爬桿作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)-攀爬-爬樹(shù)機(jī)器人

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In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of high-altitude operation. Key words：pole-climbing robot， variable-diameter pole sepal， pole-climbing 目錄 1緒論 1 1.1研究目的 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3研究?jī)?nèi)容 3 1.4設(shè)計(jì)要求 4 2爬桿作業(yè)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 5 2.1機(jī)械方案設(shè)計(jì) 5 2.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 2.3小結(jié) 8 3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3.1減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.3凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23 3.4機(jī)械手爪設(shè)計(jì) 24 3.5電動(dòng)機(jī)選擇 26 4電氣控制 28 4.1系統(tǒng)論述 28 4.2直流電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)與分析 29 4.3直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 36 5結(jié)論與展望 43 參考文獻(xiàn) 44 致謝 45 上海電機(jī)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 課 題 爬桿作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 學(xué) 院（系） 機(jī)械學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械電子工程 年 級(jí) BJ0807 學(xué) 號(hào) BJ080725 姓 名 周益 導(dǎo) 師 定稿日期： 2012 年 1 月 6 日 爬桿作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 1．選題背景及其意義 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，人民生活水平的提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無(wú)數(shù)電線(xiàn)桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索等高層建筑。這些高層建筑壁面多采用油漆、電鍍、玻璃銅結(jié)構(gòu)等，長(zhǎng)期以來(lái)會(huì)形成灰塵層，酸污染影響城市的美觀(guān)，同時(shí)空氣中混合的酸性物質(zhì)也會(huì)對(duì)這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞，加快它們的生銹，并縮短它們的使用壽命，需要定期進(jìn)行壁面維護(hù)工作。它們通常高5-30米，有的甚至高達(dá)百米，會(huì)給操作人員帶來(lái)不便和危險(xiǎn)。因此本課題擬設(shè)計(jì)一爬桿機(jī)器人，可以在沒(méi)有障礙的光桿上爬行，代替人工進(jìn)行這些高空危險(xiǎn)作業(yè)，從而把人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的勞動(dòng)環(huán)境中解脫出來(lái)。具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)） 機(jī)器人技術(shù)是近30年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合學(xué)科。它綜合了力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制、傳感技術(shù)、電液驅(qū)動(dòng)技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科的有關(guān)知識(shí)和最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就。尤其是進(jìn)入80年代以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者的普遍關(guān)注。許多發(fā)達(dá)國(guó)家均把機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分枝，其研究工作始于20世紀(jì)60年代。移動(dòng)機(jī)器人的最成功應(yīng)用是自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運(yùn)，用于完成機(jī)床之間、機(jī)床與自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)之間的工件工具傳送。移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性能，大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動(dòng)化程度?，F(xiàn)在，移動(dòng)式機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)除上述應(yīng)用外，還涉及許多其他應(yīng)用領(lǐng)。