畢業(yè)設(shè)計（論文）-下圍棋機器人手臂設(shè)計

PAGEPAGEI下圍棋機器人手臂設(shè)計摘要全套圖紙加V信153893706或扣3346389411據(jù)統(tǒng)計現(xiàn)在世界下圍棋的人數(shù)正在不斷增加，而且不僅僅是傳統(tǒng)的對弈，還有網(wǎng)絡(luò)圍棋也在興起。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域正在逐漸擴大，從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域走向娛樂領(lǐng)域，于是產(chǎn)生了各種棋類機器人。有理由認為，圍棋機器人系統(tǒng)的開發(fā)有廣闊的市場前景。對照目前世界上陸續(xù)出現(xiàn)的象棋和國際象棋機器人等下棋機器人娛樂設(shè)備，圍棋機器人方面仍顯空白，其人機交互功能方面也有所欠缺。原因有三點：一是由于象棋和國際象棋長期以來在國內(nèi)和國際占據(jù)統(tǒng)治地位，而國粹又過分陽春白雪；二是由于圍棋的特殊性，如棋盤點多格密(定位精度要求高)，一開局就沒有固定的棋子位置(棋子需要從棋罐中抓取)，棋子形狀(夾持裝置)，棋子越下越多且位置和數(shù)量隨機(圖像識別構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，國際象棋、象棋系統(tǒng)可以采用開環(huán)控制)，有提子(需要敏捷的提子裝置)、打劫、多種禁著(游戲程序的復(fù)雜性)等特殊的對弈規(guī)則，因此動作控制系統(tǒng)與象棋有較大差別；三是下棋機器人相關(guān)設(shè)備還只作為高科技玩具來開發(fā)，實際使用較少，沒有重視交互性。本次我設(shè)計的是下圍棋的機器人手臂，機器人手臂是機器人的主要部件，如何讓機器人的動作更加人性化，更加高效、穩(wěn)定一直是機器人手臂研究的主要內(nèi)容之一。這次我設(shè)計的圍棋機器人手臂包括五個自由度，采用關(guān)節(jié)式坐標系，動作關(guān)節(jié)采用步進電機驅(qū)動諧波減速器減速，避免了液壓驅(qū)動的清潔性問題和氣動的不穩(wěn)定問題。手爪抓取動作由一個電磁體進行驅(qū)動，所有的電機和運動控制卡控制。關(guān)鍵字：圍棋，機器人手臂，五自由度，步進電機，諧波減速器PAGEIII下圍棋機器人手臂設(shè)計ABSTRACTAccordingtostatistics,thenumberofGointheworldisincreasing,andnotjustthetraditionalchessnetwork,Goalsoemerging.Withthedevelopmentofrobottechnology,itsapplicationsaregraduallyexpandingfromthetraditionalindustrialareastotheentertainmentfield,soavarietyofchessrobotareproduct.Thereisreasontobelievethatthedevelopmentofchessrobotsystemhasabroadmarketprospect.Control,emergingintheworldofchessandchessrobotsplayingchessrobotentertainmentdevices,Gorobotsremainedblank,anditsinteractivefeaturesarealsolacking.Therearethreereasons:First,chessandchesshaslongbeendominantinthedomesticandinternational,whilethequintessenceofoverlyhighbrow;isduetotheparticularityofchess,suchasthecheckerboardpointgriddensity(positioningaccuracyrequireshigh),astartthereisnofixedpositionofapawn(apawnfromthechesstankscrawl),apawnshape(clampingdevices),thepiecesharderandmoreandthelocationandnumberofrandom(imagerecognitionconstituteaclosed-loopsystem,chess,chesscanbeusedopen-loopcontrol),grapes(toagilegrapesdevice),robbery,avarietyofforbidden(thecomplexityofthegameprogram)andotherspecialchessrulesarequitedifferent,sothemotioncontrolsystemandchess;chessmachinepeoplerelatedequipmentonlyasahigh-techtoystodevelop,theactualuseofless,thereisnoemphasisoninteractivity.IdesignedtheGoundertherobotarm,robotarmisthemaincomponentsoftherobot,howtomaketherobot'sactionismorehumane,moreefficient,stableandhasbeenoneofthemainrobotarm.TheGoIdesignedrobotarmconsistsoffivedegreesoffreedom,usingthejointcoordinatesystem,actionjointsteppermotor-drivenreducerreducertoavoidthecleaningofthehydraulicdriveandpneumaticinstability.Grippertograbactiondrivenbyanelectromagnet,theuseofindependentMotionControlCardcontrol.Keywords:chess,robotarm,fivedegreesoffreedom,steppermotor,reducerPAGEV下圍棋機器人手臂設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\f\h\z\u54711.緒論 1176641.1.引言 156831.2.國內(nèi)外發(fā)展概況 157662.總體方案 5156782.1.電機種類的選擇及傳動方案的確定 519672.1.1.驅(qū)動電機種類的選擇 529392.1.2.機械結(jié)構(gòu)傳動方案 6148283.機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 760323.1.機器人手爪的設(shè)計 7164933.1.1.手指的設(shè)計 7190483.1.2.錐形塊的設(shè)計及彈簧的選擇 72413.1.3.電磁鐵的選擇 8310703.1.4.手爪外殼尺寸設(shè)計 8122023.2.腕部的設(shè)計 948573.2.1.腕部角度電機的選擇 9265333.2.2.聯(lián)軸器選用 10313033.2.3.連接軸5的設(shè)計 12110363.2.4.腕部垂直電機4的選用 15200603.3.肘部的設(shè)計 21132023.3.1.小臂的設(shè)計 2116643.3.2.肘部電機3的選擇 21306443.4.肩部的設(shè)計 26207513.4.1.大臂的設(shè)計 26156933.4.2.肩部電機2的設(shè)計 27210173.5.底座的設(shè)計 32327203.5.1.肩板的設(shè)計 3221173.5.2.底座電機1的設(shè)計 32307944.控制部分設(shè)計 3344824.1.控制方案的總體設(shè)計 33147704.2.圍棋軟件 3357714.3.機械手的工作的流程 34115084.4.機械手的簡介 3569894.4.1.機械臂的機構(gòu)和傳動系統(tǒng) 35210414.5.步進電機驅(qū)動部分 3691314.5.1.手腕角度步進電機5驅(qū)動器的選擇 3763974.5.2.帶諧波減速器的步進電機驅(qū)動器的選擇 37223254.6.步進電機的制動 38285904.7.棋盤信號檢測和反饋 39255524.8.