結(jié)構(gòu)和手指形狀的確定 在本系統(tǒng)中，抓重為5N,手指開(kāi)合510。我們決定選擇滑槽杠桿支點(diǎn)回轉(zhuǎn)手部。這種結(jié)構(gòu)可通過(guò)各桿之間的角度或桿長(zhǎng)，改變握力的大小及指間的開(kāi)閉角。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，夾持范圍大，這種手部的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，工作原理清晰易懂，也是機(jī)器人較常用的結(jié)構(gòu)，這些都合乎教學(xué)演示的要求，缺點(diǎn)是工件直徑誤差會(huì)引起夾持后工件的中心發(fā)生移動(dòng)。指端采用V塊形式，也是機(jī)器人手指形狀中較常用的形式，爭(zhēng)取到手部能從腕部方便地裝拆，以提高通用性。下圖是本系統(tǒng)的手部結(jié)構(gòu)示意圖，具體結(jié)構(gòu)和零部件尺寸見(jiàn)圖紙。 圖3-1手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.1.3 手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算和電機(jī)的選擇 3.1.3.1 握力計(jì)算由初始設(shè)計(jì)可知，G=5N則 N=G方位系數(shù)，它與手指和工件的形狀，以及手指夾持攻擊的方位有關(guān)。此處，按手指是水平放置，夾持垂直的工件，V型指端夾圓形棒料的情況考慮。取=2.764其中 V型手指半角 ，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知 tg=2.75，故=70f為其與工件的摩擦系數(shù)，取0.17所以 N =G=2.7645=13.82(N)圖 32 滑槽杠桿式手部受力分析 3.1.3.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算上圖是滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)及受力分析簡(jiǎn)圖。絲桿通過(guò)銷(xiāo)軸的向上的拉力（驅(qū)動(dòng)力）是P，作用與手指上的力，其方向垂直于滑槽的中心線O和 O ?；蹖?duì)銷(xiāo)軸的反作用力為P1和 P2。且其延長(zhǎng)線交 A 、B 點(diǎn)，由于OB和 OA為直角，故 AOC =BOC = 。根據(jù)軸銷(xiāo)的力平衡條件得： P1=P2；P=2P1cos由手指的力矩平衡條件得： h=Nb 因?yàn)?= P1 ，h=所以， P= 2b cosN式中， a 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心距離 工件被夾持時(shí)，手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)線間的夾角，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)取a =25 mm ，b =35mm = arctg17/25 = 34.22 所以，銷(xiāo)軸或螺母所受力（驅(qū)動(dòng)力的反作用力） P = 2b cosN =26.461（N） 考慮工件在加工過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、震動(dòng)及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力為： Ps P 其中： K1安全系數(shù)，一般取1.21.6 K2工作情況系數(shù)，且K2=1+a/g a機(jī)構(gòu)的加速度 機(jī)械效率 Ps P=42.2(N) 3.1.3.3 扭矩計(jì)算我們先來(lái)計(jì)算一下螺旋升角。校核一下此絲桿螺母機(jī)構(gòu)是否滿足自鎖條件。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，絲桿的公稱(chēng)直徑d=12mm螺距t=2mm螺紋頭數(shù) n=1所以，絲桿中徑d2=d-0.5t=11mm螺紋升角= arctg=arctg=3.31螺紋的當(dāng)量摩擦角v= arctg =arctg=5.91其中：f是摩擦副間的摩擦系數(shù)取0.1是螺紋牙形半角取15v所以，此絲桿螺母機(jī)構(gòu)可安全自鎖驅(qū)動(dòng)力矩Tq=T1+T2+T3其中T1螺旋副摩擦力矩 T1=F(d2/2)tg(+v) (Nm) F 螺旋副軸向載荷 d2螺旋副中徑 v 當(dāng)量摩擦角 螺旋升角 T2(T3)是端面摩擦力矩，此處不計(jì)故 Tq=T1= F(d2/2)tg(+v) =42.2(11/2) tg(3.31+5.91) =0.04(Nm) 3.1.3.4 電機(jī)的選擇至此，根據(jù)上述計(jì)算，我們得出了絲桿上應(yīng)具有的扭矩。據(jù)此，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品樣本手冊(cè)，選用45BF003型電機(jī)可以滿足要求。 