如在建筑領(lǐng)域完成混凝土的鋪平、壁面的裝修、檢查和清洗：采礦業(yè)中行隧道的掘進(jìn)和礦藏的開(kāi)采、農(nóng)林業(yè)中從事水果采摘、樹(shù)枝修剪、圓木搬運(yùn)；軍事上用于探測(cè)偵察、爆炸物處理。福利方面進(jìn)行盲人引導(dǎo)，病員護(hù)理等。 爬行機(jī)器人是機(jī)器人大家族中的一員，爬升機(jī)器人因?yàn)樾枰朔亓Φ淖饔枚煽康匾栏接谂郎砻嫔喜⒆灾饕苿?dòng)，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動(dòng)機(jī)器人，故爬升機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支，從運(yùn)動(dòng)方式上來(lái)表征的一種機(jī)器人，形式是多種多樣的。從動(dòng)力源進(jìn)行劃分，主要分為機(jī)械式和氣動(dòng)式兩大類(lèi)。從有無(wú)控制系統(tǒng)的層面進(jìn)行劃分，主要分為普通型和智能型兩大類(lèi)。普通型就是只有動(dòng)力源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，智能型相比普通型還有(反饋)控制機(jī)構(gòu)。 最早開(kāi)始研究且研究最多的是爬壁機(jī)器人，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面和大球形表面上的危險(xiǎn)作業(yè)。對(duì)于管道外壁表面，已有車(chē)輪移動(dòng)形、姿態(tài)可變形、尺蠖形和多關(guān)節(jié)形機(jī)器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線(xiàn)上的檢查和診斷，且牽引力較小。 爬行機(jī)器人并不少見(jiàn)，但是通常來(lái)說(shuō)，這類(lèi)規(guī)器人大多采用多足來(lái)進(jìn)行移動(dòng)或是使用腹部的摩擦表層來(lái)左右扭動(dòng)前進(jìn)。更主要的是，平常的機(jī)器人，因?yàn)轶w積或行動(dòng)方式的影響，不能到一些特殊的地方進(jìn)行工作，比如說(shuō)管道，壁面等等特種用途的領(lǐng)域。 國(guó)內(nèi)外很早就對(duì)爬行機(jī)器人進(jìn)行研究工作，獲得了豐碩的成果。目前，國(guó)內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器入、電動(dòng)液壓式爬稈機(jī)器入和氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人。電動(dòng)機(jī)械式爬行器是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪、帶輪、齒輪驅(qū)動(dòng)夾緊桿體的前后輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運(yùn)動(dòng)爬升機(jī)器人的爬行動(dòng)作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動(dòng)方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過(guò)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，該機(jī)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)上升和下降運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)械式爬桿機(jī)器人和螺旋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)爬桿機(jī)器人都是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運(yùn)作，且機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人用氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交替夾緊和移動(dòng)，其向上爬行時(shí)氣缸動(dòng)作一個(gè)周期的過(guò)程為下部汽缸夾緊，上部汽缸松開(kāi)，提升汽缸活塞桿伸出，上部上升；上部汽缸夾緊，下部汽缸松開(kāi)，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復(fù)，機(jī)器人就可以連續(xù)爬行。對(duì)于氣動(dòng)蠕行式爬桿機(jī)器人，其上升和下降運(yùn)動(dòng)由實(shí)現(xiàn)由氣壓控制，需要?dú)庠春蜌鈩?dòng)控鍘系統(tǒng)，因此其設(shè)備成本較高。日本是機(jī)器人制造王國(guó)，它擁有世界上最多的機(jī)器人。在2005年5月10日展出的日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu))機(jī)器人周(2005年6月9日～19日)期間，在長(zhǎng)久會(huì)場(chǎng)內(nèi)的Morizo kiccoro會(huì)展中心舉辦的“機(jī)器人樣機(jī)展”，其中實(shí)機(jī)演示的5種機(jī)器人中有三種是移動(dòng)機(jī)器人：分別是移動(dòng)跳躍機(jī)器人、腳輪式移動(dòng)機(jī)器人和水陸兩用蛇形機(jī)器人。 國(guó)內(nèi)有蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的曹建東等發(fā)明的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人（如圖1、2所示），其工作臺(tái)上分別設(shè)有左，右軌道固定支架，固定支架之間設(shè)有運(yùn)行軌道桿，其特點(diǎn)是：運(yùn)行軌道桿上穿設(shè)有左，右滑動(dòng)導(dǎo)向固定塊，兩滑動(dòng)導(dǎo)向固定塊上各安裝雙桿伸縮爬行氣缸，由此可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在軌道上自動(dòng)來(lái)回爬行運(yùn)動(dòng)。 