運動控制卡的選用 40271234.8.1.運動控制卡型號 4177765.結(jié)論 4285226.參考文獻 4366367.致謝 44PAGE44下圍棋的機器人手臂設(shè)計緒論引言近年來，各個國家和眾多研究機構(gòu)都在積極投入機器人的研究，覆蓋各個領(lǐng)域。機器人作為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，是現(xiàn)代機械學(xué)、自動控制學(xué)、計算機科學(xué)與工程學(xué)、人工智能學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)、通訊技術(shù)、仿生技術(shù)、社會學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)發(fā)展和結(jié)合的產(chǎn)物。即機器人技術(shù)是一門建立在機械、微電子、控制、人工智能技術(shù)等基礎(chǔ)上的高度綜合的先進科學(xué)技術(shù)。最初的機器人誕生于本世紀60年代，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代(智能機器人)?？v觀機器人的發(fā)展史和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢，可以確定，機器人必將成為現(xiàn)代化發(fā)展中不可缺少的工具。故當(dāng)今世界各國都在競相發(fā)展機器人技術(shù)，使得機器人技術(shù)無論在技術(shù)的成熟度上、數(shù)量上還是其應(yīng)用領(lǐng)域上都有前所未有的發(fā)展，因此一個世界范圍的機器人研制熱潮必將掀起。研究仿人機械手的目的，在于克服目前一般機器人末端操作手爪的局限性，擴大智能機器人在實際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用范圍，使機器人能夠真正靈巧地進行精細的、復(fù)雜的操作作業(yè)。國內(nèi)外發(fā)展概況2002年12月上海交通大學(xué)楊汝清、王春香、張偉軍發(fā)明了一個象棋大師機器人。這個發(fā)明主要包括：計算機、機器人手臂機器人控制器、棋盤、棋子及光電傳感器，其連接方式為：計算機通過并行端口與機器人手臂控制器連接，棋盤上有棋子，棋盤上的網(wǎng)格共有90個交點，每個網(wǎng)格交點處都設(shè)置光電傳感器，棋盤上90個光電傳感器為陣列式分布[1]。2003年8月上海交通大學(xué)王春香、楊汝清、賀繼林申請了一個名為“機器人電子專用棋盤”的發(fā)明項目。這個發(fā)明由棋盤和棋子組成，將霍爾元件陣列式排布在棋盤上，該棋盤共有M行、N列，在棋盤基座背面每個格子的交叉點處有一個方孔，作為霍爾元件定位用，孔底距離棋盤基座正面約1.5mm，每個孔內(nèi)放置一個霍爾元件，共有MxN個霍爾元件，棋盤基座的每一列處開一窄槽，在棋盤行向中間處開一寬槽，作為總出線接口[2]。2004年6月上海交通大學(xué)黃立波、夏庭鍇、王春香、趙維江發(fā)表了一篇名為“實時環(huán)境下的對弈機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與分析”的文章，該對弈機器人主要由工控機、控制柜和機器人本體三大部分組成，機器人手臂采用了SCARA結(jié)構(gòu)，大小手臂的電機同軸安裝在基座上，以減小手臂轉(zhuǎn)動慣量，提高手臂的快速運動能力。手臂末端安裝的手爪可以完成上下運動（接近和離開棋盤）和開合運動（放下和抓起棋子）。機器人本體前方平臺上安放有電子棋盤，可感知棋局變化?？刂乒裰邪惭b有電機驅(qū)動器、繼電器組、電源等。系統(tǒng)軟件采用了基于RTX的單處理器體系結(jié)構(gòu)[3]。2004年9月上海交通大學(xué)王春香、楊汝清、趙維江發(fā)明了一個“象棋大師機器人專用手爪”。該發(fā)明包括：直流電機，電機座，角架，連接套，導(dǎo)軌，升降螺釘，固定螺母，銷釘，螺母，電磁鐵，行程開關(guān)，電機設(shè)置在電機座上，角架、電機座、直流電機通過螺釘連接在一起，電機軸和連接套通過錐端緊固螺釘固定，連接套通過螺紋和升降螺釘連接，固定螺母通過錐端緊固螺釘和升降螺釘固定，銷釘通過螺紋和固定螺母連接，導(dǎo)軌通過螺釘固定在角架上，銷釘在導(dǎo)軌導(dǎo)向槽內(nèi)滑動，行程開關(guān)通過螺釘設(shè)置在導(dǎo)軌的導(dǎo)向槽兩端，電磁鐵通過螺紋和升降螺釘連接在一起[4]。2004年在《上海電器技術(shù)》上，同濟大學(xué)的俞清發(fā)表了一個基于單片機的圍棋機器人驅(qū)動模塊設(shè)計。針對圍棋中獨有的多子、提子現(xiàn)象以及圍棋子的特點，他開發(fā)了一種新穎實用的圍棋機器人(Go—Robot)系統(tǒng)。整套系統(tǒng)由落提子執(zhí)行機構(gòu)、單片機驅(qū)動模塊、棋盤圖像實時采集處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)對弈系統(tǒng)、智能圍棋決策系統(tǒng)和語音交互系統(tǒng)組成。其中，單片機驅(qū)動模塊用于驅(qū)動落、提子執(zhí)行機構(gòu)準確有序的動作。在落、提子執(zhí)行機構(gòu)中，由兩臺步進電機控制SST型機械臂的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械手的x—Y定位；由第三臺步進電機實現(xiàn)機械手繞Z軸的轉(zhuǎn)動，使機械手上按棋格位置均布的9只機械指與棋盤縱橫線對正，從而實現(xiàn)高效提子。機械指的升降通過牽線電磁鐵驅(qū)動，機械指對含鐵棋子的吸合通過吸合式電磁鐵驅(qū)動。單片機驅(qū)動模塊對執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動是通過對步進電機和電磁鐵的控制實現(xiàn)的[5]。2005年6月哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報上張韋唯，張永德發(fā)表了一篇名為下棋機器人操作臂及手爪的計算機輔助設(shè)計的文章。該計算機輔助系統(tǒng)以SCARA機器人為載體，下棋機器人采用3個自由度的SCARA機器人，其中有2個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，1個移動關(guān)節(jié)。移動關(guān)節(jié)采用的是螺母絲杠形式，實現(xiàn)手爪抓棋子的時候上下移動。共有4個電機，其中3個步進電機，1個直流電機。型號為35BYJO1的步進電機控制第1個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，28BYJ01的步進電機控制第二個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，25BY24I_132控制第三個移動關(guān)節(jié)，直流電機控制手爪的開合[6]。2005年在《青少年科技博覽》上刊登了一篇名為“弈行天下”象棋機器人的報道?！安┺奶煨小毕笃鍣C器人，是北京師范大學(xué)附屬實驗中學(xué)鄭鑫、王晨谷和鮑等三名同學(xué)在劉海歐老師的指導(dǎo)下，研制成功的一款能真正與人對弈的第三代象棋機器人。他們的這一作品，榮獲第十九屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎[7]。2006年3月同濟大學(xué)機械工程大學(xué)王四靈的碩士學(xué)位論文設(shè)計了一個4自由度的圍棋機器人的動作控制系統(tǒng)。該圍棋機器人機構(gòu)由機座、手臂和末端執(zhí)行器組成。主要由回轉(zhuǎn)副和移動副組成的具有4個自由度、能實現(xiàn)落子和提子操作的功能的平面關(guān)節(jié)型機器人。其中，機座采用步進電機驅(qū)動，絲杠螺母傳動實現(xiàn)機器人整體的升降運動；大臂使用齒輪減速器，小臂使用同步帶傳動，都采用步進電機，大臂和小臂共同實現(xiàn)機器人在平面內(nèi)的定位；末端執(zhí)行器采用氣動裝置直接驅(qū)動，工作行程比較小，主要實現(xiàn)對圍棋棋子的吸合和松開。動作控制系統(tǒng)采用上位機和下位機兩級控制方式實現(xiàn)末端執(zhí)行器的落子和提子的動作。