五自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【5自由度】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】
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2005年3月14日 星期一
為順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，對社設(shè)計(jì)的題目的狀況有了個(gè)大概的了解，我所設(shè)計(jì)的題目是：五自由度教學(xué)演示機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“首先應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)部分，其可以實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)達(dá)到教學(xué)演示的目的。
今天我參閱了相關(guān)的資料，對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成有了個(gè)大概的了解，在次做簡單的概述，通俗點(diǎn)講所謂的機(jī)器人就是為了滿足人類的需要，用一種機(jī)械裝置，按照人的意愿，實(shí)現(xiàn)一些運(yùn)動(dòng)代替人的勞動(dòng)，類似人的手，當(dāng)然我們著眼與機(jī)能方面，沒有限定在要與人的手相同。
機(jī)器人作為一個(gè)系統(tǒng)，其組成有機(jī)械手，末端執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)器、傳感器、 處理器及相關(guān)軟件組成。，通過參閱這些資料，對機(jī)器人歷史發(fā)展過程目前的狀況有了外大致的了解，對自己的設(shè)計(jì)有個(gè)很好的基礎(chǔ)。
2005年3月15日 星期二
作為機(jī)器人的餓重要組成部分，機(jī)械手的作用可以說是十分重要的，今天通過參閱資料，了解了機(jī)械手的發(fā)展，它的作用日益被人民所認(rèn)識(shí)
其一：它能部分代替人的操作其二：它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序和時(shí)間位置來完成工件的傳送和裝卸，從而大大的改善了勞動(dòng)條件。顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化。
通過對機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的概括了解對設(shè)計(jì)過程中各個(gè)組成部分的布置及驅(qū)動(dòng)件的布置有很大的益處，也為實(shí)習(xí)過程中有效快速學(xué)習(xí)總結(jié)提高了基礎(chǔ)。
2005年3月16日 星期三
在對機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，常見的驅(qū)動(dòng)方式有液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)其中液壓驅(qū)動(dòng)方式具有輸出力矩大運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，且速度較快易控制，定位精度高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，但對油液的過濾和密封要求過高，而氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式多用于具備壓縮空氣源的工廠，于液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)有1、壓縮空氣黏度小，容易達(dá)到高速
2、利于工廠中集中供氣站，不必添家動(dòng)力設(shè)備
3、氣動(dòng)元件工作壓力低，故制造要求低。
結(jié)合自己所設(shè)計(jì)的題目，兩種驅(qū)動(dòng)方式都不太適合，不適合教學(xué)演示的環(huán)境，待下次比較電動(dòng)方式后在做選擇
2005年3月17 星期四
上次對液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)做了比較，今天參閱相關(guān)的資料，對電動(dòng)做個(gè)概述和比較
電氣驅(qū)動(dòng)是目前驅(qū)動(dòng)應(yīng)用最多的方式，其動(dòng)力源簡單，無需配套使用，維修方便，便于計(jì)算機(jī)連接
電驅(qū)動(dòng)主要有兩種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)易實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，但穩(wěn)定性差，且啟動(dòng)頻率高時(shí)會(huì)產(chǎn)生丟步，多應(yīng)用于精度不高的場合
伺服電機(jī)是一種轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)受輸入信號(hào)控制，做快速反映控制電機(jī)分為直流和交流。
2005年3月18日 星期五
今天實(shí)習(xí)對直流伺服電機(jī)和交流伺服做了比較，總結(jié)如下：
1、 優(yōu)點(diǎn)（直流）
1） 相同座機(jī)時(shí)效率高
2） 機(jī)械特性好
3） 在直流系統(tǒng)中使用方便
4） 系統(tǒng)穩(wěn)定性技術(shù)比較簡單
2、 缺點(diǎn)
1） 接觸式直流電機(jī)的換向是對無線電的干擾
2） 有放大器漂移現(xiàn)象
3） 在交流系統(tǒng)中使用不方便
4） 電機(jī)的壽命受電刷的限制
對兩種電機(jī)進(jìn)行了比較，對在設(shè)計(jì)過程中的電機(jī)選擇有很大的幫助。
2005年3月21日 星期一
比較上次直流伺服和交流伺服電機(jī)，結(jié)合本次設(shè)計(jì)內(nèi)容，綜合考慮選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。今天通過去工廠，電機(jī)生產(chǎn)的中了解到步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的轉(zhuǎn)化元件，沒輸入一個(gè)脈沖電信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，它的角位移量與脈沖數(shù)成正比，速度與頻率成正比，在負(fù)載能力下，這些關(guān)系不因電源電壓環(huán)境的改變和變化，可以通過改變脈沖頻率來調(diào)速，反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)等，鑒于這些特點(diǎn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在即人控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。結(jié)合自己的題目，想想自己的各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，（試想）。
2005年3月22日 星期二
今天在工廠里通過師傅門的介紹，得知步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用十分的廣泛，對步進(jìn)電機(jī)的原理有了個(gè)很好的了解，
