機(jī)器人五自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書C畢業(yè)論文

...76/80機(jī)器人五自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)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，國外的應(yīng)用現(xiàn)狀，與其巨大的優(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(duì)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)AbstractWiththedevelopmentofrobottechnology,thecontinualexpansionofapplicationofindustrialrobotspresentsnewrequire-mentsbeforeeducationandtrainingagencies.Wehavedevelopedarobotdemonstrationsystemforexperimentsintrainingtoimprovetheteachingeffectof“RobotTeaching”.Firstly,thispaperdiscussesthedevelopmentcourse,thestudybothindemesticandinexternal,thesignificantadvantagesofrobotandthengivesthesupportingsourceofthestudyandthetechnicalrequirements,Secoundly,thispaperdiscussestheoveralldesignandcalculationoneachdegreeoffreedom，andaboutthestudyonthecontrolpartoftheTrainingRobotsystem,whichincludestheopen-loopcontrolofthesteppingmotor,thedigitalclosed-loopcontroloftheDCmotorwithanoptical-electricalencoderasfeedbackcellandthePWMpoweramplifierasdriver.ThekeyboardmanagementandtheLCDdisplayisbasedona89C51singalplatecomputer.ItisachievedinpointtopointcontrolbyasingalCPUwithsharetime.Attheend,itpresentsguidancestosomeexperimentsonthedemonstrationsystem.Keywords:TrainingRobot、StructureDesign、Closed-LoopControl、DemonstratingExperiment.目錄摘要1Abstract2第1章緒論11.1機(jī)器人概述11.1.1機(jī)器人的誕生與發(fā)展11.1.2國發(fā)展?fàn)顩r21.1.3國外機(jī)器人發(fā)展趨勢31.2機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)教育、培訓(xùn)的要求與本課題的提出3第2章總體設(shè)計(jì)方案52.1總體設(shè)計(jì)的思路52.2總體方案的確定52.2.1坐標(biāo)形式的選擇62.2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型選擇62.2.3各部位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定62.2.4外形尺寸和運(yùn)動(dòng)圍的確定72.2.5控制系統(tǒng)的確定7第3章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算93.1手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)93.1.1概述93.1.2手部的結(jié)構(gòu)和手指形狀的確定93.1.3手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算和電機(jī)的選擇103.2腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)133.2.1概述133.2.2腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.3臂部與機(jī)身（底座）的設(shè)計(jì)計(jì)算183.3.1概述183.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算19第4章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)254.1控制系統(tǒng)方案的確定254.1.1控制方案的確定254.1.2驅(qū)動(dòng)方式的確定254.1.3控制系統(tǒng)類型的確定254.1.4步進(jìn)電機(jī)控制方式的確定264.1.5直流電機(jī)控制方式的確定264.1.6鍵盤與顯示方式的確定264.2演示系統(tǒng)的組成264.3驅(qū)動(dòng)電路的研制294.3.1恒流源型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的研制294.3.2雙極型PWM直流力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的研制314.3.3光電碼盤的選擇和辯向電路的研制，334.3.4直流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。364.3.5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)476.1實(shí)驗(yàn)一教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)476.2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)的分類與其總結(jié)51致61參考文獻(xiàn)62附錄163附錄270附錄375緒論機(jī)器人概述機(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(duì)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)入普與時(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81000臺(tái)，1991年新裝備76000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)，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)器人與其他仿生機(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。國發(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)與其工程應(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(duì)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。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)境建模與決策控制；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。