【正文】 選型設(shè)計(jì)比賽中機(jī)器人的性能，首先取決于它的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[26]。如何選擇適合機(jī)器人的電機(jī)成為決定性能的重要因素，比賽中常用到的電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、直流伺服電機(jī)，而伺服電機(jī)在調(diào)速范圍、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度、響應(yīng)快速性等方面都有優(yōu)勢(shì)，且當(dāng)控制電壓改變?yōu)榱銜r(shí)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；普通電機(jī)做不到。因此在精密定位和寬調(diào)速范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，一般都會(huì)選用伺服電機(jī)。但伺服電機(jī)價(jià)格通常都是很昂貴的，所以要在重要場(chǎng)合選用伺服電機(jī)，在一般部位則可選用普通直流電機(jī)加一些傳感器檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[27]。圖5－1 確定電機(jī)容量的方法及步驟自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人的提升電機(jī)選擇是設(shè)計(jì)中最為重要的一環(huán)，確定電機(jī)容量的方法及步驟按照?qǐng)D5－1的路線進(jìn)行。在整個(gè)抬轎機(jī)構(gòu),主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)只有提升部分的移動(dòng)。為了保證結(jié)構(gòu)緊湊，減少提升模塊總長(zhǎng)度，我們不能將電機(jī)與絲杠用連軸器連接直接驅(qū)動(dòng)，而是需要采用一級(jí)傳動(dòng)，將電機(jī)與絲杠布置在同一側(cè)[28]，節(jié)省空間。電機(jī)與帶輪之間力矩在平面里構(gòu)成一個(gè)平衡力系，如圖52所示。帶輪的選型計(jì)算將在下一節(jié)詳細(xì)介紹，在這里先假設(shè)帶輪的減速比為1：1，帶輪的傳動(dòng)效率為80%。電機(jī)軸驅(qū)動(dòng)力矩阻力矩帶輪圖52 提升電機(jī)受力已知轎子與旅客機(jī)器人共11kg，考慮某些環(huán)節(jié)自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人會(huì)承擔(dān)不同重量，取負(fù)載為8kg。根據(jù)公式， （51） （52） 其中——驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩——螺紋力矩、——軸承摩擦力矩F——軸向載荷——螺紋升角——螺桿中徑——當(dāng)量摩擦角根據(jù)前文計(jì)算，考慮軸承摩擦力矩可以忽略，絲杠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T== （53）取傳動(dòng)效率80%，電機(jī)需要的輸出轉(zhuǎn)矩為。對(duì)快速電機(jī)選型時(shí)，按照即勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)負(fù)載功率與加速度功率之和來(lái)確定額定容量。Ⅰ確定，設(shè)計(jì)目標(biāo)為2到達(dá)，則可算出速度為 按照前文假設(shè)，帶輪減速比取1：1，電機(jī)轉(zhuǎn)速與絲杠一致，故電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)為 （54）角速度為 （55）~，求出電機(jī)空載轉(zhuǎn)速 Ⅱ確定,D取大徑16mm。設(shè)加速時(shí)間為，那么 （56） 同樣，按照?qǐng)D3－5中的加速度功率計(jì)算公式，可知 （57） Ⅲ確定 （58）考慮到摩擦，振動(dòng)等原因，選取安全系數(shù)S=，得，取提升電機(jī)功率。前文介紹了提升電機(jī)和絲杠布置在同側(cè)，這就需要附加一級(jí)傳遞裝置。常見的傳動(dòng)方式有齒輪傳動(dòng)，帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)，帶傳動(dòng)又分為V帶傳動(dòng)，圓帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。 圖53 齒輪 圖54 鏈輪圖55 同步帶輪考慮電機(jī)和絲杠布置在同側(cè)，中心距受電機(jī)和絲杠外徑限制，如用齒輪傳動(dòng)齒輪半徑不可能做的很小。這樣必然會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)重量上升，這將不利于比賽。玉帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)也顯得較重，所以我們選擇了帶傳動(dòng)。由于V帶傳動(dòng)和圓帶傳動(dòng)屬于摩擦傳動(dòng)，可能會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象[30]，不適合作微調(diào)。綜合上訴因素，我們選擇了同步帶作為傳動(dòng)。根據(jù)前文計(jì)算，電機(jī)轉(zhuǎn)速需要達(dá)到2400rpm，對(duì)于一般24V直流電機(jī)要求過(guò)高，不易選到合適的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，評(píng)估性價(jià)，我們選擇了一款50W的電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1200rpm。經(jīng)計(jì)算，我們需要的減速比現(xiàn)有圓弧齒3M帶型的同步帶輪，齒數(shù)32。為控制提升機(jī)構(gòu)占用空間，我們使用它作大輪。故小輪齒數(shù)為16?？紤]電池電壓下降后電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨之降低，需留下余量。