從原理可以知道，為使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，必須有一個(gè)切換電路，按照不同的要求來控制繞組的輸入，也就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它由邏輯序列發(fā)生器及規(guī)律驅(qū)動(dòng)電路組成，即輸入脈沖通過環(huán)行分配器，在通過方大電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
2005.3.23 星期三
在設(shè)計(jì)思考中，為使各執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)，如使臂伸縮旋轉(zhuǎn)等基本操作時(shí)，傳動(dòng)部分必不可少，今天參照各種資料對傳動(dòng)方式進(jìn)行了使用。
機(jī)器人手部夾持器的重復(fù)定位精度是機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的指標(biāo)。它的實(shí)現(xiàn)依靠兩方面因素：一是傳動(dòng)鏈精度，二是伺服精度而對傳動(dòng)系統(tǒng)而言，傳動(dòng)鏈越短，運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)越直接，則精度越高。但目前工業(yè)機(jī)器人都不是直接驅(qū)動(dòng)的，必須有中間環(huán)節(jié)，工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用減速方法，是齒輪傳動(dòng)，螺輪蝸桿傳動(dòng)。以及絲桿螺母和滾珠絲桿減速等。
齒輪傳動(dòng)和螺輪蝸桿傳動(dòng)減速有它的優(yōu)越性，且價(jià)格低廉，齒合間隙也可以調(diào)到很小，可以滿足重復(fù)定位的要求。
滾珠絲杠具有減速比大，效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于把圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，且不需要自鎖時(shí)沒，尤其適用于機(jī)器人大小臂的傳動(dòng)。
另外，還應(yīng)考慮大小臂，重心位置變化后的平衡計(jì)算問題，用相應(yīng)方法解決。
2005.2.24 星期四
實(shí)習(xí)期間，根據(jù)王老師的設(shè)計(jì)三點(diǎn)要求，結(jié)構(gòu)簡單，自由度應(yīng)具有代表性。易于教學(xué)演示，思考采用。常用臂部回轉(zhuǎn)，臂部伸縮，腕部升降，腕部回轉(zhuǎn)，手爪回轉(zhuǎn)五個(gè)自由度方向運(yùn)動(dòng)。
2005.2.25 星期五
結(jié)合上次的機(jī)構(gòu)布局圖，對各部件的運(yùn)動(dòng)形式和傳動(dòng)方式作出進(jìn)一步說明。
臂部回轉(zhuǎn)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)。主要因?yàn)槠渌鶐?dòng)的部件多，慣量大，所以轉(zhuǎn)數(shù)不 能帶高，選用VT筒減速機(jī)構(gòu)，綜合考慮其能實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，體積小，便于安裝
臂部伸縮采用絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。
腕部升降部分采用絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)為減小腕及手部機(jī)構(gòu)的重量所產(chǎn)生的傾覆力矩的作用。
腕部回轉(zhuǎn)，因?yàn)橐笾亓枯p，結(jié)構(gòu)緊湊，可以采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。
2005.3.28 星期一
結(jié)合資料今天我交接了工業(yè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制一般分為兩級控制，即主——從控制方式。
第一級，主控制計(jì)算機(jī)主要完成協(xié)調(diào)，管理，顯示，軌跡規(guī)劃，坐標(biāo)變換，插補(bǔ)，編程控制再現(xiàn)其任務(wù)。
第二級，計(jì)算機(jī)接收第一級傳來的位置指令，完成機(jī)器人各自由度運(yùn)動(dòng)控制。
從控機(jī)主要有兩種形式，一種是CPU分時(shí)控制，由一個(gè)CPU按時(shí)間順序分別控制機(jī)器人各自由度運(yùn)動(dòng)，另一種是CPU并行控制形式。
2005.3.29 星期二
集合自己題目參閱書本機(jī)器人演示系統(tǒng)是為教學(xué)服務(wù)的，應(yīng)能開設(shè)盡可能多的演示實(shí)驗(yàn)還允許學(xué)習(xí)者以某種方式，輸入機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置，控制機(jī)器人完成設(shè)想的動(dòng)作，因此決定采用微軟伺服的點(diǎn)位控制方式，使學(xué)生對機(jī)器人控制有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)。
而在控制策略上，采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的方式，這樣做能滿足實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的要求。
2005.3.30 星期三
在設(shè)計(jì)過程中，考慮的因素很多，其中經(jīng)濟(jì)性十分重要，為降低成本，在控制策略上本實(shí)驗(yàn)不必作太多的要求，因此電機(jī)選取和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)力求經(jīng)濟(jì)簡單。
控制核心用單片機(jī)控制并努力使多的軟件功能代替硬件功能，基于同樣的因素，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用簡單實(shí)用的單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)。
2005.3.31 星期四
在機(jī)器人中，傳感器應(yīng)用廣泛，而用于內(nèi)部反饋控制，也用于感知與外部環(huán)境的相互作用。
在機(jī)器人中，當(dāng)連桿個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器例如電位器，編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等將信號(hào)傳給控制器，由其[判斷各關(guān)節(jié)位置。
在特殊情況下，傳感器還會(huì)具備人類所不具備的功能如放射性探測傳感器。
本設(shè)計(jì)中用到位置傳感器，判斷運(yùn)動(dòng)位置以便于單片控制。
2005.4.1 星期五
通過這次實(shí)習(xí)，我覺得自己受益非淺，為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，在實(shí)習(xí)的同時(shí)考慮到整個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的問題，整體方案的確定，驅(qū)動(dòng)類型的選擇，以至傳動(dòng)部分各部分方式，如蝸輪蝸桿傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)等，對整個(gè)設(shè)計(jì)的完成打下了基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)完成的保障。