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)教育、培訓(xùn)的要求與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(duì)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(duì)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(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)中也面臨一樣的問題。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)：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。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)。整體尺寸不宜過大，以擺放實(shí)驗(yàn)臺(tái)為準(zhǔn)。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)合各部分結(jié)構(gòu)最好方便拆卸，以便維修保養(yǎng)。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(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)基本步驟與其基本原則，使設(shè)計(jì)的方案更合理總體設(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)圍、以與對(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空做圍，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?？傮w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。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)器人與其適用的工作環(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、工作圍小，靈活性差。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。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。外形尺寸和運(yùn)動(dòng)圍的確定考慮到本系統(tǒng)的小型化的要求，可將外形尺寸與各部分的運(yùn)動(dòng)圍確定如下：外形尺寸：600×600×700圍臂部回轉(zhuǎn)：0～360°臂部伸縮：80mm腕部升降：70mm腕部回轉(zhuǎn)：0～180°手爪回轉(zhuǎn)：90°手指開合：±5～10°抓重0.5Kg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(duì)速度和精度要求較低。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。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(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(qǐng)參考總裝圖與零部件。3.1手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手部夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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，材料與表面狀態(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，該變握力的大小與指間的開閉角。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STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11手部結(jié)構(gòu)簡圖手部驅(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，以與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STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s12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)與受力分析間圖。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?duì)銷軸的反作用力為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=2bcosα×N×式中，a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)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=25mm，b=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=2bcosα×N×=26.461（N）考慮工件在加工過程中產(chǎn)生的慣性力、震動(dòng)與傳力機(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/gA: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,ND2—螺旋副中徑，Mρv——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°)=0.04N1.1.3.4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.腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)）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，以與由于轉(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(duì)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65Mq=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(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，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)罩與電機(jī)可看作一個(gè)半徑是50mm，重0.45公斤則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STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s13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=0.02mD2=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(duì)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STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s14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F1F2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=24.5NGs=7.84NGqw=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=1.2V～1.6K2——工作情況系數(shù)，取K2=1+a/ga: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。