圖像傳感器將棋盤的信息反饋給上位機，下位機主要將上位機傳送的步進電機脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為步進電機的轉(zhuǎn)動，并附有棋鐘電路和中斷電路等[8]。2007年在《上海電器技術(shù)》上，同濟大學(xué)的陳李、劉帥設(shè)計了一個用于圍棋機器人的光電感應(yīng)棋盤。該光電棋盤為機器人提供了一種新的外部信息獲取方式。它采用紅外光電耦合的原理，采集對應(yīng)棋盤位置的電壓信號值。該電壓信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，由單片機進行數(shù)據(jù)分析，單片機則根據(jù)預(yù)存的信號值范圍“判斷”落子位置與棋子顏色，從而完成對棋盤信息的讀取[9]。2007年9月安徽大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、中國科技大學(xué)精密機械與精密儀器系趙吉文、張志偉、謝芳、劉永斌、程蒲在《系統(tǒng)仿真學(xué)報》上發(fā)表了名為“基于SVM的仿人對弈機器人視覺圖像處理”的文章。該視覺系統(tǒng)針對對弈的實際狀況，采用彩色空間變換，閾值分割、形態(tài)學(xué)骨架化及霍夫變換等圖像處理技術(shù)，對棋局中的棋子進行檢測、定位和分割。通過提取棋子旋轉(zhuǎn)不變的徑向像素點數(shù)特征，克服了棋子方向隨意性。而后采用支持向量機分類方法，對棋子信息進行分類識別，同時分析處理了誤差對識別準確率的影響。實驗表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)定位、分割、識別棋子準確無誤[10]。2008年2月中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系張志偉、孔凡讓、趙吉文、何清波、吳增榮在《計算機與軟件》上發(fā)表了名為“對弈機器人的視覺圖像處理和識別”的文章。其視覺系統(tǒng)提出了彩色空間變換,閾值分割、形態(tài)學(xué)骨架化及霍夫變換等圖像處理技術(shù)對棋局中的棋子進行檢測、定位和分割的方法。在棋子識別過程中,為克服棋子擺放方向的隨意性,提取棋子旋轉(zhuǎn)不變的徑向像素點數(shù)特征;用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行識別,并采用貝葉斯正則化方法提高了網(wǎng)絡(luò)的推廣性。實驗表明,該方法定位、分割棋子準確無誤,識別率較高[11]。2009年6月青島大學(xué)趙艷云在其名為“機器人手臂下棋運動的逆運動學(xué)分析與仿真”中設(shè)計了這樣一個機器人。該機器人有一個五自由度機器人手臂，主體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由回轉(zhuǎn)底座、大臂、小臂、腕部、手指等組成，共有5個關(guān)節(jié)自由度，類似人的腰部和手臂部分。機器人手臂的底座水平旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)機器人手臂的整體回轉(zhuǎn)。大臂的上端關(guān)節(jié)用于支撐小臂，大小臂可做上下俯仰運動。機器人的腕部位于小臂臂體的前端，具有手腕的回轉(zhuǎn)和俯仰轉(zhuǎn)動[12]。2011年4月華南理工大學(xué)林穎、莊劍毅申請的名為“象棋機器人棋盤識別裝置”的發(fā)明專利。其結(jié)構(gòu)為：棋盤上每個棋位開有一個小通孔，電路板安裝在棋盤底部，光敏電阻分布在每個棋位的小孔里，與二極管、普通電阻逐一串聯(lián)焊接于電路板上，16通道數(shù)字控制模擬開關(guān)、單片機系統(tǒng)也焊接在電路板上。機器人所持的棋子為透光材料，單片機系統(tǒng)通過光敏電阻電壓的變化獲知期盼的動態(tài)[13]。1997年，ⅢM公司的超級計算機“深藍”與當(dāng)時的國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫進行了一場大肆渲染的比賽。這次被卡斯帕羅夫稱作“終于來臨的一天”的比賽以卡氏的失敗而告終。IBM公司將“深藍”的獲勝稱作是人工智能領(lǐng)域的一個里程碑。并且這場比賽取得的宣傳效果好得出奇，大概沒有多少人不知道“深藍”了；而卡斯帕羅夫雖敗尤榮，無數(shù)對國際象棋一無所知的人們也因此知道了卡氏的大名。但是“深藍”只是一個超級計算機，一臺只負責(zé)策略計算的計算機而不是機器人[14]。烏克蘭州立海運大學(xué)(USMTU)的VBuldyzhov和KBrezhnev在2000年設(shè)計了一臺能與人對弈國際象棋的機器人。這個機器人的機械部分是一套液壓系統(tǒng)來驅(qū)動一個機械手爪的移動，由電機驅(qū)動手爪上F移動和開合，從而實現(xiàn)棋了的移動功能。電氣部分由一個計算機控制，程序可以運行在DOS或者windows操作系統(tǒng)下。雖然用的是普通的國際象棋棋盤和棋子，但這個機器人還不算真的與人對弈，因為機器人無法自己獲得玩家的棋子移動信息，而必須玩家在計算機上輸入棋子移動信息，然后由計算機計算對策，接著控制機器人移動棋子[15]?？傮w方案機器人的機械部分通常包括執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動裝置。執(zhí)行機構(gòu)即機器人本體，為了讓機器人能夠自己抓放棋盤內(nèi)所有位置的棋子，機器人手臂須到達任意棋盤上點的上方，并且可以到達棋簍所在位置的上方以及完成靠進期盼的垂直方向的動作。手爪部分為了能夠順利抓取棋子，并且保持在運動中棋子不會掉落，所以要求手爪要足夠細巧且結(jié)實，并能完成90度的旋轉(zhuǎn)。由于棋盤空間限制，同時要求機械部分占用空間不能過大。其臂部一般采用空間開鏈連桿機構(gòu)，其中的運動副（轉(zhuǎn)動副或移動副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個數(shù)通常即為機器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構(gòu)可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關(guān)節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將機器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動機器人）等。驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機構(gòu)運動的機構(gòu)，為了使機器人在運動中能夠到達系統(tǒng)指定的位置且在運動中棋子不掉落，要求機器人手臂及手爪的驅(qū)動裝置運動平穩(wěn)，慣性小，可控性高，最好具有反饋功能。按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有采用液壓、氣動等驅(qū)動裝置。電機種類的選擇及傳動方案的確定驅(qū)動電機種類的選擇關(guān)節(jié)機器人驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)，它們常和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動臂桿和載荷完成動作。通常的驅(qū)動方式有四種:步進電機驅(qū)動：可以直接實現(xiàn)數(shù)字控制、控制結(jié)構(gòu)簡單、控制性能好，而且成本低廉。通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。但這也是他的缺點，由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正的能力，故而運動精度較差，負載和沖擊震動過大時會造成“失步”的現(xiàn)象。直流伺服電機驅(qū)動：直流伺服電機有很好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對較大的功率及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低廉。交流伺服電機驅(qū)動：交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用方便，與步進電機相比要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR、場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電機在調(diào)速性能方面已經(jīng)可以與直流電機相媲美。