五自由度機器人結構設計【5自由度】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】
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畢業(yè)設計(或論文)說明書 頁
摘要
隨著機器人技術的飛速發(fā)展，工業(yè)機器人的應用領域正在不斷的擴大，對教育培訓部門提出了新的要求，為提高機器人教學的水平，我們研制了一套以實驗教學為目的的機器人演示系統(tǒng)。
本文闡述了機器人的發(fā)展歷程，國內外的應用現狀，及其巨大的優(yōu)越性，提出具體的機器人設計要求，進行了本演示系統(tǒng)的總體方案設計和各自由度具體結構設計、計算；對演示系統(tǒng)的控制部分的研制，其中包括：進電機開環(huán)控制；光電碼盤為反饋元件的，以PWM型功放電路為驅動器的直流電機閉環(huán)控制；以89C51單片機為核心，實現演示系統(tǒng)的鍵盤管理和LCD顯示，并以單CPU分時控制形式，實現機器人運動的點位控制方式。
最后設計制定出利用本演示系統(tǒng)所開設的幾個實驗的指導書。
關鍵字：教學機器人、結構設計、閉環(huán)控制、演示實驗
Abstract
With the development of robot technology, the continual expansion of application of industrial robots presents newrequire-ments before education and training agencies.We have developed a robot demonstration system for experiments in training to improve the teaching effect of “Robot Teaching”.
Firstly, this paper discusses the development course ,the study both in demestic and in external, the significant advantages of robot and then gives the supporting source of the study and the technical requirements, Secoundly,this paper discusses the overall design and calculation on each degree of freedom ，and about the study on the control part of the Training Robot system,which includes the open-loop control of the stepping motor ,the digital closed-loop control of the DC motor with an optical-electrical encoder as feedback cell and the PWM power amplifier as driver .The keyboard management and the LCD display is based on a 89C51 singal plate computer .It is achieved in point to point control by a singal CPU with share time.
At the end, it presents guidances to some experiments on the demonstration system.
Keywords: Training Robot、Structure Design、Closed-Loop Control 、Demonstrating Experiment.
目 錄
摘要 1
Abstract 2
第1章 緒論 1
1.1 機器人概述 1
1.1.1 機器人的誕生與發(fā)展 1
1.1.2 國內發(fā)展狀況 2
1.1.3 國外機器人發(fā)展趨勢 3
1.2 機器人產業(yè)對教育、培訓的要求及本課題的提出 3
第2章 總體設計方案 5
2.1 總體設計的思路 5
2.2 總體方案的確定 5
2.2.1 坐標形式的選擇 6
2.2.2 驅動系統(tǒng)的類型選擇 6
2.2.3 各部位傳動機構的確定 6
2.2.4 外形尺寸和運動范圍的確定 7
2.2.5 控制系統(tǒng)的確定 7
第3章 結構設計及計算 9
3.1 手部夾持器的結構設計 9
3.1.1 概述 9
3.1.2 手部的結構和手指形狀的確定 9
3.1.3 手部驅動力的計算和電機的選擇 10
3.2 腕部結構設計 13
3.2.1 概述 13
3.2.2 腕部結構設計 14
3.3 臂部及機身（底座）的設計計算 18
3.3.1 概述 18
3.3.2 結構設計計算 19
第4章 控制系統(tǒng)設計 25