我會(huì)在原有的基礎(chǔ)上，繼續(xù)努力，高質(zhì)量，按進(jìn)度完成設(shè)計(jì)內(nèi)容，在此感謝王老師在此期間的指導(dǎo)。
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
年 級： 機(jī)械01-6班
題 目： 五自由度教學(xué)演示機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師： 王宏
學(xué)生姓名： 黃亞東
學(xué) 號(hào)： 27 號(hào)
2005年 04月 18日
設(shè)計(jì)題目
五自由度教學(xué)演示機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
選題的目的和意義
隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不段的擴(kuò)大，對教育培訓(xùn)部門提出了新的要求，大多數(shù)機(jī)器人專家都反復(fù)的強(qiáng)調(diào)制定培訓(xùn)規(guī)劃以為新的工作崗位準(zhǔn)備合格的勞動(dòng)力，談到培訓(xùn)就面臨一個(gè)協(xié)調(diào)問題，工業(yè)和教育團(tuán)體應(yīng)減少培訓(xùn)與需要之間的協(xié)調(diào)失誤，在學(xué)校學(xué)生應(yīng)了解市場情況，在教師的協(xié)助下調(diào)整自己的課程，使所學(xué)的知識(shí)和技能在畢業(yè)時(shí)能滿足社會(huì)的需要，提高畢業(yè)生的專業(yè)技能和更好的學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，提高教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，為此選定五自由度的機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)一套以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目的的機(jī)器人演示系統(tǒng)。
大量的采用機(jī)器人用減少失業(yè)，只是對教育和培訓(xùn)提出了新的要求，在機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用上有七種職業(yè)，即研究與開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造應(yīng)用、市場服務(wù)、維修 與教育，現(xiàn)在國外機(jī)器人制造廠家不僅開設(shè)機(jī)器人入門課程，也向?qū)W校提供資助，為學(xué)校提供有效的機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)，某些機(jī)器人制造商與院校建立密切的協(xié)調(diào)關(guān)系，我所設(shè)計(jì)的題目對教育有很大的意義，可以使學(xué)習(xí)者對機(jī)器人的全貌有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步對機(jī)器人系統(tǒng)極其適用的環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)者熟悉機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)及控制過程，從而提高專業(yè)設(shè)計(jì)水平及生產(chǎn)實(shí)踐能力。
選題背景
研究目標(biāo)、內(nèi)容和關(guān)鍵問題、采取的研究方案，及本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處和可行性分析：
研究目標(biāo)：設(shè)計(jì)出一個(gè)具有5個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)用來說明機(jī)器人 分類、結(jié)構(gòu)組成極其控制原理，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。
研究內(nèi)容：設(shè)計(jì)一種機(jī)器人結(jié)構(gòu)，使其能完成5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，并采用單片機(jī)對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制以及設(shè)計(jì)出幾個(gè)實(shí)驗(yàn)來說明演示系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能?；緝?nèi)容有系統(tǒng)分析階段和技術(shù)設(shè)計(jì)階段以及用于教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)部分。如機(jī)器人的動(dòng)作精度以及對個(gè)方面的溫度環(huán)境條件的適應(yīng)性，機(jī)器人坐標(biāo)形式的選擇，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型，控制系統(tǒng)的原理圖，各部件的具體結(jié)構(gòu)，機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵問題： 1、各自由度的方向的實(shí)現(xiàn)
2、各部件結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。
3、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型
4、各部位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5、用于教學(xué)演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及方案的確定
研究方案：為完成設(shè)計(jì)目的，選用臂部回轉(zhuǎn)、伸縮、腕部回轉(zhuǎn)、升降、及手爪的回轉(zhuǎn)5個(gè)自由度方向運(yùn)動(dòng)為主要思路，其中驅(qū)動(dòng)均采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)部分臂部回轉(zhuǎn)采用采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)、臂部伸縮采用絲杠傳動(dòng)，腕部回轉(zhuǎn)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，升降采用絲杠傳動(dòng)，采用單片機(jī)逐次對不同電機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)教學(xué)演示的目的。
創(chuàng)新點(diǎn)：結(jié)構(gòu)具有線條便于理解，使初學(xué)者較快掌握其要領(lǐng)，理解其工作原理，各驅(qū)動(dòng)部分采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，適用于機(jī)器人教學(xué)。
可執(zhí)行性：由于驅(qū)動(dòng)部分采用電機(jī)來源廣，硬件部分采用單片機(jī)，選擇性較高，用于教學(xué)演示很方便可取。
設(shè)計(jì)任務(wù)書
為順利完成設(shè)計(jì)我決定從以下方面進(jìn)展：
第一部分：緒論