液壓伺服馬達驅(qū)動：液壓伺服馬達有較大的功率，運動平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不發(fā)生滑動，從體積、重量及功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。常見的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采用電機驅(qū)動是最常用的。電機驅(qū)動具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機器人的要求等特點。所以在這次設(shè)計中我選擇了步進電機作為動力源驅(qū)動。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性也好。機械結(jié)構(gòu)傳動方案要實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間位置提供的5個自由度，可以有不同的運動組合，出于圍棋機器人手臂擬人化的考慮，同時又要讓機器人在對弈的時候不至于占用太大的空間而給對手造成壓迫感，現(xiàn)將其設(shè)計成手臂伸縮性較好的關(guān)節(jié)坐標型機器人。這種機器人的關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)的類似于人的手臂，所有關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱即為腰關(guān)節(jié)，可以回轉(zhuǎn)，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可以使大臂和小臂作俯仰擺動，小臂和手腕之間組成腕關(guān)節(jié)，實現(xiàn)手腕的俯仰，同時手腕自身可以回轉(zhuǎn)。其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取近距離的物體，工藝操作精度高。手爪部分采用四爪開合式的原因是考慮到圍棋棋盤上棋子分部的密集度。出于控制精度和方便性的考慮，以上所有關(guān)節(jié)驅(qū)動均采用步進電機驅(qū)動，使用諧波齒輪減速機構(gòu)減速。 腰大臂腰大臂小臂腕手爪圖2-1機械傳動方案機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計機器人手爪的設(shè)計原始數(shù)據(jù)：圍棋棋子的尺寸：常用的圍棋棋子直徑d=23mm，厚度h=5—6mm，重量根據(jù)棋子的材質(zhì)不同約在5-20g之間圍棋棋格的尺寸：橫向×縱向=23×24mm手指的動力源設(shè)計：分別使用四根彈簧和一個錐形塊頂住手指，用電磁鐵帶動錐形塊上下移動，進而完成手爪的開合，開合量為單向5mm。手指的設(shè)計現(xiàn)設(shè)計爪子為4個，承正方形布置，爪子使用0.5mm的金屬片彎曲而成，具體形狀和尺寸見圖紙。手爪滑槽上擋塊尺寸數(shù)據(jù)詳見圖紙。錐形塊的設(shè)計及彈簧的選擇錐形塊外形圖3-1錐形塊尺寸頂角取60度圓錐直徑d=14mm，圓柱部分高度10mm內(nèi)部螺紋孔用來連接電磁鐵錐形塊的質(zhì)量m=V*ρ=2*7.86=15.72g（2-1）彈簧的選用：設(shè)計的手爪的寬度h1=3mm，由此查資料選取彈簧D20730參數(shù)如下圖所示表3-1彈簧的參數(shù)線徑外徑內(nèi)徑自由長最大負載受力長度建議孔徑產(chǎn)品編號0.322.822.1814.20.4796.13.1D20730對彈簧做力的分析：圖3-2彈簧受力分析F總==4.54N（3-2）單個彈簧：F1=1/4F總=1.13N （3-3）所以錐形塊在每個彈簧上施加的水平力為1.13N彈簧的預(yù)變形量為L'=1.95mm（3-4）電磁鐵的選擇電磁鐵的選用：F總'=5*0.059*4=1.18kgf（3-5）F==2kgf（3-6）根據(jù)設(shè)計的工作情況電磁鐵通電率約在25%所以選用ZHO-1585L/S推式電磁鐵（詳細參數(shù)見附表）手爪外殼尺寸設(shè)計外殼材料選用：由《機械設(shè)計手冊2008版》查得表3-2根據(jù)零件工作條件推薦選用的工程塑料品種機械零件類型典型產(chǎn)品名稱工作條件對材料的性能要求推薦使用的工程塑料品種一般結(jié)構(gòu)零件殼體、蓋板、外罩、支架、手柄、手輪、導(dǎo)管、管接頭、方向盤、一般緊固件等不承受或只承受很小的負載，工作環(huán)境溫度不高只要求較低的強度和耐熱性能，但因用量較大，還要求成型工藝好，成本低廉低壓聚乙烯、聚苯乙烯、改性聚苯乙烯，聚丙烯、聚氯乙烯、尼龍、A16等故而選用低壓聚乙烯為手爪外殼材料（密度0.91～0.96g/cm）；腕部的設(shè)計手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。腕部角度電機的選擇手爪的連接部軸直徑d=10mm，電磁鐵G=511g灰鑄鐵HT150的密度7.2g/cm2計算手爪部分的重量：手爪壁厚為δ=5mm外邊長A=60mm高度H=170mmm手爪=v×ρ≈（602-552）×170×10^-3×1=97.7g≈0.1kg（3-7）G手爪=9.8×m=0.98N（3-8）計算錐形塊的重量m錐=v×ρ=（3.14×72×10+1/3×3.14×72×12）×10^-3×7.2=15.5g（3-9）計算導(dǎo)軌上壓塊的重量m=v×ρ=25×24×6×8×10^-3×7.2=207.36g=0.207kg（3-10）m總min=511+97.7+15.5+207=831.2g（3-11）由于其他零部件重量影響取m總=1kg（3-12）外殼與軸Ⅰ的連接：由于手爪較輕，總重量不超過1kg，無沖擊，低轉(zhuǎn)速，所以選用圓錐銷連接圓錐銷尺寸如下：d=5mm,a≈0.63mm,L=26mm圖3-3圓錐銷計算并選取腕部角度步進電機5：腕部旋轉(zhuǎn)直接用步進電機驅(qū)動，設(shè)手爪及物體的為一個細長矩形桿，則轉(zhuǎn)動慣量為：（3-13）設(shè)轉(zhuǎn)速為：，加速時間，得電機輸出轉(zhuǎn)矩為：（3-14）選擇電機型號：CMK244PAP(選自東方馬達公司的步進電機）由于負載很小且電機的轉(zhuǎn)動角度范圍很小所以此步進電機的校核省略聯(lián)軸器選用彈性聯(lián)軸器備有最適合搭配控制用電動機的彈性聯(lián)軸器。選好電動機/減速機的種類或用途后，即能輕松地選擇聯(lián)軸器尺寸。對包含減速機型電動機等所有電動機軸徑均能對應(yīng)。MCS聯(lián)軸器的特點利用鋁合金制輪轂與樹脂制星形輪構(gòu)成的3片結(jié)構(gòu)的聯(lián)軸器（coupling）。構(gòu)造簡單且能確實傳送減速機型的高轉(zhuǎn)矩。以星形輪的適度彈性抑制電動機的振動。1能對應(yīng)減速機型電動機，實現(xiàn)高強度。2利用聚氨酯制星形輪來抑制電動機產(chǎn)生的振動。3齒隙0。聯(lián)軸方式夾鉗型此聯(lián)軸器是利用螺絲的鎖緊力量使轉(zhuǎn)孔徑收縮達到與轉(zhuǎn)軸連結(jié)的安裝方式。因此，不會損壞轉(zhuǎn)軸而且安裝、拆卸都很容易。螺絲的緊固轉(zhuǎn)矩請參考下表值。在鎖緊時，建議使用扭力扳手。表3-3彈性聯(lián)軸器型號與緊固轉(zhuǎn)矩的關(guān)系型號MCS14MCS20MCS30緊固轉(zhuǎn)矩N·m0.370.761.34校準作業(yè)雖然彈性聯(lián)軸器容許在校準偏差的情況下傳導(dǎo)運轉(zhuǎn)角度及轉(zhuǎn)矩，但若偏差值超過容許范圍，將會出現(xiàn)振動或急速縮短聯(lián)軸器壽命的情況。因此，請務(wù)必進行校準作業(yè)。軸心的偏差具體表現(xiàn)為，偏心（兩軸心的平行誤差）、偏角（兩軸心的角度誤差）及軸向偏移（軸的軸向偏移）。為確保校準不超出容許值范圍，務(wù)請做好校準的確認與調(diào)整工作。為盡可能延長使用壽命，請將偏差值控制在容許值的1/3以下。圖3-4彈性聯(lián)軸器的調(diào)準請注意：偏差值超過容許值或施加過大的轉(zhuǎn)矩時，可能引起聯(lián)軸器塑性變形，縮短產(chǎn)品的壽命。運行時，若發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器有異音（金屬音），請立即停止運行，檢查是否有偏差、軸干擾、螺絲松動等情形發(fā)生。