臂部與機(jī)身（底座）的設(shè)計(jì)計(jì)算概述機(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,而且手與腕部君安在臂部,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,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=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=1ha*=1頂隙c=c*×m=0.2c*=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=mZ2=2a1-d1-2X2m=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=20K(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=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(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+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)在考慮絲杠與其附帶零件所產(chǎn)生的慣性矩現(xiàn)在考慮絲杠與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=1.08×10-3Kgcm3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0.85M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STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s15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=Jc1+M1ρ12=0.5×1×(0.072+0.062)+1×0.242=0.064Kgm2J2=Jc2+M2ρ22=0.5×4×(0.072+0.12)+4×0.182=0.01545Kgm2J3=Jc3+M3ρ32=0.5×3×(0.072+0.132)+3×0.122=0.0759Kgm2J4=Jc4+M4ρ42=2+L2)+M4ρ42=2+0.222)+10×0.222=0.061+0.484=0.545Kgm2J5=Jc5+M5ρ52=2+L2)+M5ρ52=2+0.12)+2×0.252=0.0057+0.125=0.1307Kgm2J5=M5ρ52=×1.5×0.0252=0.00047Kgm2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STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s16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=(N1D1+N2D2)=(42×0.04+42×0.03)=0.02Nm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？刂葡到y(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?？刂齐娐泛唵危子趯?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)?？刂葡到y(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。鍵盤與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)與位置狀態(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STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s11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)相數(shù)：3分配方式3向6拍步距角1。5度相電流：5安電壓：60V最大靜轉(zhuǎn)距：15Kg2、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：10Kg3、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：7Kg4、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/min5、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，用晶體管與相關(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STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s12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(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與限流電阻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)自由度與手爪開合驅(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STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s13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)一樣，但為PNP型TIP32B，圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s14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SEQ表格\*ARABIC1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，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(duì)位置精度要求不高，直流電機(jī)反饋選用從光學(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SEQ圖表\*ARABIC1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來夠成辨向電路如下圖：圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s15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)十秒圍變化。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。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、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)距，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)。光電碼盤將轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，經(jīng)辨向電路輸入給單片機(jī)的兩個(gè)計(jì)數(shù)器，單片機(jī)讀取計(jì)數(shù)器的值，并轉(zhuǎn)化成角位移，然后與直流電機(jī)的預(yù)期位置進(jìn)行比較，利用其差值的正負(fù)和大小來補(bǔ)償直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的位置。