圖1 氣動(dòng)爬桿機(jī)器人的構(gòu)造示意圖 圖2 氣動(dòng)爬桿機(jī)器人的俯視圖。 圖中標(biāo)記為：1左軌道固定支架；2緩沖塊；3左推緊氣缸；4壓緊塊；5左滑動(dòng)導(dǎo)向塊；6方形固定塊；7雙桿伸縮爬行氣缸；8右滑動(dòng)導(dǎo)向固定塊；9推緊缸固定塊；10方形運(yùn)行軌道桿；11固定三角件；12左限位固定塊；13滾輪式行程開(kāi)關(guān)；14導(dǎo)條；15傳感器固定塊；16定位傳感器；17右限位固定塊；18電磁閥組合；19 I/O信號(hào)接口；20工作臺(tái)；21導(dǎo)線(xiàn)傳輸鏈；22導(dǎo)條固定塊；23右推緊氣缸；24右軌道固定支架 此外還有山東建筑大學(xué)機(jī)電學(xué)院于復(fù)生的“一種氣動(dòng)爬桿機(jī)器人”（如圖3所示）。這種氣動(dòng)機(jī)器人，屬于機(jī)械制造領(lǐng)域。該爬桿機(jī)器人是由水平夾緊氣缸，匯流板和電磁閥組件，加強(qiáng)支架，連接塊，后頂桿，側(cè)桿，前頂桿，垂直氣缸，支架組成。水平夾緊氣缸其外筒的前端牢靠地安裝在支架上，其活塞的前端通過(guò)聯(lián)接塊與后頂桿相連，后頂桿的兩端有銷(xiāo)子插在側(cè)桿的中間，在水平夾緊氣缸的帶動(dòng)下，后頂桿可前后移動(dòng)。前頂桿通過(guò)螺釘和銷(xiāo)釘與側(cè)桿聯(lián)接，其一端可方便地拆卸，以把機(jī)器人要爬的桿件包攬入內(nèi)。加強(qiáng)支架通過(guò)螺釘與上下四根側(cè)桿。匯流板及電磁閥組件，支架緊固地聯(lián)接起來(lái)，構(gòu)成了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。這種氣動(dòng)爬桿機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可爬桿直徑適用范圍大，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 圖3 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 1-水平夾緊氣缸 2-匯流板及電磁閥組件 3-加強(qiáng)支架 4-聯(lián)接塊 5-后頂桿6-側(cè)桿 7-前頂桿 8-垂直氣缸 9-支架 3 研究?jī)?nèi)容 該課題主要針對(duì)直徑150mm左右的桿，且保證在全負(fù)載情況下應(yīng)該能夠保持 100mm/s 左右的運(yùn)行速度，除此之外總重應(yīng)該不得超過(guò)5kg，同時(shí)得以保證最大的靈活性和最底的能量消耗。而且機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該具有自鎖機(jī)構(gòu)以克服重力的影響。 該機(jī)器人包括夾持機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。夾持部分有上、下兩個(gè)機(jī)械手組成。通過(guò)上、下機(jī)械手的交替夾緊來(lái)實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的支點(diǎn)定位和蠕動(dòng)。移動(dòng)部分采用連桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)部分采用電氣驅(qū)動(dòng)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。 圖4 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 4．研究方案 4.1方案分析 欲使機(jī)器人在桿上自由移動(dòng)，必須具備兩種功能：貼附功能與移動(dòng)功能。貼附方式有吸附式和夾持式兩種，運(yùn)動(dòng)方式有輪式、履帶式、腿式及蠕動(dòng)式。這些不同的方式可以進(jìn)行多種組合，構(gòu)成多種風(fēng)格的機(jī)器人。 4.1.1吸附方案 吸附式是通過(guò)面接觸方式緊貼于壁面上，夾持式是靠點(diǎn)夾緊在桿上。吸附方式又有真空吸附和電磁吸附之分，其中真空吸附式用的比較多，因?yàn)樗鼘?duì)壁面的要求不十分嚴(yán)格；電磁吸附承載能力大，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，但其應(yīng)用范圍窄，需要桿件壁面含有電磁場(chǎng)可吸附的含鐵、鈷、鑲等材料。各種貼附方式的優(yōu)缺點(diǎn)和比較如表1所示。 表1 爬行機(jī)器人貼附方案的比較 貼附方式 概要 特點(diǎn) 夾持式 機(jī)械手 由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)械手夾緊在桿體上 能適應(yīng)任何壁面 吸 附 式 真 空 吸 附 真 空 泵 設(shè)置許多吸盤(pán)，由真空泵裝置產(chǎn)生吸附力，使機(jī)器人吸附在壁面上 可實(shí)現(xiàn)小型、輕量化，無(wú)需附加供氣裝置，但要求壁面有一定平滑度 噴 射 器 在本體上安裝噴嘴，由噴射器經(jīng)噴嘴將壓縮空氣噴出。其周?chē)纬烧婵眨皆诒诿嫔? 能效低、噪音大，且需要供氣裝置，但可以達(dá)到高真空度，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng) 電 磁 吸 附 永 磁 體 由永磁體產(chǎn)生吸附力，吸在壁面上 吸附時(shí)不需終部能量，但只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附 電 磁 體 電磁鐵通電將其吸附在壁面上 吸附時(shí)需要電能，也只適用于導(dǎo)磁性壁面的吸附 4.1.2移動(dòng)方案 在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)椴煌挠猛?，移?dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機(jī)器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、可控性、復(fù)雜性、外型尺寸及制作費(fèi)用等。