當(dāng)負載變動較大時，為了防止聯(lián)軸器的螺絲松動，請涂抹膠粘劑。表3-4彈性聯(lián)軸器選用CMK減速比電機軸徑mm適用聯(lián)軸器被動軸徑CMK244PAP_Φ5MCS14Φ4/5/6/6.35圖3-5彈性聯(lián)軸器尺寸外形圖連接軸5的設(shè)計機械材料選用機械零件材料的選擇是機械設(shè)計的一個重要問題，不同材料制造的零件具有不同的機械性能和加工工藝和結(jié)構(gòu)形狀。機械零件的常用材料有黑色金屬、有色金屬、非金屬材料和其他各種復(fù)雜的復(fù)合材料等。材料的選用主要考慮以下三個方面：使用要求，工藝要求和經(jīng)濟性要求。傳動軸的常用材料有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼對應(yīng)力集中的敏感性較低，還可通過熱處理改變其綜合性能，價格也比合金鋼低廉，因此應(yīng)用較為廣泛，常用45號鋼。合金鋼則具有更高的機械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。在一般工作溫度下碳素鋼與合金鋼的彈性模量基本相同。綜上所述，軸5的材料取45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，查機械設(shè)計手冊的45號調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能參數(shù)如下圖3-645號鋼調(diào)質(zhì)的力學(xué)性能初算軸5的最小直徑（3-15）軸工作簡圖如圖如下：圖3-7軸5的尺寸首先確定個段直徑A段：=6mm由聯(lián)軸器選定B段：=24mm，軸肩h≧（0.07-0.1）d3=2mmC段：=20mm與軸承（圓錐滾子承30206）配合，取軸承內(nèi)徑第二、確定各段軸的長度A段：=4mmB段L2（≧1.4h=2.8mm)=4mm,C段L3=51.5mm軸5的強度校核由于此軸最小軸徑為6mm,所以只對這一段進行校核。軸的運動主要受到扭轉(zhuǎn)力,所以只對其扭轉(zhuǎn)強度進行校核。軸的扭轉(zhuǎn)校核公式為:（3-16）式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為軸的材料為45號鋼,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為可知步進電機5的扭矩為0.39N.m此段軸的抗扭截面系數(shù)位為：（3-17）將數(shù)值帶入公式計算得：（3-18）則：（3-19）由此可知，設(shè)計的轉(zhuǎn)軸強度滿足要求，可以使用。腕部角度電機軸承5的選用51104單向推力球軸承，脂潤滑，參數(shù)如下表3-551104單向推力球軸承參數(shù)表軸承代號|51000型:51104基本尺寸/mm|d:20基本尺寸/mm|D:35基本尺寸/mm|T:10安裝尺寸/mm|da(min):29安裝尺寸/mm|Da(max):26安裝尺寸/mm|ra(max):0.3其他尺寸/mm|d1(min):21其他尺寸/mm|D1(max):35其他尺寸/mm|r(min):0.3基本額定載荷/kN|Ca:14.2基本額定載荷/kN|C0a:24.5最小載荷常數(shù)|A:0.004極限轉(zhuǎn)速/(r/min)|脂:4800極限轉(zhuǎn)速/(r/min)|油:6700重量/kg|W≈:0.036腕部垂直電機4的選用腕部板材選用45號鋼，尺寸見零件圖使腕板垂直的步進電機4的選用腕部板的重量：（3-20）電機5的重量：（3-21）電機5底座的重量：（3-22）聯(lián)軸器的質(zhì)量：（3-23）軸5的質(zhì)量：（3-24）軸承的質(zhì)量：（3-25）m總=500+270+35+6.7+104+36+1000=1951.7g≈2kg（3-26）設(shè)垂直電機速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：（3-27）式中：T-旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩N.mJ–轉(zhuǎn)動慣量kg.m2-角加速度rad/s2使機械手大臂從加速到所需的時間為：則：J1=M1L12=2×0.1752=0.06125kg.m2（3-28）（3-29）選擇帶諧波減速器的步進電機：型號：ARL46MC-H100-1表3-6ARL46MC-H100-2步進電機參數(shù) 安裝尺寸42mm型諧波減速機型軸型單軸電磁制動有附屬電纜線2m勵磁最大靜止轉(zhuǎn)矩5N?m轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J90×10^-7kg?m^2容許速度范圍0-35r/min減速比 100分辨率1000P/R設(shè)定時 0.0036°/脈沖容許轉(zhuǎn)矩 5N?m最大轉(zhuǎn)矩11N?m空轉(zhuǎn)（負載轉(zhuǎn)矩）1.5min以下(±0.2N?m)電源輸入電壓單相200-230V電源輸入電壓容許范圍-15～+10%電源輸入頻率50/60Hz電源輸入電流1.7A電磁制動部型式無勵磁動作型電磁制動部電源輸入DC24V±5%電磁制動部勵磁電流0.08A電磁制動部靜摩擦轉(zhuǎn)矩2.5N?m最大輸入脈沖頻率250kHz(脈沖占空比50%時)保護功能下列保護功能工作時，輸出警報信號，電動機自然停止。驅(qū)動器的警報LED會按（）內(nèi)的次數(shù)閃爍。過熱保護（1次）、過載保護（2次）、過壓保護（3次）、速度差異常保護（4次）、過流保護（5次）、速度過快（6次）、EEPROM數(shù)據(jù)錯誤（7次）、傳感器異常（8次）、系統(tǒng)異常（亮燈）電動機部質(zhì)量0.82kg步進電機4的校核第4自由度軸的等效轉(zhuǎn)動慣量的計算：手腕軸4的質(zhì)量：M軸4=5×3.14×12×7.2=113g（3-30）手腕軸4產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量：（3-31）從資料查得步進電機轉(zhuǎn)子慣量為：J4=90×10^-7kg?m2（3-32）腕板及手爪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量：（3-33）因此，傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量：（3-34）根據(jù)公式，電機空載啟動力矩為:（3-35）因為本設(shè)計中沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零，即M0=0。摩擦力矩忽略不計，則僅剩加速力矩項，即（3-36）式中：傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣=0.036kg.m2；運動部件最大快進速度；運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間t=1s。所以:（3-38）查資料得步進電機的勵磁最大靜止轉(zhuǎn)矩Mmq=5N?mMkq<Mmq，初選電機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。軸4的設(shè)計（3-39）軸工作簡圖如圖如下：圖3-8軸4的尺寸首先確定個段直徑A段：=29mm由電機軸確定B段：=25mm與軸承（深溝球軸承6003）配合，取軸承內(nèi)徑C段：=20mmD段：=12mm與圓螺母配合第二、確定各段軸的長度A段：=4mmB段：L2=33mmC段：L3=11mmD段：L4=18mm軸4的強度校核軸本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用,故只對軸扭矩進行校核。由于此軸最小軸徑為12mm,所以只對這一段進行校核。軸的運動主要受到扭轉(zhuǎn)力,所以只對其扭轉(zhuǎn)強度進行校核。軸的扭轉(zhuǎn)校核公式為:式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為軸的材料為45號鋼,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為可知步進電機4的扭矩為0.04N.m此段軸的抗扭截面系數(shù)位為：將數(shù)值帶入公式計算得：（3-40）則：（3-41）由此可知，設(shè)計的轉(zhuǎn)軸強度滿足要求，可以使用。