1、 國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的狀況。
2、 機(jī)器人對教育、培訓(xùn)的要求及本課題的提出
3、 工業(yè)機(jī)器人的價(jià)值
第二部分：總體方案的確定
1、 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案選擇的一般原則
2、 本結(jié)構(gòu)總體方案的確定。
第三部分：各自由度方向運(yùn)動(dòng)部位的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算
1、 臂部和機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算
2、 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算
3、 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第四部分：教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第五部分：教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)
第六部分：結(jié)論
第七部分：參考文獻(xiàn)
進(jìn)度安排
周
完成內(nèi)容
1
查閱資料
2
畢業(yè)實(shí)習(xí)
3
完成開題報(bào)告
4
典型自由度選擇及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)
各自由度運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
5
6
選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)
7
繪制機(jī)器人零件圖，確定及坐標(biāo)尺寸
8
確定驅(qū)動(dòng)類型
9
擬訂控制系統(tǒng)原理圖
10
教學(xué)機(jī)器人演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)
11
撰寫論文準(zhǔn)備答辯
12
13
14
15
16
17
18
文獻(xiàn)綜述
柳洪義 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 冶金工業(yè)出版社 2002年
方鍵軍 智能機(jī)器人 化學(xué)各種業(yè)出版社 2003年
何廣平 關(guān)節(jié)型機(jī)器人 化學(xué)各種業(yè)出版社 2003年
吳振彪 工業(yè)機(jī)器人 華中科技大學(xué)出版社 1996年
孟繁華 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 哈工大出版社1988年
導(dǎo)師
評語
導(dǎo)師簽字：
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)(或論文)說明書 頁
摘要
隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的擴(kuò)大，對教育培訓(xùn)部門提出了新的要求，為提高機(jī)器人教學(xué)的水平，我們研制了一套以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目的的機(jī)器人演示系統(tǒng)。
本文闡述了機(jī)器人的發(fā)展歷程，國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，及其巨大的優(yōu)越性，提出具體的機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了本演示系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)和各自由度具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算；對演示系統(tǒng)的控制部分的研制，其中包括：進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制；光電碼盤為反饋元件的，以PWM型功放電路為驅(qū)動(dòng)器的直流電機(jī)閉環(huán)控制；以89C51單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)演示系統(tǒng)的鍵盤管理和LCD顯示，并以單CPU分時(shí)控制形式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)位控制方式。
最后設(shè)計(jì)制定出利用本演示系統(tǒng)所開設(shè)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書。
關(guān)鍵字：教學(xué)機(jī)器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閉環(huán)控制、演示實(shí)驗(yàn)
Abstract
With the development of robot technology, the continual expansion of application of industrial robots presents newrequire-ments before education and training agencies.We have developed a robot demonstration system for experiments in training to improve the teaching effect of “Robot Teaching”.
Firstly, this paper discusses the development course ,the study both in demestic and in external, the significant advantages of robot and then gives the supporting source of the study and the technical requirements, Secoundly,this paper discusses the overall design and calculation on each degree of freedom ，and about the study on the control part of the Training Robot system,which includes the open-loop control of the stepping motor ,the digital closed-loop control of the DC motor with an optical-electrical encoder as feedback cell and the PWM power amplifier as driver .The keyboard management and the LCD display is based on a 89C51 singal plate computer .It is achieved in point to point control by a singal CPU with share time.
At the end, it presents guidances to some experiments on the demonstration system.
Keywords: Training Robot、Structure Design、Closed-Loop Control 、Demonstrating Experiment.