當(dāng)差值的絕對(duì)值小于直流電機(jī)位置容許誤差時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)位置的閉環(huán)控制。以單片機(jī)為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)的研制1、機(jī)器人控制核心的研制89C51作為控制核心需進(jìn)行擴(kuò)展，本機(jī)器人自由度有5個(gè)，需四個(gè)步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)直流電機(jī)，而控制脈沖有89C51輸出，這樣89C51原由的I/O口不夠用，需進(jìn)行擴(kuò)展，我們采用擴(kuò)展8255A芯片。一、器件的選擇1、CPU選擇：89C512、擴(kuò)展口芯片：8255A3、地址鎖存器：74LS3734、晶振：使用片外震蕩電路，頻率12MHZ，電容0.01微法5：復(fù)位電路：采用上電自動(dòng)復(fù)位二：接線方式參照電路原理圖2、鍵盤和顯示部分的研制一個(gè)完整的控制系統(tǒng)必須包括輸入、輸出部分，本系統(tǒng)采用鍵盤做輸入，LCD為顯示部件。一：鍵盤的工作原理鍵盤是一種行列矩陣結(jié)構(gòu)，如下圖：圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s16鍵盤工作原理圖鍵盤采用線反轉(zhuǎn)法具體步驟：將行線編程為輸入線，列線編程為輸出線，并是輸出線輸出全為零，則行線中電平由高到低所在的行為按鍵所在行。同第一步相反，將行線編程為輸出線，并使輸出線輸出全為零，則列線中電平有高到低的所在列為按鍵所在列。綜合這兩步的結(jié)果，可確定按鍵所在的行和列，從而識(shí)別所按的鍵。二：LCD液晶顯示結(jié)構(gòu)和顯示原理（1）系統(tǒng)選用點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊MDLS16165，其基本的特點(diǎn)：液晶顯示屏是以若干個(gè)5×8或5×11點(diǎn)陣快組成的顯示字符集。每個(gè)點(diǎn)陣塊為一個(gè)字符位，字符間距和行距為一個(gè)點(diǎn)的寬度。主控驅(qū)動(dòng)電路為HD44780與其其他公司全兼容電路，如SED1278，KS0066具有字符發(fā)生器ROM可顯示192種字符（160個(gè)5×7點(diǎn)陣字符和32個(gè)5×11點(diǎn)陣字符）具有64個(gè)字節(jié)的字定義字符RAM，可自定義8個(gè)5×8點(diǎn)陣字符和4個(gè)5×11點(diǎn)陣字符。具有80個(gè)字節(jié)的RAM模塊結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、裝配容易。單+5V電源供電低功耗、長壽命、高可靠性（2）其結(jié)構(gòu)特性與時(shí)序1、引腳功能信號(hào)真值表（3）、顯示模塊的指令集清屏運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）1.64μs功能：清DDRAM和AC值歸位運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）1.64μs功能：AC=0，光標(biāo)、畫面回HOME位。輸入方式設(shè)置運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）40μs功能：設(shè)置光標(biāo)、畫面移動(dòng)方式其中：I/D=1：數(shù)據(jù)讀寫操作后，AC自動(dòng)增一I/D=0：數(shù)據(jù)讀寫操作后，AC自動(dòng)減一S=1：數(shù)據(jù)讀寫操作，畫面平移S=0：數(shù)據(jù)讀寫操作，畫面不動(dòng)顯示開關(guān)控制運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）40μs功能：設(shè)置顯示、光標(biāo)與閃爍開、關(guān)其中：D表示顯示開關(guān)：D=1為開，D=0為關(guān)C表示光標(biāo)開關(guān)：C=1為開，C=0為關(guān)B表示閃爍開關(guān)：B=1為開，B=0為關(guān)5、光標(biāo)畫面位移運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）40μs功能：光標(biāo)畫面移動(dòng)，不影響DDRAM其中：S/C： 畫面平移一個(gè)字符位S/C：光標(biāo)平移一個(gè)字符位R/L=1：右移；R/L=0：左移6功能設(shè)置運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）40μs功能：工作方式設(shè)置其中DL=1，8位數(shù)據(jù)接口；DL=04為數(shù)據(jù)接口N=1兩行顯示N=0一行顯示F=1，5×10點(diǎn)陣字符F=0，5×7點(diǎn)陣字符7、CGRAM地址設(shè)置運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）40μs功能：設(shè)置CGRAM地址。A5～A0=0～3FH。8、DDRAM地址設(shè)置運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）40μs功能：設(shè)置DDRAM地址。N=0；一行顯示A6～A0=0～4FHN=1；兩行顯示，首行A6～A9=00H～2FH，次行A6～A0=40H～67H讀BF與AC值功能：讀忙BF值和地址計(jì)數(shù)器AC值其中：BF=1：忙BF=0：準(zhǔn)備好。此時(shí)AC值意義為最近一次地址設(shè)置定義10、寫數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）40μs功能：根據(jù)最近設(shè)置的地址性質(zhì)，數(shù)據(jù)寫入到DDRAM或CDRAM。讀數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)間：（250KHZ）40μs功能：根據(jù)最近設(shè)置的地址性質(zhì)，從DDRAM或CDRAM數(shù)據(jù)讀出?？刂撇糠趾碗姍C(jī)驅(qū)動(dòng)部分的接口光電偶合電路以89C51為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)是數(shù)字電路部分，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是模擬電路，將兩者連接起來要用到光電偶合，電路圖如下：圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s17光電偶合原理圖其作用是為了隔離外設(shè)大功率信號(hào)對(duì)片子的干擾，以實(shí)現(xiàn)兩者不同電壓的轉(zhuǎn)換。4、機(jī)器人整個(gè)控制系統(tǒng)的組成與工作原理一、控制系統(tǒng)的組成作為機(jī)器人控制系統(tǒng)，必須實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃、位置控制、數(shù)據(jù)的處理與輸出等任務(wù)。我們將前面介紹的個(gè)功能部分與其外圍電路組織起來，形成一個(gè)完整的教學(xué)機(jī)器人控制的硬件系統(tǒng)，如下圖：圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s18教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件框圖二：單片機(jī)控制口的分配本系統(tǒng)有六個(gè)電機(jī)需要控制，其中步進(jìn)電機(jī)四個(gè)，直流電機(jī)一個(gè)。