軸承的選用：軸承選用深溝球軸承6003兩個，由于受力不大且軸的轉(zhuǎn)速較小，所以對此軸承不做校核。軸上鍵的設(shè)計機械傳動中的鍵主要用作軸和軸上零件之間的周向固定以傳遞扭矩，有些鍵還可實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向移動。如減速器中齒輪與軸的聯(lián)結(jié)。鍵分為平鍵、半圓鍵、楔向鍵、切向鍵和花鍵等。對于采用常見的材料組合和按標準選取尺寸的普通平鍵連接，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪短。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進行強度校核計算，對于導(dǎo)向平鍵連接和滑鍵連接（動連接），其主要失效形式是工作面的過渡磨損。因此，通常按工作面上的壓力進行條件性的強度校核計算。此軸的鍵位整個系統(tǒng)中最小的，所以本次設(shè)計僅對這個鍵進行校核。假設(shè)載荷在鍵的工作面上是均勻分布的，普通平鍵的強度條件為（3-42）此次設(shè)計的鍵按照GB1095-2003、1096-2003選用，其尺寸為寬度b=6mm,高度h=6mm表3-7鍵的參數(shù)許用應(yīng)力及許用壓強連接工作方式被連接零件材料不同載荷性質(zhì)的許用值靜載輕微沖擊沖擊σpp靜連接鋼125～150100～12060～90鑄鐵70～8050～6030～45ρpp動連接鋼504030τpp1209060校核鍵連接的強度：鍵、臂、軸的材料都是鋼，由圖2-13中查得許用擠壓應(yīng)力[σp]=100~120MPa,取其平均值，[σp]=110MPa。鍵的工作長度l=4mm，鍵與軸的接觸高度k=0.5h=3mm。由式（2-44）可得：（3-43）所以此鍵合適。肘部的設(shè)計小臂的設(shè)計小臂材料選用45號鋼，詳細尺寸見圖紙肘部電機3的選擇相關(guān)數(shù)據(jù)計算（3-44）（3-45）（3-46）（3-47）m總=1.18kg（3-48）估算小臂的重量：m小臂=30×5×432×7.2×10-3=467g（3-49）（3-50）第三自由度步進電機的選擇設(shè)垂直電機速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：式中：T-旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩N.mJ–轉(zhuǎn)動慣量kg.m2-角加速度rad/s2使機械手大臂從加速到所需的時間為：則：J3=M1L12+M2L22+M3L32=1.18×0.032+0.467×0.1752+2×0.4252=0.1468kg.m2≈0.15kg.m2（3-51）（3-52）選擇帶諧波減速器的步進電機：ARL66MC-H100-1表3-8ARL66MC-H100-2步進電機的參數(shù)安裝尺寸60mm型諧波減速機型軸型單軸電磁制動有附屬電纜線2m勵磁最大靜止轉(zhuǎn)矩8N?m轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J535×10^-7kg?m^2容許速度范圍0-35r/min減速比 100分辨率1000P/R設(shè)定時 0.0036°/脈沖容許轉(zhuǎn)矩 8N?m最大轉(zhuǎn)矩28N?m空轉(zhuǎn)（負載轉(zhuǎn)矩）0.7min以下(±0.39N?m)電源輸入電壓單相200-230V電源輸入電壓容許范圍-15～+10%電源輸入頻率50/60Hz電源輸入電流2.4A電磁制動部型式無勵磁動作型電磁制動部電源輸入DC24V±5%電磁制動部勵磁電流0.25A電磁制動部靜摩擦轉(zhuǎn)矩4N?m速度?位置控制指令 脈沖序列輸入（負邏輯脈沖輸入）保護功能下列保護功能工作時，輸出警報信號，電動機自然停止驅(qū)動器的警報LED會按（）內(nèi)的次數(shù)閃爍。過熱保護（1次）、過載保護（2次）、過壓保護（3次）、速度差異常保護（4次）、過流保護（5次）、速度過快（6次）、EEPROM數(shù)據(jù)錯誤（7次）、傳感器異常（8次）、系統(tǒng)異常（亮燈）電動機部質(zhì)量1.7kg電機的校核：第3自由度軸的等效轉(zhuǎn)動慣量的計算連接軸3的質(zhì)量M軸3=6.4×3.14×1.52×7.2=325g（3-52）連接軸3產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量（3-54）從資料查得步進電機轉(zhuǎn)子慣量為J3=5.35×10^-5kg?m2（3-55）小臂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量（3-56）手腕以下部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量（3-57）因此，傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量:（3-58）步進電機3的校核根據(jù)公式，電機空載啟動力矩為:因為本設(shè)計中沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零，即M0=0。摩擦力矩忽略不計，則僅剩加速力矩項，即式中：傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣=0.165kg.m2；運動部件最大快進速度；運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間t=1s。（3-59）所以:查資料得步進電機的勵磁最大靜止轉(zhuǎn)矩Mmq=8N?mMkq<Mmq，初選電機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。軸3的設(shè)計軸3的最小尺寸計算如下：軸工作簡圖如圖如下：圖3-9軸3的尺寸首先確定個段直徑A段：=38mm由電機軸確定B段：=30mm與軸承（深溝球軸承6003）配合，取軸承內(nèi)徑C段：=20mmD段：=12mm與圓螺母配合第二、確定各段軸的長度A段：=4mmB段：L2=37mmC段：L3=11mmD段：L4=18mm軸3的強度校核軸本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用,故只對軸扭矩進行校核。由于此軸最小軸徑為12mm,所以只對這一段進行校核。軸的運動主要受到扭轉(zhuǎn)力,所以只對其扭轉(zhuǎn)強度進行校核。軸的扭轉(zhuǎn)校核公式為:式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為軸的材料為45號鋼,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為可知步進電機3的扭矩為0.182N.m此段軸的抗扭截面系數(shù)位為：將數(shù)值帶入公式計算得：則：（3-60）由此可知，設(shè)計的轉(zhuǎn)軸強度滿足要求，可以使用。軸承及鍵的設(shè)計軸承選用深溝球軸承6005兩個，由于受力不大且軸的轉(zhuǎn)速較小，所以對此軸承不做校核。鍵的設(shè)計尺寸為b*h*L=8*7*6（單位mm）。肩部的設(shè)計大臂的設(shè)計大臂材料選用45號鋼，詳細尺寸見圖紙肩部電機2的設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)計算（3-61）（3-62）（深溝6005型，重0.113kg）（3-63）m大臂=50×8×577×7.2×10-3=1641g（3-64）（3-65）m小臂=467g（3-66）m腕’=2kg（3-67）步進電機2的選擇設(shè)肘部電機速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：式中：T-旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩N.mJ–轉(zhuǎn)動慣量kg.m2-角加速度rad/s2使機械手大臂從加速到所需的時間為：則：J4=M1L12+M2L22+M3L32+M4L42=2×0.952+0.467×0.72+2.166×0.5252+1.641×0.2652=2.74kg.m2（3-68）（3-69）選擇帶諧波減速器的步進電機：ARL98MC-H100-2型表3-9ARL98MC-H100-2步進電機的參數(shù)安裝尺寸90mm型諧波減速機型軸型單軸電磁制動有附屬電纜線2m勵磁最大靜止轉(zhuǎn)矩37N?m轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J1420×10^-7kg?m^2容許速度范圍0-35r/min減速比 100分辨率1000P/R設(shè)定時 0.0036°/脈沖容許轉(zhuǎn)矩37N?m最大轉(zhuǎn)矩55N?m空轉(zhuǎn)（負載轉(zhuǎn)矩）1.5min以下(±1.2N?m)電源輸入電壓單相200-230V電源輸入電壓容許范圍-15～+10%電源輸入頻率50/60Hz電源輸入電流3.4A電磁制動部型式無勵磁動作型電磁制動部電源輸入DC24V±5%電磁制動部勵磁電流0.25A電磁制動部靜摩擦轉(zhuǎn)矩18.5N?m速度?