目 錄
摘要 1
Abstract 2
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)器人概述 1
1.1.1 機(jī)器人的誕生與發(fā)展 1
1.1.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 2
1.1.3 國外機(jī)器人發(fā)展趨勢 3
1.2 機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對教育、培訓(xùn)的要求及本課題的提出 3
第2章 總體設(shè)計(jì)方案 5
2.1 總體設(shè)計(jì)的思路 5
2.2 總體方案的確定 5
2.2.1 坐標(biāo)形式的選擇 6
2.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型選擇 6
2.2.3 各部位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 6
2.2.4 外形尺寸和運(yùn)動(dòng)范圍的確定 7
2.2.5 控制系統(tǒng)的確定 7
第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 9
3.1 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1.1 概述 9
3.1.2 手部的結(jié)構(gòu)和手指形狀的確定 9
3.1.3 手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算和電機(jī)的選擇 10
3.2 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.2.1 概述 13
3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.3 臂部及機(jī)身（底座）的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.3.1 概述 18
3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 19
第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25
4.1 控制系統(tǒng)方案的確定 25
4.1.1 控制方案的確定 25
4.1.2 驅(qū)動(dòng)方式的確定 25
4.1.3 控制系統(tǒng)類型的確定 25
4.1.4 步進(jìn)電機(jī)控制方式的確定 26
4.1.5 直流電機(jī)控制方式的確定 26
4.1.6 鍵盤及顯示方式的確定 26
4.2 演示系統(tǒng)的組成 26
4.3 驅(qū)動(dòng)電路的研制 29
4.3.1 恒流源型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研制 29
4.3.2 雙極型PWM直流力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的研制 31
4.3.3 光電碼盤的選擇和辯向電路的研制， 33
4.3.4 直流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。 36
4.3.5 以單片機(jī)為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制 36
第5章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 46
第6章 教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 47
6.1 實(shí)驗(yàn)一 教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu) 47
6.2 實(shí)驗(yàn)二：教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn) 48
結(jié)論 50
專題部分:——旋轉(zhuǎn)電機(jī)的分類及其總結(jié) 51
致謝 61
參考文獻(xiàn) 62
附錄1 63
附錄2 70
附錄3 75
IV
畢業(yè)設(shè)計(jì)(或論文)說明書 共77頁
第1章 緒論
1.1 機(jī)器人概述
1.1.1 機(jī)器人的誕生和發(fā)展
1920年克作家卡雷爾.卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》。劇情是這樣的 ：羅薩姆公司把機(jī)器人作為人類生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品推向市場，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，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)展對人類社會(huì)的影響。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”(農(nóng)奴) 寫成了“Robot”（機(jī)器人）。這也是人類社會(huì)首次使用“機(jī)器人”這一概念。
自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)的誕生，推動(dòng)了現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展
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年美國戴沃爾發(fā)表了“通用重復(fù)型機(jī)器人”的專利論文，首次提出“ 工業(yè)機(jī)器人”的概念；1958年美國聯(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)入成長期，機(jī)器人開始向?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 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了美國 ，一舉成為“機(jī)器人王國”。
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，開始在汽車、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81 000臺(tái)，1991年新裝備76 000臺(tái)。1991年底世界上已有53萬臺(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 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“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)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(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)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(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、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)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
我國的智能機(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米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(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)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，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)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(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 國外機(jī)器人發(fā)展趨勢
國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢：
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10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。
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)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。
3．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(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、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(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)境中的感覺來操縱機(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)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。
1.2 機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對教育、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)器人就需要專門的培訓(xùn)使用機(jī)器人的具有較高水平和技術(shù)人員，這無疑對教育和培訓(xùn)提出新的要求，大多數(shù)機(jī)器人專家都反復(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)了解市場情況，在教師的協(xié)助下開設(shè)和調(diào)整自己的課程，使所學(xué)的專業(yè)和技能在畢業(yè)的時(shí)候滿足社會(huì)的需求。