步進(jìn)電機(jī)需要的環(huán)行脈沖由單片機(jī)系統(tǒng)直接發(fā)出，四個(gè)步進(jìn)電機(jī)工12條控制線，直流電機(jī)的PWM功放電路驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)也由單片機(jī)直接發(fā)出，光電碼盤反饋回的兩路信號(hào)輸入給單片機(jī)系統(tǒng)。其具體的分配如下：1、臂部回轉(zhuǎn)：8255APA0～PA22、臂部伸縮：8255APA3～PA53、腕部升降:8255APB2～PB44、手爪開合:8255APB5～PB75、腕部回轉(zhuǎn)8255APA6～PA76、手爪回轉(zhuǎn)、8255APB0～PB17、碼盤反饋信號(hào)線:外部計(jì)數(shù)器T0,T18、液晶顯示:89C51P1口與其他輸出口,9、鍵盤輸入:有8255APC口三、系統(tǒng)的工作過程單片機(jī)通過鍵盤接受機(jī)器人坐標(biāo)參數(shù)或外部的命令后,控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng),使機(jī)器人完成各項(xiàng)運(yùn)動(dòng),其控制特點(diǎn)如下:CPU分時(shí)控制機(jī)器人的個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)均由89C51一個(gè)CPU來管理,這樣就必須采用分時(shí)順序控制方式.電位控制凡是本系統(tǒng)主要演示機(jī)器人搬運(yùn),抓取等功能,為降低成本采用點(diǎn)位控制方式步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制,相應(yīng)自由度的位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成步進(jìn)電機(jī)的步數(shù),即單片機(jī)發(fā)給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖數(shù).電機(jī)速度由發(fā)出的脈沖數(shù)決定.直流電機(jī)的閉環(huán)控制由單片機(jī)控制直流電機(jī)的PWM功放電路,同時(shí)接受光電碼盤反饋回的電機(jī)位置信號(hào),經(jīng)數(shù)據(jù)處理形成數(shù)字閉環(huán).手爪有三種狀態(tài):抓取、放下,保持原狀態(tài).單片機(jī)根據(jù)外部命令控制手爪狀態(tài).技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析現(xiàn)在很多的高校都開設(shè)了機(jī)器人學(xué)習(xí)的課程，可以講教學(xué)機(jī)器人研制的成功，可以使學(xué)習(xí)者（尤其是當(dāng)代大學(xué)生）更好的學(xué)習(xí)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和原理等知識(shí)。下面我從三個(gè)方面說明對(duì)教學(xué)機(jī)器人進(jìn)行可行性的分析。實(shí)用性隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人可以說在我們的生活中起著越來越重要的作用，但真正的掌握機(jī)器人技術(shù)的專業(yè)技術(shù)人員還是很少，讓更多的人熟悉機(jī)器人是一個(gè)必然的趨勢，但現(xiàn)實(shí)的生活中不可能給那么多的學(xué)習(xí)者提供面對(duì)面學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，而研制一種用于教學(xué)的機(jī)器人，這樣可以使更多的學(xué)習(xí)者（大學(xué)生）從最基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、直觀的學(xué)習(xí)，而且這種機(jī)器人是設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的，這樣也方便學(xué)生觀察學(xué)習(xí)，通過一些實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生更方便、更明確的了解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、組成、原理、控制方法等。所以從這方面教學(xué)機(jī)器人的研制有很強(qiáng)的實(shí)用性。適用性教學(xué)機(jī)器人用在課堂上用于教學(xué)，面向的是眾多的學(xué)生，從結(jié)構(gòu)上，這種機(jī)器人非常簡單、明了而且其運(yùn)動(dòng)的自由度具有代表性，而且控制的方法很明確，可以使初學(xué)者對(duì)以前所學(xué)知識(shí)進(jìn)行一個(gè)全面系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，也可以使學(xué)習(xí)者通過教學(xué)演示，適合于教學(xué)，達(dá)到教學(xué)目的。經(jīng)濟(jì)性這個(gè)教學(xué)演示的系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，材料來源很廣，而且價(jià)格不昂貴，控制部分的各種器件的來源也很廣，估算大體價(jià)格在2萬元，這對(duì)于它所帶來的間接的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是很微不足道的，所以說從經(jīng)濟(jì)的角度來講，其有很大的可行性。綜上所述，這個(gè)課題的可行性很大，而且有很好的前景，也有很大的意義。教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)的主要目的是為學(xué)生開設(shè)機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)?？梢灾v前幾的工作主要是為本章服務(wù)的。根據(jù)實(shí)際需求我編制了兩個(gè)規(guī)定的機(jī)器人演示實(shí)驗(yàn)。通過這些實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、控制方式以與功能特點(diǎn)等有個(gè)較深刻的了解。學(xué)生也可以根據(jù)實(shí)際的需要自己設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)，輸入機(jī)器人坐標(biāo)值，然后執(zhí)行，則機(jī)器人就會(huì)按學(xué)生設(shè)計(jì)的動(dòng)作運(yùn)行，下面介紹下這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一教學(xué)機(jī)器人演示系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、準(zhǔn)確理解機(jī)器人的定義、組成與分類2、了解本系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與控制原理（1）了解機(jī)械結(jié)構(gòu)的各自由度的驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)鏈構(gòu)成（2）了解控制系統(tǒng)的原理、組成。3、了解保證機(jī)器人各項(xiàng)精度指標(biāo)的主要設(shè)計(jì)原則和方法。二：概述現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)，傳感技術(shù)，數(shù)控技術(shù)、智能技術(shù)等基礎(chǔ)上的一門綜合技術(shù)。是體現(xiàn)機(jī)電一體化技術(shù)的前言科學(xué)。