作為桿件爬行機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方案，有很多種移動(dòng)方式可供選擇。各種移動(dòng)方案的比較如表2所示。 表2 爬行機(jī)器人移動(dòng)方案比較 移動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 輪 式 移動(dòng)速度快，控制方便，轉(zhuǎn)彎容易 接觸面積小，越障能力差，易打滑。 履 帶 式 接觸面積大，承載能力大，移動(dòng)速度快，適應(yīng)能力強(qiáng)。 履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性差。 腿 式 越障能力強(qiáng)，承載能力大，機(jī)動(dòng)性好，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間歇移動(dòng)，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。 蠕 動(dòng) 式 承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，適應(yīng)能力比較強(qiáng)。 運(yùn)動(dòng)速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 4.1.3動(dòng)力系統(tǒng)比較 目前對(duì)于機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)可以采用電氣驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等不同的方式。不同的動(dòng)力系統(tǒng)其有不同的特點(diǎn)，根據(jù)不同的工作環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合，按照具體的要求來(lái)選擇最適合的動(dòng)力系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。 氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便；缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比較小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器入在任意定位時(shí)，位姿精度不高。氣壓驅(qū)動(dòng)不可避免的存在漏氣的問(wèn)題和氣壓裝置體積較大，這一點(diǎn)不符合本爬行機(jī)器人的工作空間的要求，不適合在本系統(tǒng)中使用 電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于電氣驅(qū)動(dòng)具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，反應(yīng)快，使用方便，信號(hào)監(jiān)測(cè)、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)己經(jīng)成為最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動(dòng)的方案。 4.2 方案選擇 綜合上述幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。本課題擬設(shè)計(jì)一種爬桿機(jī)器人，它的工作對(duì)象為城市桿狀建筑，要求承載能力大、接觸面積小、速度適中，適應(yīng)能力強(qiáng)，能越障礙物。通過(guò)比較各種方案，本設(shè)計(jì)采用仿生尺蠖式蠕動(dòng)爬行結(jié)構(gòu)形式，這是一種新穎的變直徑桿仿生爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該方案能基本滿(mǎn)足我們?cè)O(shè)定的工作狀況。尺蠖蠕動(dòng)式爬行具有很多優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向上任意長(zhǎng)的距離提升重物，能獲得更大的鎖緊力，從而可傳送較重的物體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 4.2.1機(jī)器人爬行原理分析 既然是仿生尺蠖式蠕動(dòng)，那么在本機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，將以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軀干的伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)幼鳛槟繕?biāo)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有很多種，常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)有：不完全齒輪齒條雙側(cè)停歇機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、圓柱齒輪齒條機(jī)構(gòu)、螺旋絲桿機(jī)構(gòu)等。這幾種機(jī)構(gòu)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以很好地協(xié)調(diào)好機(jī)器人的整體工作。從圖5、6中可以看出，機(jī)器人的爬行動(dòng)作原理可分為以下5步： 1) 在初始狀態(tài)1時(shí)，下機(jī)械手夾緊、上機(jī)械手松開(kāi)； 2) 電機(jī)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤(pán)形凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并推動(dòng)下機(jī)械臂擺動(dòng)，當(dāng)下并聯(lián)盤(pán)形凸輪轉(zhuǎn)過(guò)升程角時(shí)，下機(jī)械手松開(kāi)；與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向下移動(dòng)過(guò)空行程，上機(jī)械手抓緊，及狀態(tài)2.