【文章內容簡介】 沿地面過架空軌道運動。 手臂部件（簡稱臂部和手臂）是機器人的組要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部（關節(jié)）和手部（包括工件和工具），并帶動它們在空間運動，臂部還安裝一些傳動驅動機構，從臂部的受力情況來看，它在工作中直接承受腕，手和工件的靜動載荷，自身運動 又較多，所以受力情況復雜。我們采用機座式機身,臂部安裝在機座立柱的頂端,在臂部只實現(xiàn)伸縮運動,而臂部的回轉由機座上安裝的電機驅動減速機構進一步驅動立柱帶動臂部回轉,由于臂部質量大,而且手及腕部君安在臂部,驅動臂部回轉的功率較大,這樣的配置可以使結構大的部分裝在機座內,可以避免頭重腳清的影響,同時應盡量的是臂部的結構重心靠近立柱,臂部和立柱連接是快速可換的,以實現(xiàn)總體設計的思想—條塊清晰、結構簡單. 臂部的主體結構設計成板狀連接的,這樣可以減輕臂部的質量,可以提高剛度,加工時方便實現(xiàn),驅動方式采用步進電機驅動絲杠、螺母機構,為降低成本,沒有采用滾珠絲杠,只采用滑動絲杠. 臂部回轉的速度和加速度都不應過大,所以減速環(huán)節(jié)就要有較大的傳動比,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(標準值)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 結構設計計算手臂做伸縮運動時的所需要的驅動力P驅=P慣+P摩+P密 在此估算所有參與臂部伸縮運動零件的總質量為=20Kg(1) P慣 手臂在運動過程中的慣性力 因演示系統(tǒng)對速度沒有嚴格的要求,故可設正常運動速度 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)對密封并無嚴格要求,故忽略不計所以 P驅=P慣+P摩+P密 =1+=在根據(jù)結構設計,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生的轉矩為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生的慣性矩,起轉動慣量 JS絲 = m絲R2 ==103 Kgcm3絲杠角速度ω===25π( rad/s)T2=J絲 ω/△t=104 25(Nm)所以電機驅動最小力矩為T驅=T1+T2=+=( Nm)根據(jù)實際需要和整體布局,要選大點的電機使臂部平衡,綜合選擇90BF003型步進電機.臂部回轉運動的計算臂部回轉運動的驅動力矩應根據(jù)啟動時產生的慣性力矩與回轉不見支撐處的摩擦力矩計算,且啟動過程中不是等加速運動,故最小驅動力比理論大些所以 .M驅=(M慣 +M摩 )/η其中, η為蝸輪,蝸桿傳動效率 M慣 啟動時的慣性力矩M摩 摩擦力矩J 臂部零部件對其回轉軸線的轉動慣量ω 回轉部件的角速度 取ω=π/6(弧度/s)△t 啟動過程時間 (1)計算慣性力矩M慣 各部件的重量和距回轉軸線的距離見下圖 圖 35 臂部機構力矩分析各部件對回轉軸的轉動慣量為: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)計算摩擦力矩 M摩 圖 36摩擦力矩的計算如上圖所示可先求出臂部結構的重心位置,在求各部分軸承的支反力,由圖可以知L==以O2為支點求支反力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所以驅動力矩M慣===據(jù)此,我們選用步進電機為90BF003型第4章 控制系統(tǒng)設計教學機器人控制方案的確定，主要以教學為目的，以控制簡單，成本底為原則，根據(jù)機器人的機械結構制定適當?shù)目刂品桨浮?控制系統(tǒng)方案的確定 控制方案的確定 機器人控制方式的很多，就位置控制而言，有點位控制，連續(xù)軌跡控制。本機器人演示系統(tǒng)是為 服務的，機器人主要用于完成工件的搬運、裝配等教學演示任務，對手爪的運動軌跡沒有嚴格的要求，因此采用點位控制方式?？刂齐娐泛唵危子趯崿F(xiàn)造價底，符合本系統(tǒng)節(jié)省費用的原則。 驅動方式的確定 機器人驅動方式主要有液壓、氣動和電動三種，前兩種所需輔助器件多，不易實現(xiàn)。而電機便于控制，能實現(xiàn)較復雜的運動，很適合在程序控制下做驅動部件，所以選擇電機驅動方式。為滿足教學實驗，我們選用步進電機和直流電機兩種步進電機在臂部旋轉、臂部伸縮、腕部 升降、手爪開合 ，而腕部旋轉采用直流電機，利用光電碼盤做反饋元件，實現(xiàn)閉環(huán)控制、手部回轉采用直流電機。 控制系統(tǒng)類型的確定 機器人演示系統(tǒng)是為學生開設實驗的，應能開設盡可能多的演示實驗，還容許學生以某中方式，輸入機械手的位置，控制機器人完成設想的動作，因此在控制策略上，采用計算機編程控制。我們采用單片機分時控制方式，用一個單片機控制機器人的個自由度的運動，雖然控制精度要求不高，運動速度較慢，但可以實現(xiàn)機器人基本運動的要求，能滿足為學生開設實驗的要求。 步進電機控制方式的確定 在控制精度要求較高的情況下，步進電機也可采用閉環(huán)控制，但由于步進電機有步距，難以實現(xiàn)精確的閉環(huán)控制。而步進電機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。 直流電機控制方式的確定 直流電機的控制方式很多如：數(shù)字控制、軟件控制等，前者硬件結構復雜、成本高，后者硬件結構簡單，成本低，控制靈活，改變軟件程序，就可以使電機實現(xiàn)多種運動，所以我們采用軟件伺服方式。