3.2腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1 概述腕部是臂部和手部的連接部件，其作用是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間上的位置和方向，從而增強(qiáng)手部的靈活性，擴(kuò)大手部的工作范圍。腕部應(yīng)具有獨(dú)立的自由度，為使手臂能出于空間的任意方向，腕部應(yīng)具有回轉(zhuǎn)，上下俯仰和左右擺動(dòng)三個(gè)自由度，多數(shù)情況下，工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手的腕部應(yīng)具有一個(gè)或兩個(gè)自由度，即回轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)上下俯仰（左右擺動(dòng)）。3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的腕部結(jié)構(gòu)向其他機(jī)器人一樣，也是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的一部分，將臂部的升降改在腕部實(shí)現(xiàn)，是為了整體結(jié)構(gòu)小型化，同時(shí)增加腕部的靈活性，具體結(jié)構(gòu)參照總裝圖。一腕部設(shè)計(jì)計(jì)算 1腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)，均是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕啟動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐處的摩擦力矩，動(dòng)件與缸壁、端蓋等處的摩擦阻力矩，以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合時(shí)所產(chǎn)生的偏重力矩。而對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件很多，如果每一件都去校核的話，即太煩瑣，也沒(méi)有必要。所以我們將整個(gè)回轉(zhuǎn)部件分為4個(gè)部分。 1)轉(zhuǎn)軸，包括與之相連的螺母、墊母、軸承內(nèi)圈等。2)手部電機(jī)，包括電機(jī)罩等。3)手部換向變速箱,可將它視為656570的一個(gè)重0.4千克的長(zhǎng)方體。 4)手指工件，可將它看成是一個(gè)706050的長(zhǎng)方體，重0.8千克，重心位置距回轉(zhuǎn)軸線為65毫米，由此，手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩 Mq=Mg+Mp+Mm+Mf 其中：Mg 慣性力矩 Mp 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的偏重力矩 Mm 手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐處的摩擦力矩 Mf 手腕密封裝置處的摩擦阻力矩下面我們分別計(jì)算上述四個(gè)力矩（1）手腕啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩， 設(shè) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 = /6/s 啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間為 t =0.4s 則 J1=1/2M1R2電機(jī)罩及電機(jī)可看作一個(gè)直徑是50mm，重0.45千克的圓柱體。則 J2=1/2M1R2=1/20.45(0.05/2)2變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J3=1/2M3(a2+b2) =1/20.4(0.652+0.652) =1.6910kgcm2 手部機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J4= 1/2M4(a2+b2 )+M4e2 =1/20.8(0.072+0.062)+0.80.0652 =6.7810kgcm2由此可知， Mg=(J1+J2+J3+J4) / t =(0.0000098+0.00014+0.00169+0.00678) /6/0.4=0.0113(Nm)（2） 摩擦力矩 先估算兩軸承部位所受的壓力。圖33 軸承受力分析則根據(jù)力的平衡, 所以，N=20.4N 再考慮其他因素影響，附加一定系數(shù)， 可令，N1=N2=35（N） 又由軸承部位尺寸， D1= 0.02m D2=0.015m 所以，Mm=f/2(ND1+N2D2) =(0.012/2) 35(0.02+0.015)=0.00735(Nm)（3）偏重力矩，Mp根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知，其余部分重心在回轉(zhuǎn)軸線上，因此不產(chǎn)生偏重力矩，只有手爪部分產(chǎn)生偏重力矩，則，Mp=G4e=0.89.80.065=0.50(Nm)(4)密封處的摩擦阻力矩本系統(tǒng)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)密封沒(méi)有嚴(yán)格要求，這部分阻力矩可以略去不計(jì)。