4.1 控制系統(tǒng)方案的確定 25
4.1.1 控制方案的確定 25
4.1.2 驅動方式的確定 25
4.1.3 控制系統(tǒng)類型的確定 25
4.1.4 步進電機控制方式的確定 26
4.1.5 直流電機控制方式的確定 26
4.1.6 鍵盤及顯示方式的確定 26
4.2 演示系統(tǒng)的組成 26
4.3 驅動電路的研制 29
4.3.1 恒流源型步進電機驅動電路的研制 29
4.3.2 雙極型PWM直流力矩電機的驅動電路的研制 31
4.3.3 光電碼盤的選擇和辯向電路的研制， 33
4.3.4 直流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。 36
4.3.5 以單片機為核心的機器人控制系統(tǒng)的研制 36
第5章 技術經濟分析 46
第6章 教學機器人演示系統(tǒng)演示實驗的設計 47
6.1 實驗一 教學機器人演示系統(tǒng)的組成及結構 47
6.2 實驗二：教學機器人控制系統(tǒng)的演示實驗 48
結論 50
專題部分:——旋轉電機的分類及其總結 51
致謝 61
參考文獻 62
附錄1 63
附錄2 70
附錄3 75
IV
畢業(yè)設計(或論文)說明書 共77頁
第1章 緒論
1.1 機器人概述
1.1.1 機器人的誕生和發(fā)展
1920年克作家卡雷爾.卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。劇情是這樣的 ：羅薩姆公司把機器人作為人類生產的工業(yè)產品推向市場，讓它去充當勞動力，以呆板的方 式從事繁重的勞動。后來，羅薩姆公司使機器人具有了感情，在工廠和家務勞動中，機器人成了必不可少的成員 。該劇預告了機器人的發(fā)展對人類社會的影響。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”(農奴) 寫成了“Robot”（機器人）。這也是人類社會首次使用“機器人”這一概念。
自動化技術的發(fā)展，特別是計算機的誕生，推動了現代機器人的發(fā)展
50年代是機器人的萌芽期，其概念是“一個空間機構組成的機械臂，一個可重復編程 動作的機器”。1954年美國戴沃爾發(fā)表了“通用重復型機器人”的專利論文，首次提出“ 工業(yè)機器人”的概念；1958年美國聯合控制公司研制出第一臺數控工業(yè)機器人原型；1959年 美國UNIMATION公司推出第一臺工業(yè)機器人。
60年代隨著傳感技術和工業(yè)自動化的發(fā)展，工業(yè)機器人進入成長期，機器人開始向實用化發(fā) 展，并被用于焊接和噴涂作業(yè)中。
70年代隨著計算機和人工智能的發(fā)展，機器人進入實用化時代。日本雖起步較晚，但結合國 情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵使用機器人的措施，其機器人擁有量很快超過了美國 ，一舉成為“機器人王國”。
80年代，機器人發(fā)展成為具有各種移動機構、通過傳感器控制的機器。工業(yè)機器人進入普及 時代，開始在汽車、電子等行業(yè)得到大量使用，推動了機器人產業(yè)的發(fā)展。 為滿足人們個性化的要求，工業(yè)機器人的生產趨于小批量、多品種。
90年代初期，工業(yè)機器人的生產與需求進入了高潮期：1990年世界上新裝備機器人81 000臺，1991年新裝備76 000臺。1991年底世界上已有53萬臺工業(yè)機器人工作在各 條戰(zhàn)線上。 隨后由于受到日本等國經濟危機的影響，機器人產業(yè)也一度跌入低谷。近兩年隨著世界經濟 的復蘇，機器人產業(yè)又出現了一片生機。90年代還出現了具有感知、決策、動作能力的智能機器人，產生了智能機器或機器人化機 器。隨著信息技術的發(fā)展，機器人的概念和應用領域也在不斷擴大。
2000年出現了仿人機器人及其他仿生機器人，機器人的運動能力和智能水平進一步的提高，并以智能體的形式出現，應用領域進一步的擴大。
1.1.2 國內發(fā)展狀況
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，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，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(yè)化進程。
我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品。
1.1.3 國外機器人發(fā)展趨勢
國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
1．工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。
2．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。
3．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