對機(jī)器人，人們的頭一個(gè)問題就是：機(jī)器人是否會(huì)造成失業(yè)？應(yīng)該說大量采用機(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)器人對社會(huì)的沖擊就是再培訓(xùn)的課題。
大量采用機(jī)器人不回帶來失業(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、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用、市場、服務(wù)、維修和教育，而潛在的部門是機(jī)器人制造部門，教育機(jī)構(gòu)和機(jī)器人相關(guān)部門?，F(xiàn)在國外機(jī)器人制造廠家不僅自己開設(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，美國有很多大學(xué)開設(shè)了機(jī)器人課程。
早我國，許多大學(xué)也開設(shè)了機(jī)器人方面的課程（如上海交大，華中科技大學(xué)等），也有很多研究開發(fā)機(jī)器人的研究機(jī)構(gòu)，但資金問題是困饒機(jī)器人發(fā)展的障礙，在教學(xué)中也面臨相同的問題。但教學(xué)課程上，只是紙上談兵，沒有一點(diǎn)直觀的印象，關(guān)鍵是設(shè)備問題，研制一個(gè)價(jià)格低廉、性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡單、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)。
第2章 總體設(shè)計(jì)方案
在確定機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案前，必須對機(jī)器人設(shè)計(jì)基本步驟及其基本原則，使設(shè)計(jì)的方案更合理
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空做范圍，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
提到總體方案的確定，讓我們重復(fù)下本課題的要求：
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)的類型選擇
因?yàn)楝F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中電機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)，基本設(shè)想采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
整體結(jié)構(gòu)布局的確定
在確定整體結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到課題的基本要求，覺得采用模塊式結(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為控制腕不粉回轉(zhuǎn)的位置傳感器，8實(shí)現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)，如圖所示：
綜合考慮此設(shè)計(jì)，可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)具有線條簡潔明快，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
我們從底座開始，分別的一一 考慮。
首先是臂部的回轉(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)絲杠螺母傳動(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）
腕部升降也采用絲杠傳動(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)，位置檢測采用光電碼盤。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：600×600×700范圍內(nèi)
2、 臂部回轉(zhuǎn)：0～360°
3、 臂部伸縮：80mm
4、 腕部升降：70 mm
5、 腕部回轉(zhuǎn)：0～180°
6、 手爪回轉(zhuǎn)：90°
7、 手指開合：±5～10°
8、 抓重 0.5 Kg
運(yùn)動(dòng)速度、控制精度的確定
因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是教學(xué)演示用的，為節(jié)約資金，對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、手爪開合采用步進(jìn)電機(jī)開環(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)加裝光電碼盤實(shí)現(xiàn)，顯示部分采用LCD液晶顯示模塊。
第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
本章將詳細(xì)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)，閱讀本章是請參考總裝圖及零部件。3.1 手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來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門設(shè)計(jì)的，按起我持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：
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,手指開合5.10。我們決定選擇滑槽杠桿支點(diǎn)回轉(zhuǎn)手部。這種結(jié)構(gòu)可通過各桿之間的角度或桿長，該變握力的大小及指間的開閉角。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活，夾持范圍大，這種手部的結(jié)構(gòu)比較簡單，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塊型式，也是機(jī)器人手指形狀中較常用的形式，爭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)和零部件尺寸見圖紙
圖 3 1手部結(jié)構(gòu)簡圖
3.1.3 手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算和電機(jī)的選擇
我們先做手指工作時(shí)的簡圖，然后做力的分析
1.1.3.1握力計(jì)算
由初始設(shè)計(jì)可知，G=5N
則 N=×G
——方位系數(shù)，他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 θ —— 型手指半角 ，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知 tgθ=2.75故θ=70°
f—為其與工件的摩擦系數(shù)，取0.17
所以
N =K3×G=2.764×5=13.82(N)
圖 3 2滑槽杠桿式手部受力分析
1.1.3.2
上圖是滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)及受力分析間圖。絲桿通過銷軸的向上的拉力（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OO1和 OO2 ?；蹖︿N軸的反作用力為P1和 P2。且其延長線交 A 、B 點(diǎn)，由于∠OB和 ∠OA為直角，故 ∠AOC =∠BOC = α。根據(jù)軸銷的力平衡條件得： P1=P2；
P=2×P1×cosα
由手指的力矩平衡條件得：
h=N×b
因?yàn)? = P1 ，h=
所以， P= 2b cosα×N×
式中， a ——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心距離
α——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
α= arctg17/25 = 34.22°
所以，銷軸或螺母所受力（驅(qū)動(dòng)力的反作用力）
P = 2b cosα×N×
=26.461（N）
考慮工件在加工過程中產(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1.2——1.6，
K2——工作情況系數(shù)，且K2=1+a/g
A:機(jī)構(gòu)的加速度。
η ——機(jī)械效率
Ps≥ P×==42.2(N)
1.1.3.3扭距計(jì)算
我們先來計(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
λ= arctg=arctg=3.31°
螺紋的當(dāng)量摩擦角
ρv= arctg = rctg=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15°
λ<ρv
所以，此絲桿螺母機(jī)構(gòu)可安全自鎖
下面來計(jì)算驅(qū)動(dòng)力距
Tq=T1+T2+T3
其中T1—螺旋副摩擦力矩
T1=F×(d2/2)×tg(λ+ρv) (Nm)
F – 螺旋副軸向載荷 ,N
D2—螺旋副中徑 ， M
ρv ——當(dāng)量摩擦角
λ——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(λ+ρv)
=42.2×(11/2) ×tg(3.31°+5.91°)
=0.04N
1.1.3.4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 距，
據(jù)此，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品樣本手冊，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距，動(dòng)件與缸壁、端蓋等處的摩擦阻力距，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)生的偏重力距。