； 3) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時(shí)上機(jī)械手夾緊，下機(jī)械手松開(kāi)，機(jī)器人下部被提升到極限位置，即狀態(tài)3.； 4) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤(pán)形凸輪轉(zhuǎn)過(guò)回程角時(shí)，下機(jī)械手夾緊；與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向上滑過(guò)空行程，上機(jī)械手松開(kāi)，即狀態(tài)4.； 5) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因?yàn)橄聶C(jī)械手夾緊，上機(jī)械手松開(kāi)，所以機(jī)器人上部在電機(jī)的提升推力下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線(xiàn)時(shí)，機(jī)器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)5； 從圖5中可以看出，減速電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，機(jī)器人整體向上爬行一次。 圖5 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖 圖 6 機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理圖 4.2.2電氣設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可以劃分為幾個(gè)基本模塊，如下圖所示。對(duì)各模塊的實(shí)現(xiàn)，分別有以下一些不同的設(shè)計(jì)方案 4.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊 驅(qū)動(dòng)電路采用H型橋式PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)形式，如圖所示。電路主要由大功率三極管B772、D882、三極管8050和光電耦合器等元件組成。該驅(qū)動(dòng)電路可控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止 5進(jìn)度計(jì)劃 2011年12月---- 2012年1月：收集資料，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻(xiàn)，書(shū)寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。 2012年 1月---- 2012年 2月：開(kāi)始總體設(shè)計(jì)，完成機(jī)械部分，傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)。完成總裝配圖，A0圖紙1張，完成部分零件圖A1圖紙3張等。 2012年 2月---- 2012年3月：完成電氣控制部分設(shè)計(jì)，完成電氣控制系統(tǒng)圖，A1圖紙1張，撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。 2012 年 3 月---- 2012年4月：中期答辯 2012 年 4 月---- 2012年5月：編寫(xiě)畢業(yè)論文。 2012 年 5 月---- 2012年6月：畢業(yè)答辯準(zhǔn)備和答辯。 6．參考文獻(xiàn) [1]張海洪，談士力，龔振邦，等．壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人清洗工藝分析[J]．機(jī)電一體化，2001．(1)：1-3 [2]王園宇，武利生，李元宗．壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)淺析[J]．引進(jìn)與咨詢(xún)，2002．(4)：3-4 [3]蔣新松．機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]．遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994：12．18 [4]郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社.2005:1-4 [5]濮良貴. 機(jī)械設(shè)計(jì)[J].高等教育出版社,2006. 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[16] 龔振邦等編著.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì) [M].北京：電子工業(yè)出版社,1995. 指導(dǎo)教師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 開(kāi)題答辯小組意見(jiàn) 1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實(shí)用價(jià)值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。 4、設(shè)計(jì)或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。 5、學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。 6、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對(duì)論文選題報(bào)告的總體評(píng)價(jià)：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號(hào)“√”） 建議結(jié)論 評(píng)議小組組長(zhǎng)簽名： 評(píng)議小組組員簽名： 年 月 日 12 爬桿作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì) 42 摘要 在市政工程中，有大量的安裝及維修等工作需要爬桿作業(yè)。