如果小輪取12齒，節(jié)圓周長(zhǎng)為12*3=36mm節(jié)圓直徑為mm與絲杠軸徑相差太小故小輪取14齒，其節(jié)圓周長(zhǎng)為14*3=42mm節(jié)圓直徑為mm可行查表得，當(dāng)小輪轉(zhuǎn)速為2400rpm，小輪齒數(shù)為14時(shí)，3M (6mm寬)同步帶的基本額定功率為 ，大于我們要求的50w，故可行。根據(jù)要求，我們需要的小輪轉(zhuǎn)速為2400rpm，選取3M型圓弧齒同步帶，大輪32齒，小輪14齒。設(shè)計(jì)軸間距約為45mm。查得帶長(zhǎng)公式： （59） ——軸間距，——小帶輪，大帶輪節(jié)圓直徑計(jì)算得代入式（59）得 （510）取帶長(zhǎng)=162mm，得帶齒數(shù)為54齒。實(shí)際軸間距mm （511）第6章 傳感器的選用與安裝為了讓機(jī)器人知道轎子的狀態(tài)，我們需要在抬轎機(jī)構(gòu)上安裝一些傳感器實(shí)現(xiàn)反饋控制。下面介紹一下抬轎機(jī)構(gòu)上各傳感器以及他們的安裝。對(duì)射式光電開關(guān)也叫光電對(duì)管。由于自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人要時(shí)刻知道絲杠所處的位置，據(jù)此來(lái)決定采取何種動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，我們選擇了光電對(duì)管作為位置傳感器。由于光電對(duì)管使用簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高，所以在自動(dòng)轎夫機(jī)器人和手動(dòng)轎夫機(jī)器人上大量采用了光電對(duì)管來(lái)檢測(cè)我所需要知道的信息[31]。光電對(duì)管傳感器如圖61所示圖61 光電對(duì)管光電對(duì)管原理是其內(nèi)部有一個(gè)紅外發(fā)射管和接收管，當(dāng)凹槽內(nèi)有遮擋時(shí)接收管就無(wú)法接收到發(fā)射信號(hào)，無(wú)遮擋時(shí)輸出低電平，有遮擋時(shí)輸出高電平。利用光電對(duì)管對(duì)升降的位置進(jìn)行定位的原理如圖所示，在承載機(jī)器人的豎直方向在需要定位的位置固定光電對(duì)管，在升降的平臺(tái)上連接一個(gè)遮擋片，在升降過(guò)程中，由于遮擋片的遮擋，當(dāng)傳感器的輸出為高電平就表示到達(dá)了對(duì)應(yīng)傳感器的位置。我們可以用它對(duì)絲杠進(jìn)行限位，要求絲杠在特定的高度停下也可以用它作反饋。光電對(duì)管擋片光電對(duì)管安裝位置圖62 光電對(duì)管安裝示意圖考慮光電對(duì)管質(zhì)量較輕，不受外力作用，且往往需要改變他的安裝位置來(lái)調(diào)節(jié)絲杠的停止高度，所以我們選擇了簡(jiǎn)單易行的膠粘方式固定。這樣在需要時(shí)我們也可以方便的拆下并重新安裝。為了保持轎子時(shí)刻保持水平狀態(tài)，并保證制動(dòng)轎夫機(jī)器人可以跟隨手動(dòng)轎夫機(jī)器人起轎、落轎，我們需要一種傳感器來(lái)檢測(cè)轎子和自動(dòng)機(jī)器人之間的角度。為此我們選用了旋轉(zhuǎn)電位器[32]。圖63 電位器旋轉(zhuǎn)電位器是一種轉(zhuǎn)動(dòng)變阻器，根據(jù)分壓原理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)電位器旋轉(zhuǎn)時(shí)，我們可以通過(guò)檢測(cè)電壓的變化得到轎子和自動(dòng)轎夫機(jī)器人之間的角度，再通過(guò)提升機(jī)構(gòu)的升降來(lái)調(diào)節(jié)轎子直到水平。對(duì)于電位器的安裝，我們選擇了與正常狀況相反的安裝方式：固定電位器輸入軸，旋轉(zhuǎn)電位器本體。我們?cè)O(shè)計(jì)了一根軸代替原先的單向腳輪的輪軸，將電位器的輸入軸插入轉(zhuǎn)軸中，用緊定螺栓固定。再把電位器本體用螺紋連接與轎子的鎖死機(jī)構(gòu)固定，這樣我們就可以得到想要的轎子與自動(dòng)轎夫機(jī)器人的角度信息了[33]。鎖死機(jī)構(gòu)電位器轉(zhuǎn)軸圖64 電位器安裝示意圖圖65 轉(zhuǎn)軸工程圖為了減小操作手的壓力，我們希望可以讓手動(dòng)轎夫機(jī)器人在速度上大體與自動(dòng)轎夫機(jī)器人一致，實(shí)現(xiàn)同步。這就需要檢測(cè)手動(dòng)轎夫機(jī)器人與轎子之間的相對(duì)移動(dòng)，這個(gè)檢測(cè)我們選擇用旋轉(zhuǎn)編碼器配上一個(gè)小輪子實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理是用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成為數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。如下圖所示，光源1發(fā)出的光線，經(jīng)柱面鏡2變成一束平行光或聚光，照到碼盤3上。碼盤上的碼道上分布有規(guī)則的亮區(qū)和暗區(qū)，通過(guò)亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫4形成很窄的光束照到光電元件5上，光電元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)，光電元件的各種輸出信號(hào)的組合，反映出相應(yīng)編碼的數(shù)字量[34]。圖66旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理圖圖67旋轉(zhuǎn)編碼器碼盤原理我們?cè)谛D(zhuǎn)編碼器的輸入軸上連接一個(gè)小輪子，是小輪子與轎子摩擦，這樣通過(guò)輪子周長(zhǎng)折算，我們就可以知道轎子與手動(dòng)轎夫機(jī)器人的相對(duì)位移。由于轎子和手動(dòng)轎夫機(jī)器人之間的夾角也會(huì)變化，為了讓輪子可以較好地接觸轎子，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，使輪子靠重力懸掛。其安裝如圖68。旋轉(zhuǎn)編碼器支架輪子轉(zhuǎn)動(dòng)軸圖68 旋轉(zhuǎn)編碼器安裝示意圖60