綜上所述，考慮一定的安全系數(shù)。有 Mq=1.1(Mg+Mm+Mp) =1.1(0.0113+0.0074+0.50)=0.570(Nm) 據(jù)此數(shù)據(jù)，可選用60LY003型直流力矩電機(jī)。二腕部升降的設(shè)計(jì)計(jì)算首先，校核螺旋副的自鎖性。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，公稱(chēng)尺寸d=18mm, 梯形螺紋牙型角=30， 螺距t=4mm, 中徑d2=d-0.5t=18-0.54=16mm 螺旋副為鋼青銅，取摩擦系數(shù)f=0.14所以，當(dāng)量摩擦角 v= arctg = arctg =8.2摩擦角= arctg = arctg =4.55v ，滿足自鎖條件。計(jì)算腕部升降所需的驅(qū)動(dòng)力 圖 34 腕部結(jié)構(gòu)受力分析 上圖給出了整個(gè)腕部的受力情況。隨著腕部的移動(dòng),由腕部結(jié)構(gòu)的重量Gw，手指和工件的重量Gs將在A 、B兩點(diǎn)形成壓力 N1、 N2，從而形成摩擦力F1和 F2,而電機(jī)提供的力矩應(yīng)能克服 F1、 F2和腕部所有結(jié)構(gòu)的重量Gqw 。由力矩平衡得： N130=Gw44+Gs(65+44)估算 Gw=24.5N Gs=7.84N Gqw=35N 所以,N1=N2=64.4(N) F1=F2=N1f=64.40.11=7.08(N)所以加在螺母上的全部軸向力 P=Gqw+2F1=35+27.08=49.168(N) 考慮啟動(dòng)時(shí)的慣性力、震動(dòng)和機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力 PSJP 其中 K1安全系數(shù)，取K1=1.2 1.6 K2 工作情況系數(shù)，取K2=1+a/g ， a機(jī)構(gòu)的加速度 機(jī)械效率，取=0.85 所以驅(qū)動(dòng)力矩為T(mén)q= PSJ(d/2)tg(+v)/1000 =75.978tg(8.247+4.55)/1000=0.138（Nm）根據(jù)這一數(shù)據(jù)，查閱資料，選用55BF003型步進(jìn)電機(jī)可滿足要求。 3.3臂部及機(jī)身（底座）的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1概述機(jī)身表示直接連接支承，傳動(dòng)手臂和行走機(jī)構(gòu)的部件，一般情況下實(shí)現(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)部件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況越復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定式，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機(jī)構(gòu)，可沿地面過(guò)架空軌道運(yùn)動(dòng)。手臂部件（簡(jiǎn)稱(chēng)臂部和手臂）是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部（關(guān)節(jié)）和手部（包括工件和工具），并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)，臂部還安裝一些傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從臂部的受力情況來(lái)看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動(dòng)載荷，自身運(yùn)動(dòng)又較多，所以受力情況復(fù)雜。我們采用機(jī)座式機(jī)身,臂部安裝在機(jī)座立柱的頂端,在臂部只實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng),而臂部的回轉(zhuǎn)由機(jī)座上安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)立柱帶動(dòng)臂部回轉(zhuǎn),由于臂部質(zhì)量大,而且手及腕部均安在臂部,驅(qū)動(dòng)臂部回轉(zhuǎn)的功率較大,這樣的配置可以使結(jié)構(gòu)大的部分裝在機(jī)座內(nèi),可以避免頭重腳輕的影響,同時(shí)應(yīng)盡量的使臂部的結(jié)構(gòu)重心靠近立柱,臂部和立柱連接是快速可換的,以實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)的思想條塊清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。臂部的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成板狀連接的,這樣可以減輕臂部的質(zhì)量,可以提高剛度,加工時(shí)方便實(shí)現(xiàn),驅(qū)動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠、螺母機(jī)構(gòu),為降低成本,沒(méi)有采用滾珠絲杠,只采用滑動(dòng)絲杠。 