4．機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
5．虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
6．當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。
7．機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。
1.2 機器人產業(yè)對教育、培訓的要求及本課題的提出
采用機器人會給我們帶來很大的方便，機器人和其他自動化裝置最主要的區(qū)別在于機器人的功能和任務很容易修改或改變，僅需要改變軟件就可以了，同時機器人比一般自動化裝備更復雜，需要更多的軟件和硬件知識，故一旦大量采用機器人就需要專門的培訓使用機器人的具有較高水平和技術人員，這無疑對教育和培訓提出新的要求，大多數機器人專家都反復的強調需要制定培訓計劃以為新的工作崗位準備合格的勞動力。
談到培訓，還有個協(xié)調的問題，工業(yè)和教育團體應減少培訓與需求的協(xié)調失誤，在校學生也應了解市場情況，在教師的協(xié)助下開設和調整自己的課程，使所學的專業(yè)和技能在畢業(yè)的時候滿足社會的需求。
對機器人，人們的頭一個問題就是：機器人是否會造成失業(yè)？應該說大量采用機器人會使一部分人喪失工作，然而這一新的產業(yè)所創(chuàng)造的新的就業(yè)機會比其消滅的職業(yè)更多，新的職業(yè)需要新的技能，就再需要教育和培訓，再次證明，機器人對社會的沖擊就是再培訓的課題。
大量采用機器人不回帶來失業(yè)，在機器人的研究、制造和應用上有七種職業(yè)，即研究、開發(fā)、設計、制造、應用、市場、服務、維修和教育，而潛在的部門是機器人制造部門，教育機構和機器人相關部門?，F在國外機器人制造廠家不僅自己開設機器人課程也向學校提供資助 ，為學校提供機器人教學系統(tǒng)，據資料顯示，美國有很多大學開設了機器人課程。
早我國，許多大學也開設了機器人方面的課程（如上海交大，華中科技大學等），也有很多研究開發(fā)機器人的研究機構，但資金問題是困饒機器人發(fā)展的障礙，在教學中也面臨相同的問題。但教學課程上，只是紙上談兵，沒有一點直觀的印象，關鍵是設備問題，研制一個價格低廉、性能優(yōu)越、結構簡單、能給學生以深刻印象的實驗用的教學演示系統(tǒng)，在這前提和背景下，提出本課題，它能達到以下目標：
1. 成本低，必要時可以降低精度要求，因為是實驗演示裝置。
2. 機械結構簡單，便于學生掌握機器人結構上的特點。
3. 整體尺寸不宜過大，以擺放實驗臺為準。
4. 與結構相匹配，為降低成本，采用開環(huán)、閉環(huán)控制相結合
5. 各部分結構最好方便拆卸，以便維修保養(yǎng)。
第2章 總體設計方案
在確定機器人總體設計方案前，必須對機器人設計基本步驟及其基本原則，使設計的方案更合理
2.1 總體設計的思路
設計機器人大體上可分為兩個階段：
一、系統(tǒng)分析階段
1、根據系統(tǒng)的目標，明確所采用機器人的目的和任務。
2、分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。
3、根據機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、信息的存儲量、計算機功能、動作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應性。
二、技術設計階段
1、根據系統(tǒng)的要求的自由度和允許的空間空做范圍，選擇機器人的坐標形式
2、擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖。
3、確定驅動系統(tǒng)的類型。
4、擬訂控制系統(tǒng)的控制原理圖。
5、選擇個部件的具體集體夠，進行機器人總裝圖的設計。
6、繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。
下面結合本演示系統(tǒng)的基本要求和設計的基本原則確定本系統(tǒng)的方案。
2.2 總體方案的確定
提到總體方案的確定，讓我們重復下本課題的要求：
1、它是一個教學用的演示系統(tǒng)。
2、我們希望它不太大，可以安置在實驗臺沙鍋內給學生講解，即小型化、輕型化。
3、經費有限，要求成本低。
4、在滿足前幾點的要求下，盡可能的要造型美觀。
2.2.1 坐標形式的選擇
有要求可知這是一個演示的系統(tǒng)，即機器人的幾個基本的動作的演示，了解機器人的基本結構、控制方式等，加深對工業(yè)機器人及其適用的工作環(huán)境的了解，綜合考慮選用
圓柱型坐標，此坐標的運動特點是各動作直觀性強，占用空間小，相對工作范圍大，也常用，而關節(jié)型、極坐標型機器人的運動直觀性差，而直角坐標型占地面積大、工作范圍小，靈活性差。
2.2.2 驅動系統(tǒng)的類型選擇