位置控制指令 脈沖序列輸入（負邏輯脈沖輸入）保護功能下列保護功能工作時，輸出警報信號，電動機自然停止驅(qū)動器的警報LED會按（）內(nèi)的次數(shù)閃爍。過熱保護（1次）、過載保護（2次）、過壓保護（3次）、速度差異常保護（4次）、過流保護（5次）、速度過快（6次）、EEPROM數(shù)據(jù)錯誤（7次）、傳感器異常（8次）、系統(tǒng)異常（亮燈）電動機部質(zhì)量4.6kg電機2的校核：第2自由度軸的等效轉(zhuǎn)動慣量的計算連接軸2的質(zhì)量M軸2=7×3.14×1.82×7.2=513g（3-70）連接軸2產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量（3-71）從資料查得步進電機轉(zhuǎn)子慣量為J3=1.420×10^-4kg?m2（3-72）大臂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量（3-73）肘關(guān)節(jié)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量（3-74）小臂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量（3-75）手腕以下部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量（3-76）因此，傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量:（3-77）根據(jù)公式，電機空載啟動力矩為:因為本設(shè)計中沒有采用滾珠絲杠副傳動，所以絲杠預(yù)緊附加摩擦力矩等于零，即M0=0。摩擦力矩忽略不計，則僅剩加速力矩項，即式中：傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣=1.74kg.m2；運動部件最大快進速度；運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間t=1s。（3-78）所以:查資料得步進電機的勵磁最大靜止轉(zhuǎn)矩Mmq=37N?mMkq<Mmq，初選電機滿足最大靜轉(zhuǎn)矩校核要求。軸2的設(shè)計軸2的最小尺寸計算如下：軸工作簡圖如圖如下：圖3-10軸2的尺寸首先確定個段直徑A段：=42mm由電機軸確定B段：=35mm與軸承（深溝球軸承6003）配合，取軸承內(nèi)徑C段：=20mmD段：=12mm與圓螺母配合第二、確定各段軸的長度A段：=6mmB段：L2=39mmC段：L3=11mmD段：L4=18mm軸2的強度校核軸本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用,故只對軸扭矩進行校核。由于此軸最小軸徑為16mm,所以只對這一段進行校核。軸的運動主要受到扭轉(zhuǎn)力,所以只對其扭轉(zhuǎn)強度進行校核。軸的扭轉(zhuǎn)校核公式為:式中：——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為軸的材料為45號鋼,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為可知步進電機2的扭矩為1.9N.m此段軸的抗扭截面系數(shù)位為：將數(shù)值帶入公式計算得：（3-79）則：（3-80）由此可知，設(shè)計的轉(zhuǎn)軸強度滿足要求，可以使用。軸承及鍵的設(shè)計軸承選用深溝球軸承6007兩個，由于受力不大且軸的轉(zhuǎn)速較小，所以對此軸承不做校核。鍵的設(shè)計尺寸為b*h*L=10*8*8（單位mm）。底座的設(shè)計肩板的設(shè)計肩板材料選用45號鋼，詳細尺寸見圖紙底座電機1的設(shè)計由于底座電機在運動時只受到微小的徑向力和軸向力，為保證機械手正常運轉(zhuǎn)，選用和肩部電機一樣的型號，并不再校核。軸1的設(shè)計軸1的尺寸設(shè)計同軸2軸承及鍵的設(shè)計軸承選用深溝球軸承6007一個，單向推力球軸承51306一個，由于受力不大且軸的轉(zhuǎn)速較小，所以對此軸承不做校核。鍵的設(shè)計尺寸為b*h*L=10*8*8（單位mm）?？刂撇糠衷O(shè)計控制方案的總體設(shè)計控制系統(tǒng)的設(shè)計為了能夠控制操作機的末端執(zhí)行器按規(guī)定的點位(PTP)和連續(xù)軌跡(CP)運動。運動平穩(wěn)、準確，且能夠根據(jù)系統(tǒng)的反饋自動調(diào)整偏差。控制系統(tǒng)有兩種方式：一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔(dān)機器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運動學(xué)和動力學(xué)計算，并向下級微機發(fā)送指令信息。作為下級從機，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。本次方案采用集中式控制，將機器人所有關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動量的控制以及檢測系統(tǒng)（圖像檢測和壓敏檢測）所采集的信息傳送給一臺微型計算機，在計算機內(nèi)完成輸入數(shù)據(jù)的分析，以及與圍棋對弈軟件的交互，得到圍棋對弈軟件的結(jié)果，再通過計算機處理得到圍棋機器人手臂的動作信號輸出到運動控制卡，由運動控制卡完成對各個關(guān)節(jié)步進電機進行控制，機械手收到指令后，其動作順序按照末端執(zhí)行件，腕部電機，肘部電機，底座電機再到肩部電機的順序動作。手臂完成位置的移動，手爪完成棋子的抓取。圍棋軟件目前全世界的電腦仍然無法模擬出圍棋的人工智能，原因在于圍棋算法過于復(fù)雜。深藍西洋棋雖然可以擊敗世界棋王卡斯帕洛夫，這是由于西洋棋目標明確，只要殺死國王即可（跟象棋、將棋系出同源），因此算法并不困難，但圍棋不一定須要智殺對方棋子，每一步有數(shù)百種以上的走法，黃山谷有詩：“心似蛛絲游碧落，身如蜩甲化枯枝。”算法的困難度明顯要高得多。宋代的《夢溪筆談》已對圍棋做了數(shù)學(xué)式表述，沈括稱“大約連書萬字五十二個，即是局之大數(shù)”，意思是說要寫52個萬（一個萬即4位數(shù)，共52個4位數(shù)）字，這是錯誤的，應(yīng)該連書萬字四十三個，約為3361≈1.74×10172。根據(jù)圍棋規(guī)則，沒有氣的子不能存活，扣除這些狀態(tài)后的合法狀態(tài)(占1.196%)約有2.08×10170種。Robertson與Munro在1978年證得圍棋是一種

PSPACE難

的問題，其必勝法之記憶計算量在10600以上，這遠遠超過宇宙的原子總數(shù)1075。目前圍棋的電腦算法還不足以抗衡圍棋職業(yè)初段，1985年臺灣著名實業(yè)家應(yīng)昌期懸賞一百萬美金，找尋能夠打敗職業(yè)棋士的電腦程式而不可得?！吧钏{”設(shè)計人許峰雄