臂部回轉(zhuǎn)的速度和加速度都不應(yīng)過(guò)大,所以減速環(huán)節(jié)就要有較大的傳動(dòng)比,這里采用蝸輪、蝸桿一級(jí)減速,沒(méi)有采用多級(jí)齒輪減速(其一級(jí)減速齒輪太大),其基本參數(shù)如下:傳動(dòng)比i=62中心距a=40mm，蝸桿頭數(shù)Z2=1, 蝸輪齒數(shù)Z2=iZ1=62齒形角=20 模數(shù)m=1 蝸輪變位系數(shù) X2=0蝸桿軸向齒距Px=m蝸桿分度圓直徑 d1=mz1/tan=18(標(biāo)準(zhǔn)值)蝸桿齒頂圓直徑da1=d1+2ha1=d1+2ha*=18+21=20蝸桿齒根圓直徑df1=d1-2hf1=d1-2m(ha*+c*)=18-21.2=15.6蝸桿齒頂高: ha1=ha*m=1 ha*=1頂隙c=c* m=0.2 c* =0.2 蝸桿齒根高: hf1=(ha*+ c*)m=(d1-df)=1.2蝸桿齒高: h1=ha1+hf1=(da1-df1)= (20-15.6)=2.2蝸桿齒寬: b1=50 查表得蝸輪分度圓直徑:d2=m Z2=2a1-d1-2 X2m=80-18=62蝸輪齒頂圓直徑:da2=d2+2ha2=62+2=64蝸輪齒根圓直徑: df2=d2-2hf2=62-2.4=59.6蝸輪齒頂高:ha2=(da2-d2)/2=m(ha*+ X2)=1蝸輪齒根高: hf2=(d2-df2)=1(1+0.2)=1.2蝸輪齒高:h2=ha2+hf2=1.2+1=2.2蝸輪齒寬:b2=15 3.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 1.手臂做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的所需要的驅(qū)動(dòng)力P驅(qū)=P慣+P摩+P密 在此估算所有參與臂部伸縮運(yùn)動(dòng)零件的總質(zhì)量為=20Kg(4) P慣 手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的慣性力因演示系統(tǒng)對(duì)速度沒(méi)有嚴(yán)格的要求,故可設(shè)正常運(yùn)動(dòng)速度 V=0.005m/s,設(shè)0.1秒加速到正常運(yùn)動(dòng)速度則啟動(dòng)加速度a=0.05(m/s2 )所以 P慣=a=200.05=1(N)(2) P摩 摩擦阻力P摩 =2fg=20.12209.8=47.02(N)(3) P密 本系統(tǒng)對(duì)密封并無(wú)嚴(yán)格要求,故忽略不計(jì)所以 P驅(qū)=P慣+P摩+P密 =1+47.02=48.02在根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),知螺旋副公稱(chēng)值為T(mén)264即中徑d=26mm , 螺距t=4mm ,牙形角=30所以 ,大徑d2=d-0.5t=26-0.54=24mm ，螺紋頭數(shù) n=1所以，當(dāng)量摩擦角 v= arctg = arctg =7.04摩擦角= arctg = arctg =3.04由此可知摩擦力和慣性立力共同產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為T(mén)1= (P慣+P摩) d2/2 tg(+v)/1000 =(1+47) 12tg10.12/1000=0.122(Nm)現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件，可以看作是直徑24mm質(zhì)量1.5千克的光軸,啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JS絲 = m絲R2 =0.51.50.0122=1.0810-3 Kgcm3絲杠角速度=25( rad/s)啟動(dòng)時(shí)間為0.1秒則絲杠產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩T2=J絲 /t=1.0810-4 253.14/0.1=0.085(Nm)所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)最小力矩為T(mén)驅(qū)=T1+T2=0.122+0.085=0.207(Nm)根據(jù)實(shí)際需要和整體布局,要選大點(diǎn)的電機(jī)使臂部平衡,綜合選擇90BF003型步進(jìn)電機(jī)。2臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)不見(jiàn)支撐處的摩擦力矩計(jì)算,且啟動(dòng)過(guò)程中不是等加速運(yùn)動(dòng),故最小驅(qū)動(dòng)力比理論大些所以 .M驅(qū)=1.3(M慣 +M摩 )/其中，蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率，取=0.85 M慣 啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩 M摩 摩擦力矩 J臂部零部件對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 回轉(zhuǎn)部件的角速度，取=/6(弧度/s) t 啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間，取t=0.5秒(1)計(jì)算慣性力矩M慣 各部件的重量和距回轉(zhuǎn)軸線的距離見(jiàn)下圖 圖3-5 臂部機(jī)構(gòu)力矩分析各部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:J1=J c1+M112=0.51(0.072+0.062)+10.242=0.064Kgm2J2=J c2+M222=0.54(0.072+0.12)+40.182=0.01545Kgm2J3=J c3+M332=0.53(0.072+0.132)+30.122=0.0759Kgm2J4=J c4+M442=2+L2)+M442=2+0.222)+100.222=0.061+0.484=0.545 Kgm2J5=J c5+M552=2+L2)+M552=2+0.12)+20.252 =0.0057+0.125=0.1307 Kgm2J6=M662=1.50.0252=0.00047 Kgm2所以慣性力矩M慣=(/t)=(J1+J2+J3+J4+J5+J6)(/0.5) =(0.064+0.115+0.076+0.545+0.130+0.0005)(/0.5) =0.9405+1.047=1.016(Nm) (2)計(jì)算摩擦力矩 M摩 圖3-6摩擦力矩的計(jì)算如上圖所示可先求出臂部結(jié)構(gòu)的重心位置,再求各部分軸承的支反力,由圖可以知L=以O(shè)2為支點(diǎn)求支反力N1N1=42(N)可知N2=N1=42N,而軸承所受正壓力約為200N所以摩擦力矩M摩=(N1 D1+N2D2)= (420.04+420.03)=0.02 Nm所以驅(qū)動(dòng)力矩M慣=1.58Nm據(jù)此,我們選用步進(jìn)電機(jī)為90BF003型。 3.4本章小結(jié) 本章詳細(xì)論述了設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)的具體零部件，完成裝配圖和全部零部件圖的設(shè)計(jì)工作，也將完成一些標(biāo)準(zhǔn)器件（如電機(jī)）的選型工作。我們將按結(jié)構(gòu)分塊，分步進(jìn)行設(shè)計(jì)，閱讀本章時(shí)請(qǐng)參考總裝圖及零部件。第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1控制系統(tǒng)方案的確定 4.1.1控制方案的確定機(jī)器人控制的方式很多，就位置控制而言，有點(diǎn)位控制，連續(xù)軌跡控制。本機(jī)器人演示系統(tǒng)是為服務(wù)的，機(jī)器人主要用于完成工件的搬運(yùn)、裝配等教學(xué)演示任務(wù)，對(duì)手爪的運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有嚴(yán)格的要求，因此采用點(diǎn)位控制方式?？刂齐娐泛?jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)造價(jià)低，符合本系統(tǒng)節(jié)省費(fèi)用的原則。4.1.2驅(qū)動(dòng)方式的確定機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三種，前兩種所需輔助器件多，不易實(shí)現(xiàn)。而電機(jī)便于控制，能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，很適合在程序控制下作驅(qū)動(dòng)部件，所以選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。為滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們選用步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)用在臂部旋轉(zhuǎn)、臂部伸縮、腕部升降、手爪開(kāi)合 ，而腕部旋轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)，利用光電碼盤(pán)做反饋元件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，手部回轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)。4.1.3控制系統(tǒng)類(lèi)型的確定機(jī)器人演示系統(tǒng)是為學(xué)生開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)的，應(yīng)能開(kāi)設(shè)盡可能多的演示實(shí)驗(yàn)，還容許學(xué)生以某種方式，輸入機(jī)械手的位置，控制機(jī)器人完成設(shè)想的動(dòng)作，因此在控制策略上，采用計(jì)算機(jī)編程控制。我們采用單片機(jī)分時(shí)控制方式，用一個(gè)單片機(jī)控制機(jī)器人的各自由度的運(yùn)動(dòng)，雖然控制精度要求不高，運(yùn)動(dòng)速度較慢，但可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)的要求，能滿足為學(xué)生開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)的要求。