增量式光電編碼盤，可以實現(xiàn)直接輸出數(shù)字脈沖信號，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的反饋元件。 鍵盤及顯示方式的確定 為完成教學演示實驗，使學生能夠輸入機器人的運動位置參數(shù)，控制機器人實現(xiàn)期望的功能，能顯示機器人的運動及位置狀態(tài)，所以控制系統(tǒng)需要鍵盤和顯示器，為降低成本和設計簡單，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)主要由機器人本體部分、控制、驅動部分、實驗臺組成。如圖：圖 41機器人控制框圖其中各部分驅動電機的性能參數(shù)臂部旋轉：機械傳動機構為蝸輪蝸桿，傳動比為1：62，選用電機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） 最大靜轉距：臂部伸縮:: 其結構采用絲杠（T264）螺母結構，選用電機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）最大靜轉距：腕部升降：其傳動副采用絲杠螺母傳動（T18*4）電機選用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）最大靜轉距：腕部旋轉此部分需電機長工作在堵轉狀態(tài)，選用直流力矩電機60LY003參數(shù)（1）連續(xù)堵轉電壓：：30V（2）連續(xù)堵轉電流1。5安（3）連續(xù)堵轉轉距：（4）峰值電壓：45V（5）（6）空載轉速：1200/min 5 、部回轉同上手爪：傳動機構采用絲杠螺母結構，選用電機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） 驅動電路的研制 恒流源型步進電機驅動電路的研制步進電機驅動電路，有的結構簡單但性能較差，如基本型，有的性能好，但結構復雜、造價高，且難以調試，如晶閘管型、斬波型等。教學機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，用晶體管及相關電路構成的恒流源代替基本型中的Rc，組成恒流源型步進電機驅動電路。這種電路不太復雜，安裝、調試簡單，改變電阻Re，增減串聯(lián)二極管個數(shù)，可以很方便的改變工作電流，以適用不同步進電機。這種電路的缺點是高頻特性差，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的對電流的波形的下降沿影響很大，小則電機繞組的電流泄放時間長，電流波形下降沿邊差，增大RD能改善下降沿，但開關管承受的反電壓回增大，容易將開關管擊穿，因此RD也不應過大，一般取50～100，我們取51，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算為：R=U/I 其中 N 恒流源上二極管個數(shù) I 設計的工作電流 這里用的二極管為IN4007，根據(jù)電機所需的工作電流，可適當選取二極管個數(shù)N及限流電阻Re. 本電路選取 N=3，Re=～1， 機器人三個自由度及手爪開合驅動采用了步進電機開環(huán)控制，其核心采用8051單片機，步進電機驅動所需的環(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步進電機開環(huán)控制框圖 雙極型PWM直流力矩電機的驅動電路的研制雙極型PWM功放電路如下圖N1，P1為達林頓管，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直流電機控制信號邏輯電路真值表 當輸入信號A，B為0，1時，=1，=0，此時路光偶導通R3電阻有電流通過，a 點電位升高，達林頓管N1飽和導通，P1截止，+45V電壓幾乎全加在直流電機上，使直流電機正轉。當輸入信號A，B為1，0時，=0，=1，此時路光偶導通R4電阻有電流通過，達林頓管P1飽和導通，N1截止，45V電壓幾乎全加在直流電機上，使直流電機反轉。當輸入信號A，B為00或11時，=1，=1，即高電平，此時兩路全截止，兩達林頓管基極軍無電流通過而截止，此時電機繞組無電流通過，即停止。當輸入信號為相位相反的脈沖信號時，達林頓管N1，P1交替導通，截止，調整脈沖頻率可使直流電機處于所定狀態(tài)，改變輸入脈沖的占空比，可改變電機運行方向和速度。 光電碼盤的選擇和辯向電路的研制， ：光電碼盤的選擇 教學機器人演示系統(tǒng)中，對位置精度要求不高，直流電機反饋選用從長春光學儀器廠生產的分辨率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，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的主軸上，在直流電機轉動的過程中，即有正轉也有反轉，這樣光電碼盤輸出的脈沖信號即有正轉的也有反轉的 。為了準確的檢測電機的轉動角度，必須辨別光電碼盤的轉動方向。這種辨別碼盤轉動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Ue,Uf在相位上互差90度。設正向運動時Uf超前于Ue90度，則此時Ue的上升沿A對應于Uf的高電平，反向移動時Ue超前于Uf90度，這時Ue的上升沿B對應著Uf的低電平。據(jù)此可以判別碼盤的轉動的方向。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