對(duì)于較粗的桿件，人工攀爬和工程車(chē)作業(yè)都比較方便，但是對(duì)于一些直徑較細(xì)，強(qiáng)度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。因此本文設(shè)計(jì)了一爬桿機(jī)器人，可以在沒(méi)有障礙的光桿上爬行，對(duì)人工攀爬較難的作業(yè)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。? 本文設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、并聯(lián)盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)、移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)以及上下機(jī)械手爪等組成，通過(guò)彈簧的預(yù)緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手爪對(duì)桿的抱緊，通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作，同時(shí)機(jī)器人只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)源就能帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，能攀爬變直徑的桿，工作簡(jiǎn)單可靠，運(yùn)動(dòng)靈活，可以廣泛應(yīng)用于各種高空作業(yè)。 關(guān)鍵字：爬桿機(jī)器人，變直徑桿，夾緊，攀爬 ABSTRACT In the municipal engineering, there are a large number of installation and repair work needed to climb rod operation, For the coarse bar, artificial climbing and vehicle operation is convenient, artificial climbing is difficultfor for some small diameter low strength member such as a road lamp pole,so this paper designs a pole climbing robot,which can crawl on no obstacle bar,it has great practical significance for artificial climbing The pole climbing robot consist of songCrank slider mechanism, parallel plate cam mechanism.moving cam mechanism, the robot tight the wallHold by the spring pretightening force.so as to realize Climbing action. at the same time the robot can drive by a robot motion and at the same time all devices were designed perfectl. In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of high-altitude operation. Key words：pole-climbing robot， variable-diameter pole sepal， pole-climbing 目錄 1緒論 1 1.1研究目的 1 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3研究?jī)?nèi)容 3 1.4設(shè)計(jì)要求 4 2爬桿作業(yè)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 5 2.1機(jī)械方案設(shè)計(jì) 5 2.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 2.3小結(jié) 8 3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3.1減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 3.3凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23 3.4機(jī)械手爪設(shè)計(jì) 24 3.5電動(dòng)機(jī)選擇 26 4電氣控制 28 4.1系統(tǒng)論述 28 4.2直流電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)與分析 29 4.3直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 36 5結(jié)論與展望 43 參考文獻(xiàn) 44 致謝 45 1緒論 1.1研究目的 目前全國(guó)日益加快的現(xiàn)代化建設(shè)步伐隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、人民生活水平日益不斷提高，城鎮(zhèn)中隨之矗立起無(wú)數(shù)的高層建筑，各類(lèi)集實(shí)用性 與美觀(guān)性一體的市政、商業(yè)工程諸如電燈桿、路燈桿、大橋斜拉鋼索、廣告牌立柱等，它們的直徑通常在5—30米，有的甚至高達(dá)百米，壁面多采用油漆、電鍍、玻璃銅結(jié)構(gòu)等，由于常年裸露在大氣之中，風(fēng)沙長(zhǎng)年累月的積累會(huì)因此而形成灰塵層，酸類(lèi)物質(zhì)污染從而影響城市的美觀(guān)，同時(shí)空氣中混合的酸性物質(zhì)也會(huì)對(duì)這些城市建筑特別是金屬桿件造成損壞，加快它們的生銹過(guò)程，并縮短它們的使用壽命，因此需要定期進(jìn)行壁面維護(hù)工作 。 