4.1.4步進(jìn)電機(jī)控制方式的確定在控制精度要求較高的情況下，步進(jìn)電機(jī)也可采用閉環(huán)控制，但由于步進(jìn)電機(jī)有步距，難以實(shí)現(xiàn)精確的閉環(huán)控制。而步進(jìn)電機(jī)在控制精度不太高的情況下，完全可以采用開(kāi)環(huán)控制，本系統(tǒng)電機(jī)控制的速度、位置等要求精度不高，為降低成本，采用開(kāi)環(huán)控制方式。4.1.5直流電機(jī)控制方式的確定直流電機(jī)的控制方式很多，如：數(shù)字控制、軟件控制等，前者硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，后者硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制靈活，改變軟件程序，就可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)，所以我們采用軟件伺服方式。增量式光電編碼盤(pán)，可以實(shí)現(xiàn)直接輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，在軟件伺服系統(tǒng)中，適合作反饋元件。本系統(tǒng)采用增量式光電碼盤(pán)作直流電機(jī)的反饋元件。4.1.6鍵盤(pán)及顯示方式的確定為完成教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠輸入機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置參數(shù)，控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)期望的功能，能顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及位置狀態(tài)，所以控制系統(tǒng)需要鍵盤(pán)和顯示器，為降低成本和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用普通按鍵做鍵盤(pán)，采用LCD作為顯示器。 4.2演示系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體部分、控制、驅(qū)動(dòng)部分、實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成。如圖：圖 41 機(jī)器人控制框圖其中各部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)1臂部旋轉(zhuǎn)：機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為蝸輪蝸桿，傳動(dòng)比為1：62，選用電機(jī)90BF003，其性能參數(shù)（1）相數(shù)：3（2）分配方式：3向6拍，步距角1.5度（3）相電流：5安 （4）電壓：60V（4）最大靜轉(zhuǎn)矩：15Kg.cm2臂部伸縮： 其結(jié)構(gòu)采用絲杠（T264）螺母結(jié)構(gòu)，選用電機(jī)75BF003，其性能參數(shù)（1）相數(shù)：3（2）分配方式：3向6拍（3）步距角：1.5度（4）相電流：4安 （4）電壓：30V（6）最大靜轉(zhuǎn)矩：10Kg.cm3腕部升降：其傳動(dòng)副采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)（T184），電機(jī)選用55BF003，其性能參數(shù)（1）相數(shù)：3（2）分配方式：3向6拍（3）步距角1.5度（4）相電流：3安 （5）電壓：27V（6）最大靜轉(zhuǎn)矩：7Kg.cm4腕部旋轉(zhuǎn)：此部分需電機(jī)常工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，選用直流力矩電機(jī)60LY003，其性能參數(shù) （1）連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓：30V （2）連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流：1.5安 （3）連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：2kg.cm （4）峰值電壓：45V （5）峰值堵轉(zhuǎn)電流：1.5安 （6）空載轉(zhuǎn)速：1200r/min 5手爪回轉(zhuǎn)同上6手爪開(kāi)合：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母結(jié)構(gòu)，選用電機(jī)45BF003，其性能參數(shù) （1）相數(shù)：3 （2）分配方式：3向6拍 （3）步距角：1.5度 （4）相電流：2.5安 （5）電壓：27V （6）最大靜轉(zhuǎn)矩：2Kg.cm 4.3驅(qū)動(dòng)電路的研制4.3.1恒流源型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研制 4.3.1.1 驅(qū)動(dòng)電路的選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但性能較差，如基本型，有的性能好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，且難以調(diào)試，如晶閘管型、斬波型等。