而對于本系統(tǒng)來說，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65*65*70mm的一個(gè)重0.4mm的長方體。
4）手指工件，可將它看成是一個(gè)70*60*50的長方體，重0.8公斤，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+Mm+Mf
其中：Mg ——慣性力矩。
Mp ——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量對轉(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， Mg
設(shè) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 ω= π/6/s
啟動(dòng)過程時(shí)間為 △t =0.4s
則 J1=1/2×M1R2
電機(jī)罩及電機(jī)可看作一個(gè)半徑是50mm，重0.45公斤的圓柱體。
則 J2=1/2×M1R2=1/2×0.45×(0..5/2)2
變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J3=1/2M3(a2+b2)
=1/2×0.4×(0..652+0..652)
=1.69×10kgcm2
手部機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J4= 1/2M4(a2+b2 )+M4e2
=1/2×0.8×(0.072+0.0.62)+0.8×0.0652
=6.78×10kgcm2
由此可知，
Mg=(J1+J2+J3+J4) ×ω/ △t
=(0.0000098+0.00014+0.00169+0.00678) ×π/6/0.4
=0.0113(NM)
（2） 摩擦力距， Mm
先估算兩軸承部位所受的壓力。
圖 3 3
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，
所以，Mp=G4×e=0.8×9.8×0.065=0.50(Nm)
(4)密封處的摩擦阻力距
本系統(tǒng)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對密封沒有嚴(yán)格要求，這部分阻力距可以咯去不計(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)，公稱尺寸d=18mm, 梯形螺紋牙型角
α =30° ,螺距t=4mm, 中徑d2=d-0.5t=18-0.5×4=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 ρv= arctg = arctg =8.2°
摩擦角λ= arctg = arctg =4.55°
λ〈ρv ，滿足自鎖條件。
下面來計(jì)算腕部升降所需的驅(qū)動(dòng)力
圖 3 4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腕部所有結(jié)構(gòu)的重量Gqw 。
由力矩平衡得：
N1×30=Gw×44+Gs×(65+44)
估算 Gw=24.5N Gs=7.84N Gqw=35N
所以,N1=N2===64.4(N)
F1=F2=N1×f=64.4×0.11=7.08(N)
所以加在螺母上的全部軸向力
P=Gqw+2F1=35+2*7.08=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
PSJ≥P×
其中 K1——安全系數(shù)，取 K1=1.2 V～ 1.6
K2 ——工作情況系數(shù)，取K2=1+a/g a: 機(jī)構(gòu)的加速度
η——機(jī)械效率 取η=0.85
所以驅(qū)動(dòng)力矩為Tq= PSJ×(d/2)tg(λ+ρv)/1000
=75.97×8×tg(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。臂都的運(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)，可沿地面過架空軌道運(yùn)動(dòng)。
手臂部件（簡稱臂部和手臂）是機(jī)器人的組要執(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)它們在空間運(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,而且手及腕部君安在臂部,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),可以避免頭重腳清的影響,同時(shí)應(yīng)盡量的是臂部的結(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、蝸桿一級減速,沒有采用多級齒輪減速(其一級減速齒輪太大),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α=20° 模數(shù)m=1 蝸輪變位系數(shù) X2=0
蝸桿軸向齒距Px=πm
蝸桿分度圓直徑 d1=mz1/tanγ=18(標(biāo)準(zhǔn)值)
蝸桿齒頂圓直徑da1=d1+2ha1=d1+2ha*=18+2×1=20
蝸桿齒根圓直徑df1=d1-2hf1=d1-2m(ha*+c*)=18-2×1.2=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 查表
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
(1) P慣 手臂在運(yùn)動(dòng)過程中的慣性力
因演示系統(tǒng)對速度沒有嚴(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=20×0.05=1(N)
(2) P摩 —摩擦阻力矩
P摩 =2f×g=2×0.12×20×9.8=47.02(N)
(3) P密 —本系統(tǒng)對密封并無嚴(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),知螺旋副公稱值為T26×4
即中徑 d=26mm 螺距 t=4mm 牙形角 α=30°
所以 中徑d2=d-0.5t=26-0.5×4=24mm ，螺紋頭數(shù) n=1
所以，當(dāng)量摩擦角 ρv= arctg = arctg =7.04°
摩擦角λ= 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
T1= (P慣+P摩) d2/2 ×tg(λ+ρv)/1000
=(1+47) ×12×tg10.12°/1000
=0.122(Nm)
現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件所產(chǎn)生的慣性矩
現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件可以看作是半徑24mm質(zhì)量1.5千克的光軸,起轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JS絲 = m絲×R2 =0.5×1.5×0.0122
=1.08×10-3 Kgcm3
絲杠角速度ω===25π( 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 ×ω/△t=1.08×10-4 ×25×3.14/0.1=0.085(Nm)
所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)最小力矩為T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)不見支撐處的摩擦力矩計(jì)算,且啟動(dòng)過程中不是等加速運(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 )/η
其中, η為蝸輪,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 臂部零部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
ω 回轉(zhuǎn)部件的角速度 取ω=π/6(弧度/s)
△t 啟動(dòng)過程時(shí)間 取0.5秒
(1)計(jì)算慣性力矩M慣 各部件的重量和距回轉(zhuǎn)軸線的距離見下圖
圖 3 5 臂部機(jī)構(gòu)力矩分析
各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
J1=J c1+M1ρ12=0.5×1×(0.072+0.062)+1×0.242=0.064Kgm2
J2=J c2+M2ρ22=0.5×4×(0.072+0.12)+4×0.182=0.01545Kgm2
J3=J c3+M3ρ32=0.5×3×(0.072+0.132)+3×0.122=0.0759Kgm2
J4=J c4+M4ρ42=2+L2)+M4ρ42=2+0.222)+10×0.222
=0.061+0.484=0.545 Kgm2
J5=J c5+M5ρ52=2+L2)+M5ρ52=2+0.12)+2×0.252
=0.0057+0.125=0.1307 Kgm2
J5=M5ρ52=×1.5×0.0252=0.00047 Kgm2
所以慣性力矩M慣=×(ω/△t)=(J1+J2+J3+J4+J5+J6)×(π/6/0.5)
=(0.064+0.115+0.076+0.545+0.130+0.0005)×(3.14/6/0.5)
=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,在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N1
N1===42(N)
可知N2=N1=42NN,而軸承所受正壓力約為200N
所以摩擦力矩M摩=(N1 D1+N2D2)= (42×0.04+42×0.03)=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
第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
教學(xué)機(jī)器人控制方案的確定，主要以教學(xué)為目的，以控制簡單，成本底為原則，根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)制定適當(dāng)?shù)目刂品桨浮?