因為現有的實驗設備中電機控制的優(yōu)點，基本設想采用電機驅動，使用步進電機和伺服電機驅動。
整體結構布局的確定
在確定整體結構時，考慮到課題的基本要求，覺得采用模塊式結構，各部位自成體系，組裝方便，根據思想有圖的個構想，臂部回轉電機1通過減速機構驅動2回轉，從 而帶動手臂回轉，又臂部電機帶動絲杠驅動4縮運動，5 固定載上實現腕部的升降，7為控制腕不粉回轉的位置傳感器，8實現手爪的旋轉，如圖所示：
綜合考慮此設計，可以認為該結構具有線條簡潔明快，能使初學者較快的得其要領，理解工作原理，很適合于機器人教學的需要。
2.2.3 各部位傳動機構的確定
我們從底座開始，分別的一一 考慮。
首先是臂部的回轉，因為臂部的回轉帶動的部件多、慣性大，所以轉速不能太高，考慮到用步進電機，要用減速機構，如選用齒輪傳動，體積較大，不適合教學的要求，綜合考慮采用蝸輪蝸桿傳動比較合理，首先能實現較大的傳動比；其次體積小，便于安裝，其也有傳動效率底的缺點，工作過程中有相當一部分的能量要轉化成熱，在工業(yè)生產中要裝有散熱的裝置，由于本系統(tǒng)是為教學演示的，不需要長時間的工作，所以溫升不大，不必安裝散熱裝置。
臂部伸縮采用步進電機驅動絲杠螺母傳動機構產生直線運動，由螺母帶動臂部和腕部機構伸縮是，采用普通絲杠傳動（主要考慮到價格）
腕部升降也采用絲杠傳動，用步進電機驅動。
腕部回轉要求重量輕、機構緊湊，故采用直流電機直接驅動，但要求轉速低，故采用長時間工作在堵轉狀態(tài)下的直流力矩伺服電機，位置檢測采用光電碼盤。手部回轉也采用同樣的電機驅動，其中各個部分實現連接簡單，方便拆卸。
2.2.4 外形尺寸和運動范圍的確定
考慮到本系統(tǒng)的小型化的要求，可將外形尺寸及各部分的運動范圍確定如下：
1、 外形尺寸：600×600×700范圍內
2、 臂部回轉：0～360°
3、 臂部伸縮：80mm
4、 腕部升降：70 mm
5、 腕部回轉：0～180°
6、 手爪回轉：90°
7、 手指開合：±5～10°
8、 抓重 0.5 Kg
運動速度、控制精度的確定
因為本系統(tǒng)是教學演示用的，為節(jié)約資金，對速度和精度要求較低。
2.2.5 控制系統(tǒng)的確定
本系統(tǒng)采用89C51單片機控制，臂部伸縮、回轉、腕部升降、手爪開合采用步進電機開環(huán)控制；腕部回轉和手爪回轉采用直流電機閉環(huán)控制，其中步進電機采用單電壓恒流源驅動，，由單片機直接發(fā)出控制脈沖信號。腕部的閉環(huán)控制采用直流力矩電機加裝光電碼盤實現，顯示部分采用LCD液晶顯示模塊。
第3章 結構設計及計算
本章將詳細設計機器人系統(tǒng)的具體零部件，完成裝配圖和全部零部件圖的設計工作，也將完成一些標準器件（如電機）的選型工作。我們將按結構分塊，分步進行設計，閱讀本章是請參考總裝圖及零部件。3.1 手部夾持器的結構設計
3.1 手部夾持器的結構設計
3.1.1 概述
機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)機器人的手部和類人機器人的手部。目前前者應用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。
工業(yè)機器人的手部夾持器（亦稱抓取機構）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，材料及表面狀態(tài)的不同，其手部結構也是多種多樣的，大部分的手部結構都是根據特定的工件要求而專門設計的，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，包括內撐式和外夾式，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
3.1.2 手部的結構和手指形狀的確定
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回轉手部。這種結構可通過各桿之間的角度或桿長，該變握力的大小及指間的開閉角。其優(yōu)點是結構簡單，動作靈活，夾持范圍大，這種手部的結構比較簡單，工作原理清晰易懂，也是機器人較常用的結構，這些都合乎教學演示的要求，缺點是工件直徑誤差會引起夾持后工件的中心發(fā)生移動。指端采用V塊型式，也是機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)的手部結構示意圖，具體結構和零部件尺寸見圖紙
圖 3 1手部結構簡圖
3.1.3 手部驅動力的計算和電機的選擇
我們先做手指工作時的簡圖，然后做力的分析
1.1.3.1握力計算
由初始設計可知，G=5N
則 N=×G
——方位系數，他與手指和工件的形狀，以及手指夾持攻擊的方位有關。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 ，由結構設計可知 tgθ=2.75故θ=70°
f—為其與工件的摩擦系數，取0.17
所以
N =K3×G=2.764×5=13.82(N)