教學(xué)機(jī)器人控制精度要求不高，工作頻率在幾百赫茲左右，工作電流在15A，不連續(xù)工作。為簡(jiǎn)化電路，降低成本，我們選定單電壓、恒流源功放電路，用晶體管及相關(guān)電路構(gòu)成的恒流源代替基本型中的Rc，組成恒流源型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。這種電路不太復(fù)雜，安裝、調(diào)試簡(jiǎn)單，改變電阻Re，增減串聯(lián)二極管個(gè)數(shù)，可以很方便的改變工作電流，以適用不同步進(jìn)電機(jī)。這種電路的缺點(diǎn)是高頻特性差，但工作要求不高，所以可以使用。恒流源型功率放大電路原理圖圖 42 恒流源型功率放大電路原理圖 4.3.1.2 電路元件和參數(shù)的確定 與續(xù)流二極管串聯(lián)的電阻RD對(duì)電流的波形的下降沿影響很大，小則電機(jī)繞組的電流泄放時(shí)間長(zhǎng)，電流波形下降沿邊差，增大RD能改善下降沿，但開(kāi)關(guān)管承受的反電壓會(huì)增大，容易將開(kāi)關(guān)管擊穿，因此，RD也不應(yīng)過(guò)大，一般取50100，我們?nèi)?1，功率10W，泄放二極管為IN5404，前置放大管采用BU408，耐反電壓PCEO400V，最大電流TCM=5A，耗散功率PCM=60W，相配電阻Re1為300，R2為10。開(kāi)關(guān)管采用BU508，耗散功率，PCM=125W，最大電流TCM=8A，恒流源管采用BU326，耗散功率PCM=60W，最大電流TCM=8A，恒流源三極管集電極電阻100。恒流源上的限流電阻計(jì)算為：R=U/I 其中，N為恒流源上二極管個(gè)數(shù)。I為設(shè)計(jì)的工作電流，0.7為二極管壓降。這里用的二極管為IN4007，根據(jù)電機(jī)所需的工作電流，可適當(dāng)選取二極管個(gè)數(shù)N及限流電阻Re。 本電路選取 N=3，Re=0.41，這樣單向電壓可達(dá)3.5V，4.3.1.3 步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制的研制機(jī)器人三個(gè)自由度及手爪開(kāi)合驅(qū)動(dòng)采用了步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，其核心采用89C51單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的環(huán)形脈沖直接由89C51輸出口輸出，省掉環(huán)形分配器，控制框圖如下圖 43 步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制框圖4.3.2雙極型PWM直流力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的研制雙極型PWM功放電路如下圖N1，P1為達(dá)林頓管，N1為NPN型TIP31C，最大電流3A，最大耗散功率為40W，耐反電壓100V，P1與N1管參數(shù)相同，但為PNP型TIP32B， 圖 44 雙極型PWM功率放大器原理圖D1，D2為泄放二極管，用以保護(hù)N1，P1不被擊穿。光電偶合管為T(mén)LP521，將數(shù)字電路與模擬電路隔開(kāi)，7401為二輸入與非門(mén)，正邏輯；7414為六反向器，正邏輯。下面介紹工作原理：光電偶合管前部分的數(shù)字電路邏輯功能為=，真值表如圖：表4-1 直流電機(jī)控制信號(hào)邏輯電路真值表AB0011011010011111 當(dāng)輸入信號(hào)A, B為0, 1時(shí)，=1，=0，此時(shí)路光偶導(dǎo)通R3電阻有電流通過(guò)，a 點(diǎn)電位升高，達(dá)林頓管N1飽和導(dǎo)通，P1截止，+45V電壓幾乎全加在直流電機(jī)上，使直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。 當(dāng)輸入信號(hào)A, B為1, 0時(shí)，=0，=1，此時(shí)路光偶導(dǎo)通R4電阻有電流通過(guò)，達(dá)林頓管P1飽和導(dǎo)通，N1截止，-45V電壓幾乎全加在直流電機(jī)上，使直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)輸入信號(hào)A, B為0, 0或1, 1時(shí)，=1，=1，即高電平，此時(shí)兩路全截止，兩達(dá)林頓管基極均無(wú)電流通過(guò)而截止，此時(shí)電機(jī)繞組無(wú)電流通過(guò)，即停止。 當(dāng)輸入信號(hào)為相位相反的脈沖信號(hào)時(shí)，達(dá)林頓管N1，P1交替導(dǎo)通、截止，調(diào)整脈沖頻率可使直流電機(jī)處于所定狀態(tài)，改變輸入脈沖的占空比，可改變電機(jī)運(yùn)行方向和速度。