【文章內(nèi)容簡介】 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?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(jí)減速,沒有采用多級(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α=20176。 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+21=20蝸桿齒根圓直徑df1=d12hf1=d12m(ha*+c*)=182=蝸桿齒頂高: ha1=ha*m=1 ha*=1頂隙c=c* m= c*=蝸桿齒根高: hf1=(ha*+ c*)m=(d1df)=蝸桿齒高: h1=ha1+hf1=(da1df1)= ()=蝸桿齒寬: b1=50 查表得蝸輪分度圓直徑:d2=m Z2=2a1d12 X2m=8018=62蝸輪齒頂圓直徑:da2=d2+2ha2=62+2=64蝸輪齒根圓直徑: df2=d22hf2==蝸輪齒頂高:ha2=(da2d2)/2=m(ha*+ X2)=1蝸輪齒根高: hf2=(d2df2)=1(1+)=蝸輪齒高:h2=ha2+hf2=+1=蝸輪齒寬:b2=15 查表 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算手臂做伸縮運(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(duì)速度沒有嚴(yán)格的要求,故可設(shè)正常運(yùn)動(dòng)速度 V=,=(m/s2 )所以 P慣=a=20=1(N)(2) P摩 —摩擦阻力矩P摩 =2fg=220=(N)(3) P密 —本系統(tǒng)對(duì)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+=在根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),知螺旋副公稱值為T264即中徑 d=26mm 螺距 t=4mm 牙形角 α=30176。所以 中徑d2==4=24mm ，螺紋頭數(shù) n=1所以，當(dāng)量摩擦角 ρv= arctg = arctg =176。摩擦角λ= arctg = arctg =176。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) 12176。/1000=(Nm)現(xiàn)在考慮絲杠及其附帶零件所產(chǎn)生的慣性矩,起轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JS絲 = m絲R2 ==103 Kgcm3絲杠角速度ω===25π( rad/s)T2=J絲 ω/△t=104 25(Nm)所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)最小力矩為T驅(qū)=T1+T2=+=( 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).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)=(M慣 +M摩 )/η其中, η為蝸輪,蝸桿傳動(dòng)效率 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 (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 35 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+M1ρ12=1(+)+1=J2=J c2+M2ρ22=4(+)+4=J3=J c3+M3ρ32=3(+)+3=J4=J c4+M4ρ42=2+L2)+M4ρ42=2+)+10=+= Kgm2J5=J c5+M5ρ52=2+L2)+M5ρ52=2+)+2 =+= Kgm2J5=M5ρ52== Kgm2所以慣性力矩M慣=(ω/△t)=(J1+J2+J3+J4+J5+J6)(π/6/) =(+++++)()=+=(Nm)(2)計(jì)算摩擦力矩 M摩 圖 36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N1N1===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+42)= Nm所以驅(qū)動(dòng)力矩M慣===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?控制系統(tǒng)方案的確定 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(duì)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?？刂齐娐泛唵?，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。 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)。 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。 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。 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。 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。 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)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：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)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：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：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：（4）峰值電壓：45V（5）（6）空載轉(zhuǎn)速：1200/min 5 、部回轉(zhuǎn)同上手爪：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） 驅(qū)動(dòng)電路的研制 恒流源型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研制步進(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15A，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 42恒流源型功率放大電路原理圖：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(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，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 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=～1， 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 43步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制框圖 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。 光電碼盤的選擇和辯向電路的研制， ：光電碼盤的選擇 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： 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(duì)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(duì)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