圖 3 2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構及受力分析間圖。絲桿通過銷軸的向上的拉力（驅動力）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 。滑槽對銷軸的反作用力為P1和 P2。且其延長線交 A 、B 點，由于∠OB和 ∠OA為直角，故 ∠AOC =∠BOC = α。根據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
因為 = P1 ，h=
所以， P= 2b cosα×N×
式中， a ——手指的回轉支點到對稱中心距離
α——工件被夾持時，手指的滑槽方向與兩回轉支點線間的夾角，結構設計時取
a =25 mm ，b =35mm
α= arctg17/25 = 34.22°
所以，銷軸或螺母所受力（驅動力的反作用力）
P = 2b cosα×N×
=26.461（N）
考慮工件在加工過程中產生的慣性力、震動及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力為：
Ps ≥ P×
其中：
K1——安全系數，一般取1.2——1.6，
K2——工作情況系數，且K2=1+a/g
A:機構的加速度。
η ——機械效率
Ps≥ P×==42.2(N)
1.1.3.3扭距計算
我們先來計算一下螺旋升角。校核一下此絲桿，螺母機構是否滿足自鎖條件。
根據結構尺寸，絲桿的公稱直徑d=12mm
螺距 t=2mm
螺紋頭數 n=1
所以，絲桿中徑d2=d-0.5t=11mm
螺紋升角
λ= arctg=arctg=3.31°
螺紋的當量摩擦角
ρv= arctg = rctg=5.91°
其中：f,是摩擦副間的摩擦系數取0.1
是螺紋牙形半角取15°
λ<ρv
所以，此絲桿螺母機構可安全自鎖
下面來計算驅動力距
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 ,N
D2—螺旋副中徑 ， M
ρv ——當量摩擦角
λ——螺旋升角
T2(T3)是端面摩擦力矩，此處不計
故 Tq=T1= F×(d2/2)×tg(λ+ρv)
=42.2×(11/2) ×tg(3.31°+5.91°)
=0.04N
1.1.3.4電機的選擇
至此，根據上述計算，我們得出了絲桿上應具有的扭 距，
據此，根據步進電機產品樣本手冊，選用45BF003型電機可以滿足要求.
3.2 腕部結構設計
3.2.1 概述
腕部是臂部和手部的連接部件，其作用是在臂部運動的基礎上，進一步改變或調整手部在空間上的位置和方向，從而增強手部的靈活性，擴大手部的工作范圍。腕部應具有獨立的自由度，為使手臂能出于空間的任意方向，腕部應具有回轉，上下俯仰和左右擺動三個自由度，多數 情況下，工業(yè)機器人和機械手的腕部應具有一個或兩個自由度，即回轉或回轉上下俯仰（左右擺動）
3.2.2 腕部結構設計
本系統(tǒng)的腕部結構向其他機器人一樣，也是整個結構中最復雜的一部分，將臂部的升降改在腕部實現，是為了整體結構小型化，同時增加腕部的靈活性。具體結構參照總裝圖.
一、腕部設計計算
1、腕部轉動時所需的驅動力矩
手腕的回轉、上下和左右擺動，均是回轉運動。驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕啟動所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支撐處的摩擦力距，動件與缸壁、端蓋等處的摩擦阻力距，以及由于轉動件的重心與轉動軸線不重合時所產生的偏重力距。
而對于本系統(tǒng)來說，參與手腕轉動的零部件很多，如果每一件都去校核的話，即太煩瑣，也沒有必要。所以我們將整個回轉部件分為4個部分。
1）轉軸，包括與之相連的螺母、墊母、軸承內圈等。
2）手部電機，包括電機罩等。
3）手部換向變速箱，可將它視為65*65*70mm的一個重0.4mm的長方體。
4）手指工件，可將它看成是一個70*60*50的長方體，重0.8公斤，重心位置距回轉軸線為65毫米，由此，手腕回轉驅動力矩
Mq=Mg+Mm+Mf
其中：Mg ——慣性力矩。
Mp ——參與轉動的零部件的重量對轉軸產生的偏重力矩。
Mm ——手腕的轉動軸與支撐處的摩擦力矩。
Mf ——手腕密封裝置處的摩擦阻力矩。
下面我們分別計算上述四個力矩。
（1）手腕啟動時產生的慣性力矩， Mg
設 手腕轉動的角速度 ω= π/6/s
啟動過程時間為 △t =0.4s
則 J1=1/2×M1R2
電機罩及電機可看作一個半徑是50mm，重0.45公斤的圓柱體。
則 J2=1/2×M1R2=1/2×0.45×(0..5/2)2
變速箱的轉動慣量
J3=1/2M3(a2+b2)
=1/2×0.4×(0..652+0..652)
=1.69×10kgcm2
手部機構的轉動慣量
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 3 3
則根據力的平衡，
所以，N=20.4N
再考慮其他因素影響，附加一定系數，
可令，N1=N2=35（N）
又由軸承部位尺寸，
D1= 0.02m D2=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