4.3.3 光電碼盤(pán)的選擇和辨向電路的研制 4.3.3.1 光電碼盤(pán)的選擇 教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)中，對(duì)位置精度要求不高，直流電機(jī)反饋選用從長(zhǎng)春光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的分辨率2000的光電碼盤(pán)器作為位置反饋元件，其輸出為T(mén)TL電平，5V方波脈沖信號(hào)，所需電源電壓+5V，輸出波形為： 圖4-5 光電碼盤(pán)輸出波形 4.3.3.2 辨向電路的研制 光電碼盤(pán)直接安裝在直流電機(jī)的主軸上，在直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，即有正轉(zhuǎn)也有反轉(zhuǎn)，這樣光電碼盤(pán)輸出的脈沖信號(hào)即有正轉(zhuǎn)的也有反轉(zhuǎn)的 。為了準(zhǔn)確的檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，必須辨別光電碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。這種辨別碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的電路稱(chēng)為辨向電路，原理如圖：圖4-6 辨向電路原理圖 從碼盤(pán)輸出的兩路信號(hào)Ue，Uf在相位上互差90度。設(shè)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)Uf超前于Ue 90度，則此時(shí)Ue的上升沿A對(duì)應(yīng)于Uf的高電平，反向移動(dòng)時(shí)Ue超前于Uf 90度，這時(shí)Ue的上升沿B對(duì)應(yīng)著Uf的低電平。據(jù)此可以判別碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。采用一片單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221和一片與非門(mén)74LS00來(lái)夠成辨向電路如下圖：圖 47 辨向電路原理單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)沒(méi)有外加信號(hào)時(shí)，輸出Q為低電平；在觸發(fā)脈沖的作用下，輸出Q為高電平，并停留一段時(shí)間自動(dòng)返回低電平。此處“停留”時(shí)間在數(shù)十毫秒到數(shù)十秒范圍內(nèi)變化。它由外加電阻Rext和外加電容Cext決定，可以大致按以下公式計(jì)算：Tw=Rext*Cext*Ln2其中：電容C單位為法拉 Tw單位為秒 將第一路方波信號(hào)同時(shí)送入74LS221的上升沿觸發(fā)端A和下降沿觸發(fā)端B可以得到兩路窄脈沖（其中脈沖寬度由外接電阻，電容調(diào)節(jié)）e上、e下，將e上、e下分別與第二路方波信號(hào)Uf進(jìn)行與非運(yùn)算，輸出分別送入兩個(gè)計(jì)數(shù)器，進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣當(dāng)碼盤(pán)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)器1有脈沖，而計(jì)數(shù)器2沒(méi)有脈沖輸入；當(dāng)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)器1無(wú)脈沖輸入而計(jì)數(shù)器2有脈沖輸入，由此達(dá)到辨向的目的。4.3.4 直流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制前面介紹了直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和辨向電路，這里加上控制核心單片機(jī)，就形成了直流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖4-8 直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖在本系統(tǒng)中，直流電機(jī)用在機(jī)器人的腕部回轉(zhuǎn)和手爪回轉(zhuǎn)上?？紤]到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減少手部、腕部的質(zhì)量，直流電機(jī)與其直接相連，直流電機(jī)采用直接驅(qū)動(dòng)方式。在這種方式下，要求電機(jī)輸出較高的轉(zhuǎn)矩，較低的轉(zhuǎn)速，因此我們選用直流力矩電機(jī)。我們用軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)伺服控制，由單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)，啟動(dòng)PWM功率放大電路，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)