4.1 控制系統(tǒng)方案的確定
4.1.1 控制方案的確定
機(jī)器人控制方式的很多，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)，對手爪的運(yùn)動(dòng)軌跡沒有嚴(yán)格的要求，因此采用點(diǎn)位控制方式。
控制電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)造價(jià)底，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做驅(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)兩種步進(jìn)電機(jī)在臂部旋轉(zhuǎn)、臂部伸縮、腕部 升降、手爪開合 ，而腕部旋轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)，利用光電碼盤做反饋元件，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)類型的確定
機(jī)器人演示系統(tǒng)是為學(xué)生開設(shè)實(shí)驗(yàn)的，應(yīng)能開設(shè)盡可能多的演示實(shí)驗(yàn)，還容許學(xué)生以某中方式，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)器人的個(gè)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，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，適合做反饋元件。本系統(tǒng)采用增量式光電碼盤做直流電機(jī)的反饋元件。
4.1.6 鍵盤及顯示方式的確定
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)需要鍵盤和顯示器，為降低成本和設(shè)計(jì)簡單，采用普通按鍵做鍵盤，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 4 1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
（5） 最大靜轉(zhuǎn)距：15Kg.cm
2、臂部伸縮:: 其結(jié)構(gòu)采用絲杠（T26×4）螺母結(jié)構(gòu)，選用電機(jī)75BFOO3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
（5）電壓：30V
（6）最大靜轉(zhuǎn)距：10Kg.cm
3、腕部升降：其傳動(dòng)副采用絲杠螺母傳動(dòng)（T18*4）電機(jī)選用55BF003參數(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)距：7Kg.cm
4、腕部旋轉(zhuǎn)此部分需電機(jī)長工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，選用直流力矩電機(jī)60LY003參數(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)距：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：1200/min
5 、部回轉(zhuǎn)同上
6、手爪：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母結(jié)構(gòu)，選用電機(jī)45BF003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)距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1-5A，不聯(lián)系工作。為簡化電路，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 4 2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的對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，電流波形下降沿邊差，增大RD能改善下降沿，但開關(guān)管承受的反電壓回增大，容易將開關(guān)管擊穿，因此RD也不應(yīng)過大，一般取50～100，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PCEO＞400V，最大電流TCM =5A，耗散功率PCM=60W，相配電阻Re1為300，R2為10。
開關(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 恒流源上二極管個(gè)數(shù)
I 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=0.4～1，這樣單向電壓可達(dá)3.5A，
4.3.1.3步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制的研制
機(jī)器人三個(gè)自由度及手爪開合驅(qū)動(dòng)采用了步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，其核心采用8051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8051輸出口輸出，省掉環(huán)形分配器，控制框圖如下
圖 4 3步進(jìn)電機(jī)開環(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 4 4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TLP521，將數(shù)字電路與模擬電路隔開，7401為二輸入與非門，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：
表格 1直流電機(jī)控制信號(hào)邏輯電路真值表
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，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，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00或11時(shí)，=1，=1，即高電平，此時(shí)兩路全截止，兩達(dá)林頓管基極軍無電流通過而截止，此時(shí)電機(jī)繞組無電流通過，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 光電碼盤的選擇和辯向電路的研制，
1.3.3.1：光電碼盤的選擇
教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)中，對位置精度要求不高，直流電機(jī)反饋選用從長春光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的分辨率2000的光電碼盤器作為位置反饋元件，其輸出為TTL電平，5V方波脈沖信號(hào)，所需電源電壓+5V輸出波形為：
1.3.3.2辨向電路的研制
光電碼盤直接安裝在直流電機(jī)的主軸上，在直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，即有正轉(zhuǎn)也有反轉(zhuǎn)，這樣光電碼盤輸出的脈沖信號(hào)即有正轉(zhuǎn)的也有反轉(zhuǎn)的 。為了準(zhǔn)確的檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，必須辨別光電碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。這種辨別碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向的電路稱為辨向電路，原理如圖：
圖表 1辨向電路原理圖
從碼盤輸出的兩路信號(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Ue90度，則此時(shí)Ue的上升沿A對應(yīng)于Uf的高電平，反向移動(dòng)時(shí)Ue超前于Uf90度，這時(shí)Ue的上升沿B對應(yīng)著Uf的低電平。據(jù)此可以判別碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。
我們采用一片單穩(wěn)態(tài)觸法器74LS221和一片與非門74LS00來夠成辨向電路如下圖：
圖 4 5辨向電路原理圖
單穩(wěn)態(tài)觸法器74LS221只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)沒有外加信號(hào)時(shí)，輸出Q為低電平；在出發(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沒有脈沖輸入；當(dāng)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)器1無脈沖輸入而計(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)。
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。考慮到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減少手部、
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