根據結構設計知，其余部分重心在回轉軸線上，因此不產生偏重力矩，只有手爪部分產生偏重力矩，
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)是電機驅動，對密封沒有嚴格要求，這部分阻力距可以咯去不計。
綜上所述，考慮一定的安全系數。有
Mq=1.1×(Mg+Mm+Mp)
=1.1×(0.0113+0.0074+0.50)=0.570(Nm)
據此數據，可選用60LY003型直流力矩電機。
二、腕部升降的設計計算
首先，校核螺旋副的自鎖性。根據結構設計，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f=0.14
所以，當量摩擦角 ρv= arctg = arctg =8.2°
摩擦角λ= arctg = arctg =4.55°
λ〈ρv ，滿足自鎖條件。
下面來計算腕部升降所需的驅動力
圖 3 4腕部結構受力分析
上圖給出了整個腕部的受力情況。隨著腕部的移動,由腕部結構的重量Gw，手指和工件的重量Gs將在A 、B兩點形成壓力 N1、 N2，從而形成摩擦力F1和 F2,而電機提供的力矩應能克服 F1 F2腕部所有結構的重量Gqw 。
由力矩平衡得：
N1×30=Gw×44+Gs×(65+44)
估算 Gw=24.5N Gs=7.84N Gqw=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)
考慮啟動時的慣性力、震動和機構效率的影響，其實際的驅動力
PSJ≥P×
其中 K1——安全系數，取 K1=1.2 V～ 1.6
K2 ——工作情況系數，取K2=1+a/g a: 機構的加速度
η——機械效率 取η=0.85
所以驅動力矩為Tq= PSJ×(d/2)tg(λ+ρv)/1000
=75.97×8×tg(8.247+4.55)/1000
=0.138（Nm）
根據這一數據，查閱資料，選用55BF003型步進電機可滿足要求。
3.3 臂部及機身（底座）的設計計算
3.3.1 概述
機身表示直接連接支承，傳動手臂和行走機構的部件，一般情況下實現臂部的升降，回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動部件都安裝在機身上。臂都的運動越多，機身的結構和受力情況越復雜。機身既可以是固定式，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機構，可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,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),其基本參數如下:
傳動比:i=62
中心距;a=40mm 蝸桿頭數 Z2=1,蝸輪齒數Z2=Iz1=62
齒形角α=20° 模數m=1 蝸輪變位系數 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+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=1 ha*=1
頂隙c=c* ×m=0.2 c*=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=m Z2=2a1-d1-2 X2m=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
3.3.2 結構設計計算
1、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=0.005m/s,設0.1秒加速到正常運動速度則啟動加速度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)對密封并無嚴格要求,故忽略不計
所以 P驅=P慣+P摩+P密 =1+47.02=48.02
在根據結構設計,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 n=1
所以，當量摩擦角 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生的轉矩為
T1= (P慣+P摩) d2/2 ×tg(λ+ρv)/1000
=(1+47) ×12×tg10.12°/1000
=0.122(Nm)
現在考慮絲杠及其附帶零件所產生的慣性矩
現在考慮絲杠及其附帶零件可以看作是半徑24mm質量1.5千克的光軸,起轉動慣量 JS絲 = m絲×R2 =0.5×1.5×0.0122
=1.08×10-3 Kgcm3
絲杠角速度ω===25π( rad/s)
啟動時間為0.1秒則絲杠產生的驅動力矩
T2=J絲 ×ω/△t=1.08×10-4 ×25×3.14/0.1=0.085(Nm)
所以電機驅動最小力矩為T驅=T1+T2=0.122+0.085=0.207( Nm)
根據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.