本演示系統(tǒng)是通過機(jī)器人的幾個(gè)基本的動(dòng)作，了解機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，加深機(jī)器人與其適用的工作環(huán)境的了解。本系統(tǒng)采用圓柱坐標(biāo)形式，這種形式直觀性強(qiáng)，占用空間小，便于觀察，考慮到實(shí)驗(yàn)的條件和小型化、輕型化的要求，個(gè)自由度均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)整體結(jié)構(gòu)參照裝配圖。機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)，手爪回轉(zhuǎn)與腕部回轉(zhuǎn)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，其余采用絲杠螺母傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)?？刂撇糠钟蓛刹糠纸M成，既控制部分和驅(qū)動(dòng)部分。步進(jìn)電機(jī)采用單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)采用雙極式PWM功放電路驅(qū)動(dòng)，控制部分采用8051為控制的核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理與脈沖信號(hào)的控制輸出。三：實(shí)驗(yàn)用具1機(jī)器人演示系統(tǒng)，包括電源箱，控制箱和機(jī)器人2工件兩件3機(jī)器人結(jié)構(gòu)總裝圖、控制原理圖四、實(shí)驗(yàn)的容和步驟1、借助總裝圖貫徹、了解工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與傳遞組成，通過控制原理圖了解控制原理2通過控制鍵盤一X方向的坐標(biāo)值，看各個(gè)自由度關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，依次輸入三個(gè)不同的X方向上不同的坐標(biāo)值，仔細(xì)觀察3按照上面的方法依次輸入YZ方向的坐標(biāo)值，每個(gè)方向輸入3個(gè)不同的坐標(biāo)值，觀察運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。4在手爪的正下方放一工件，控制手爪電機(jī)使其抓取工件，提起、放下工件，觀察手部夾持器的工作情況。5借助圖紙，指出個(gè)自由度環(huán)節(jié)的傳動(dòng)情況，以與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與各部分的設(shè)計(jì)原則五、思考題1腕部回轉(zhuǎn)和手爪回轉(zhuǎn)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的利弊，主要因素有那些？2在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有那些不合理的地方需要改進(jìn)？3在手腕和手爪部分大都采用鋁合金材料，為什么？實(shí)驗(yàn)二：教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)一：實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖箤W(xué)生了解步進(jìn)電機(jī)在開環(huán)控制下的特點(diǎn)直流電機(jī)在閉環(huán)下的特點(diǎn)了解機(jī)器人控制的一般方法和CPU分時(shí)控制與多CPU并行控制的差異。二：概述本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)，其中臂部回轉(zhuǎn)、臂部伸縮、腕部升降、手爪的開合都用步進(jìn)電機(jī)，腕部回轉(zhuǎn)、手爪的回轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)，由于步進(jìn)電機(jī)有一定的步距角，很難實(shí)現(xiàn)位置反饋，位精度不可能太高，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)用脈沖控制，速度不可能太高，由于斷續(xù)通電，運(yùn)行不夠平穩(wěn)，但我們的演示系統(tǒng)還是大量使用了步進(jìn)電機(jī)，原因是此系統(tǒng)是為學(xué)生開設(shè)實(shí)驗(yàn)的，不要求電機(jī)有較高的性能，，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)便于開環(huán)控制，控制電路簡單，有電路原理圖可知，只要單片機(jī)發(fā)出環(huán)行脈沖，電路就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。直流電機(jī)在目前工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用，直流電機(jī)反映速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，尤其在目前的多CPU并行控制系統(tǒng)中，應(yīng)用更加廣泛，由于直流電機(jī)加電立即轉(zhuǎn)動(dòng)，所以嚴(yán)格的說不呢功能在開環(huán)狀態(tài)下工作，其必須有反饋元件，常用的反饋元件有電位器、光電編碼盤等，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制越來越廣泛，而光電碼盤能直接輸出脈沖信號(hào)，便于數(shù)字控制，且反饋精度高，因此工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，經(jīng)常用做的電機(jī)的反饋元件。三：實(shí)驗(yàn)用具機(jī)器人演示系統(tǒng)，包括電源箱、控制箱和機(jī)器人本體。實(shí)驗(yàn)臺(tái)，紙、鉛筆等工具。機(jī)器人總裝圖、控制原理圖。四：實(shí)驗(yàn)容和步驟程序控制下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)在單片機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)固化了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式，不需要輸入機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置。擺放好實(shí)驗(yàn)臺(tái)、鉛筆、紙等。打開電源按鍵盤上的功能鍵，其按照固定的程序運(yùn)動(dòng)。觀察運(yùn)動(dòng)軌跡，也可在PC機(jī)里輸入學(xué)生自己編的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。輸入數(shù)據(jù)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)依次輸如機(jī)器人的空間三坐標(biāo)位置參數(shù)，觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況（注意：運(yùn)動(dòng)參數(shù)的圍不要超過其運(yùn)動(dòng)的最大運(yùn)動(dòng)圍）學(xué)生可分成幾組分別做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。五：思考題為什么步進(jìn)電機(jī)易于控制，但在工業(yè)機(jī)器人中很少使用直流電機(jī)為什么不能工作在開環(huán)狀態(tài)試想機(jī)器人控制的其他控制方法。結(jié)論當(dāng)今世界已有很多機(jī)器人，其中有90%以上都應(yīng)用于制造業(yè)，無論在制造技術(shù)方面，還是在推廣使用方面機(jī)器人都和工業(yè)自動(dòng)化密切相關(guān)今年來我過機(jī)器人