在2007年10月一期的《IEEESpectrum》雜志上表示，相信10年內(nèi)以窮舉法為基礎(chǔ)的超級電腦將能挑戰(zhàn)世界冠軍級別的棋手，早年（上世紀90年代）中國陳志行開發(fā)的手談曾屢獲世界圍棋大賽冠軍，而目前最強的圍棋對弈軟件是法國的MoGo,朝鮮的KCCIGO(銀星),日本的ZEN等電腦圍棋程式，而最普遍應(yīng)用且功能較齊全的是開源圍棋程序GNUGo。本次設(shè)計對軟件方面不做詳細說明。機械手的工作的流程機械手收到動作信號，開始運行。首先，機械手回到零位，手爪電磁鐵動作，手指打開，機械手臂移動到專門的棋子擺放處，抓取一個圍棋棋子手指閉合，手臂抬起，回到初始位置；然后，腕部電機動作調(diào)整手爪的角度，使手爪角度與目標位置相符；接著手腕垂直電機動作調(diào)整到該圍棋點位相應(yīng)的角度；隨后，肘部電機動作調(diào)整到該圍棋點位相應(yīng)的角度；再然后是底座電機開始動作，調(diào)整到預(yù)設(shè)位置；最后肩部電機動作，手臂隨之降下到達相應(yīng)位置，手爪打開，棋子被放下，機械臂按預(yù)設(shè)順序回到零位。圖4-1機器人手臂工作流程圖機械手的簡介機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部用來抓持工件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立的運動方式，稱為機械手的自由度

。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)其數(shù)量越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2~3個自由度。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。本設(shè)計中設(shè)計的多關(guān)節(jié)式的機械手，它共有五個自由度。即：底部電機驅(qū)動整個機械臂在水平面內(nèi)進行轉(zhuǎn)動，肩部電機、肘部電機、手腕垂直電機驅(qū)動機械手臂在垂直平面內(nèi)進行運動，腕部電機驅(qū)動手爪在水平面內(nèi)對手爪的插入角度做微小調(diào)整。機械臂的機構(gòu)和傳動系統(tǒng)一般的機械手有三種傳動系統(tǒng)即：液壓、氣壓、機械傳動?？紤]到圍棋機器人工作環(huán)境要求清潔，所以采用機械傳動。末端執(zhí)行機構(gòu)機械手的末端執(zhí)行器即手爪指的是機械手與工件接觸的部分。手爪在動作時需要滿足迅速、靈活、準確和可靠的基本要求。手爪部分設(shè)計需要考慮的內(nèi)容包括：第一，機械手臂的坐標形式。第二，夾緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小。第三，足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化。第四，夾緊機構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、動作靈活和工作可靠。綜合以上考慮，我將手爪設(shè)計成四指聯(lián)動式的，手指采用薄鋼片彎曲而成，由一個電磁鐵和彈簧機構(gòu)進行驅(qū)動，保證了手指能夠在設(shè)計范圍內(nèi)來回動作。手臂手臂由四部分組成，手腕、小臂、大臂、肩，其中手腕上有兩個步進電機。原因如下：1.手腕角度電機即“電機5”（詳見圖紙），由于圍棋棋盤點多格密，下到后期往往造成棋盤上棋子很密集，此時手指的動作空間就會變得很小，經(jīng)計算如下：圖4-2手爪轉(zhuǎn)動角度的計算可見為了保證機械手臂在整個棋盤內(nèi)能夠可靠動作，當(dāng)棋子到達特定區(qū)域時，機械手手指部分必須轉(zhuǎn)動一定角度，α=110 ，才能保證在落子和提子的時候不會碰到周邊的棋子而擾亂棋盤。2.同樣出于棋盤密集和棋子小巧的原因?qū)е率肿幼鲿r必須與盤面保持垂直，所以腕部的電機就是這個功能。底座底座承擔(dān)機械手的全部重量，同時在底座內(nèi)布置了一個步進電機以完成機械手在x-y平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。本設(shè)計應(yīng)用機械手完成對圍棋棋子的提子、落子，實現(xiàn)了自動化的應(yīng)用，是典型的機電控制的結(jié)合和應(yīng)用，而且該機械手不僅可以完成圍棋對弈，只要對手指略作修改也可以用于其他棋類游戲。步進電機驅(qū)動部分驅(qū)動器上接運動控制卡，由運動控制卡提供動作信號，然后輸出到步進電機，電機動作。根據(jù)步進電機廠家所提供的資料，其步進電機配有相應(yīng)的驅(qū)動器，現(xiàn)選取如下：手腕角度步進電機5驅(qū)動器的選擇驅(qū)動器選用：CMD2112P（東方馬達公司）圖4-3驅(qū)動器各部分名稱1.電源輸入顯示2.電流調(diào)整旋鈕3.功能旋轉(zhuǎn)開關(guān)4.輸入/輸出信號帶諧波減速器的步進電機驅(qū)動器的選擇本次設(shè)計選用的腕部垂直步進電機、肘部電機、肩部電機和底座電機均為帶諧波減速器的步進電機，其輸入形式為脈沖輸入型，現(xiàn)根據(jù)電機廠家提供的資料選用驅(qū)動器如下：表4-1驅(qū)動選擇列表諧波減速器ARL46_C-H50-_ARLM46_C-H50-_ARLD07A-CARL46_C-H100-_ARLM46_C-H100-_ARL66_C-H50-_ARML66_C-H50-_ARLD12B-CARL66_C-H100-_ARLM66_C-H100-_ARL98_C-H50-_ARLM98_C-H50-_ARLD16B-CARL98_C-H100-_ARLM98_C-H100-_驅(qū)動器簡介：圖4-4驅(qū)動器接口圖信號監(jiān)控顯示2.功能轉(zhuǎn)換開關(guān)3.電流設(shè)定開關(guān)4.速度平滑性調(diào)整設(shè)定按鈕5.輸入/輸出信號步進電機的制動在機械手的下棋過程中，難免會由于一些意外的情況而導(dǎo)致機器人手臂的動作錯誤，例如：計算機的程序錯誤，外力對步進電機的影響等。一旦發(fā)生這種情況就有可能導(dǎo)致圍棋機器人手臂的損壞和下棋過程的中斷。為了保證在遇到特殊情況的時候，圍棋機器人還能正常工作，故而選擇了帶有電磁制動功能的步進電機，當(dāng)遇到意外情況是電磁制動開啟，電機會立即停止以避免造成傷害。圖4-5電磁制動連接圖電磁制動與電源的連接請使用附屬的電纜線或AWG24（0.2mm2）以上的粗電纜線。由于輸入電源為DC24V±5%0.3A以上（ARL46：0.1A以上），因此請與驅(qū)動器電源分開，另外準備電磁制動用電源。請注意●施加規(guī)格值以上的電壓時，電磁制動發(fā)熱變大，電動機溫度上升，將導(dǎo)致電動機故障。電壓過低時，電磁制動則可能無法動作?！駷榱吮Ｗo開關(guān)觸點及避免干擾，請務(wù)必連接壓敏電阻。●為了防止干擾，請準備電磁制動用專用電源?！耠姶胖苿泳€帶有極性。連錯極性時電磁制動將無法動作。●使用CE標志認證產(chǎn)品時，電磁制動用電源請使用專用的DC電源。棋盤信號檢測和反饋機器人的傳感部分即檢測裝置，為了使機器人能夠?qū)崟r獲取外部環(huán)境信息即棋局的戰(zhàn)況以及機器人手臂的位姿和機器人手爪抓取部分的位置，要求機器人具有一套分辨能力較強的視覺傳感器，以及能夠反饋手爪末端位置的傳感器。對傳感器要求精度較高，反應(yīng)較快，以便提高圍棋機器人的運轉(zhuǎn)速度。檢測裝置是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進行比較后，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整，以保證機器人的動作符合預(yù)定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人的工作精度。機器人的檢測和反饋就好像人的感受器官一樣，它能夠告知機器人外部發(fā)生的變化。人有五感，而對于機器人而言一般只有只有三種感覺，即視覺、聽覺和觸覺。在本次設(shè)計中，視覺系統(tǒng)相當(dāng)于機器人的眼睛,其功能是從攝像頭拍攝的棋局圖像檢測出每一個棋子,識別出其顏色和種類,并得到棋子的位置信息。而觸覺系統(tǒng)就相當(dāng)于人的手指，其功能是感知手爪指尖的位置以及是否確實抓住了棋子。為實現(xiàn)機器人對于棋盤信息的獲取并反饋給計算機以實行下一步動作，要求傳感部分具有良好的圖像獲取和分辨能力，而位置傳感器要能夠快速告知計算機機器人手爪是否已經(jīng)到位?，F(xiàn)根據(jù)本課題的要求，擬采用圖像傳感器和壓電傳感器。將圖像傳感器的攝像頭安裝在棋盤的正上方，壓電傳感器安裝在手爪的末端，上下各一片。這樣，圖像傳感器就可以采集到棋盤上棋子的位置信息，為了保證圖像的清晰以及為了盡量減小圖像的變形，現(xiàn)確定將攝像頭安裝在棋盤的正上方一米處。圖4-6攝像頭的安裝運動控制卡的選用運動控制卡是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)模可編程器件實現(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發(fā)出脈