2、臂部回轉運動的計算
臂部回轉運動的驅動力矩應根據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=1.3(M慣 +M摩 )/η
其中, η為蝸輪,蝸桿傳動效率 取0.85
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 取0.5秒
(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 3 5 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=0.5×1×(0.072+0.062)+1×0.242=0.064Kgm2
J2=J c2+M2ρ22=0.5×4×(0.072+0.12)+4×0.182=0.01545Kgm2
J3=J c3+M3ρ32=0.5×3×(0.072+0.132)+3×0.122=0.0759Kgm2
J4=J c4+M4ρ42=2+L2)+M4ρ42=2+0.222)+10×0.222
=0.061+0.484=0.545 Kgm2
J5=J c5+M5ρ52=2+L2)+M5ρ52=2+0.12)+2×0.252
=0.0057+0.125=0.1307 Kgm2
J5=M5ρ52=×1.5×0.0252=0.00047 Kgm2
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)計算摩擦力矩 M摩
圖 3 6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N1
N1===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)= (42×0.04+42×0.03)=0.02 Nm
所以驅動力矩M慣===1.58Nm
據此,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，根據機器人的機械結構制定適當的控制方案。
4.1 控制系統(tǒng)方案的確定
4.1.1 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。
控制電路簡單，易于實現造價底，符合本系統(tǒng)節(jié)省費用的原則。
4.1.2 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。而電機便于控制，能實現較復雜的運動，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，實現閉環(huán)控制、手部回轉采用直流電機。
4.1.3 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，但可以實現機器人基本運動的要求，能滿足為學生開設實驗的要求。
4.1.4 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。
4.1.5 直流電機控制方式的確定
直流電機的控制方式很多如：數字控制、，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，可以實現直接輸出數字脈沖信號，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。
4.1.6 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，控制機器人實現期望的功能，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。
4.2 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 4 1機器人控制框圖
其中各部分驅動電機的性能參數
1、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
（1） 相數：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：15Kg.cm
2、臂部伸縮:: 其結構采用絲杠（T26×4）螺母結構，選用電機75BFOO3其性能參數
（1）相數：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：10Kg.cm
3、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
（1）相數：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：7Kg.cm
4、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
（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：2kg.cm
（4）峰值電壓：45V
（5）峰值堵轉電流1.5安
（6）空載轉速：1200/min
5 、部回轉同上
6、手爪：傳動機構采用絲杠螺母結構，選用電機45BF003性能參數
（1）相數：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）最大靜轉距2Kg.cm
4.3 驅動電路的研制
4.3.1 恒流源型步進電機驅動電路的研制
4.3.1.1驅動電路的選擇
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1-5A，不聯系工作。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，增減串聯二極管個數，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 4 2恒流源型功率放大電路原理圖
4.3.1.2：電路元件和參數的確定
與續(xù)流二極管串聯的電阻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
I 設計的工作電流 0.7為二極管壓降
這里用的二極管為IN4007，根據電機所需的工作電流，可適當選取二極管個數N及限流電阻Re. 本電路選取 N=3，Re=0.4～1，這樣單向電壓可達3.5A，
4.3.1.3步進電機開環(huán)控制的研制
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 4 3步進電機開環(huán)控制框圖
4.3.2 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管參數相同，但為PNP型TIP32B，
圖 4 4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。
4.3.3 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：
1.3.3.2辨向電路的研制
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來夠成辨向電路如下圖：
圖 4 5辨向電路原理圖
單穩(wěn)態(tài)觸法器74LS221只有一個穩(wěn)定狀態(tài)。當沒有外加信號時，輸出Q為低電平；在出發(fā)脈沖的作用下，輸出Q為高電平，并停留一段時間自動返回低電平。此處“停留”時間在數十毫秒到數十秒范圍內變化。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
將第一路方波信號同時送入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，電容調節(jié)）e上 ，e下，將e上、e下分別與第二路方波信號Uf進行與非運算，輸出分別送入兩個計數器，進行計數，這樣當碼盤正向運動時，計數器1有脈沖，而計數器2沒有脈沖輸入；當反向運動時，計數器1無脈沖輸入而計數器2有脈沖輸入，由此達到辨向的目的。
4.3.4 直流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)的研制。
前面介紹了直流電機的驅動電路和辨向電路，這里加上控制核心單片機，就形成了直流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
在本系統(tǒng)中，直流電機用在機器人的腕部回轉和手爪回轉上。考慮到結構特點，減少手部、
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