在市政工作中，主要是通過(guò)人工工作的因此，存在著很多問(wèn)題，特別市政工作中的清洗工作許多都要人工清洗，在一些高空建筑上的清洗如果人工清洗就會(huì)造成很大的危險(xiǎn)性，而在一些具有化學(xué)試劑或者有毒物質(zhì)的工作環(huán)境中，就會(huì)對(duì)人產(chǎn)生很大的危險(xiǎn)性，這無(wú)形中增大了市政工作的成本，而且有可能對(duì)壞境造成二次污染，對(duì)周邊環(huán)境造成影響，而如果使用高壓水槍?zhuān)涑杀靖痈?，而其使用范圍也不寬，只局限于一些高空無(wú)遮擋的物體，同時(shí)水槍必須安置在空曠的位置否則會(huì)影響周邊的日常生活。 另外，對(duì)于較粗的桿件，人工攀爬和工程車(chē)作業(yè)都比較方便，但是對(duì)于一些直徑較細(xì)，強(qiáng)度較小的桿件比如路燈桿等，人工攀爬較為困難。應(yīng)用帶升降機(jī)的工程車(chē)進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)成本較高，而且對(duì)于狹窄的胡同，工程車(chē)難以進(jìn)入，造成作業(yè)困難，因此本課題擬設(shè)計(jì)一爬桿機(jī)器人，可以在沒(méi)有障礙的光桿上爬行。對(duì)人工攀爬較難的作業(yè)具有較大的實(shí)際意義。? 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從功能上講，爬桿機(jī)器人無(wú)非包含基本的行走功能和輔助的作業(yè)功能 (例：噴涂、檢測(cè)、纏繞和修復(fù)等)，縱觀(guān)這些國(guó)內(nèi)外管道外機(jī)器人的行走工作原理，不外乎以下幾種：基于自鎖或靜摩擦原理的氣動(dòng)蠕動(dòng)式機(jī)構(gòu)；基于滾動(dòng)摩擦原理的螺旋爬升機(jī)構(gòu)；基于克服動(dòng)摩擦直線(xiàn)行走的機(jī)構(gòu)；基于移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副的關(guān)節(jié)式爬行機(jī)構(gòu)；基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)式爬行機(jī)構(gòu)。下面將介紹幾種典型的爬桿機(jī)器人 。 圖1-1螺旋式爬桿機(jī)器人 圖1-2自動(dòng)噴涂爬桿機(jī)器人 (1)螺旋式爬桿機(jī)器人如圖1-1所示 機(jī)器人抱緊在管壁上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)輪實(shí)現(xiàn)在管壁上的運(yùn)動(dòng)，其抱緊力即預(yù)緊力是通過(guò)用專(zhuān)用螺母扳手調(diào)節(jié)螺母，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)抱緊彈簧的壓力，使機(jī)器人獲得足夠的抱緊力，如果機(jī)器人的工作壞境發(fā)生了變化，可以根據(jù)不同的管徑，選擇支撐架上不同的連接孔，從而可以得到要求的抱緊力 。 該機(jī)器人的載荷量比較大，運(yùn)行也較為平穩(wěn)，同時(shí)可以適合不同的管徑，但他的不足之處就在于，只能夠運(yùn)行在連續(xù)性的管道上，而對(duì)于非連續(xù)性的管道，該機(jī)器人就無(wú)法工作。 (2)自動(dòng)噴涂爬桿機(jī)器人 工作時(shí)，先必須調(diào)節(jié)機(jī)器人的下體位置，把機(jī)器人全部放在要進(jìn)行工作的管道上，當(dāng)完成了機(jī)器人的連接固定后啟動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，機(jī)器人在管道上開(kāi)始行走，同時(shí)配合噴槍的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的自動(dòng)化噴涂 。 該機(jī)器人的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，而且可靠性較高，能夠代替人工操作，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的自動(dòng)化噴涂，但由于其結(jié)構(gòu)的局限性，并適合變直徑的管道。 1.3研究?jī)?nèi)容 經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究分析后認(rèn)為，人在爬桿或爬樹(shù)的過(guò)程中，人的運(yùn)動(dòng)具有很好的參考價(jià)值，如圖1-3所示，人在爬升的過(guò)程中，一般是先兩腳夾緊，然后身體上移，再收腿，整體上移，往復(fù)動(dòng)作，從而爬升的過(guò)程 。 圖1-3人爬樹(shù)的姿勢(shì) 本文設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人就是仿照人爬樹(shù)的原理，其結(jié)構(gòu)組成包括夾持機(jī)構(gòu)，由上下機(jī)械手爪組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)桿的抱緊，通過(guò)上、下機(jī)械手爪的交替夾緊來(lái)實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的支點(diǎn)定位和蠕動(dòng)；移動(dòng)機(jī)構(gòu)，由連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)器人采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既減輕了重量，又滿(mǎn)足了運(yùn)動(dòng)要求。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-4所示。 圖1-4 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 1.4設(shè)計(jì)要求 該機(jī)器人攀爬直徑為100~140mm變直徑桿，載重5kg，機(jī)器人在全負(fù)載情況下應(yīng)該能夠保持 100mm/s 的運(yùn)行速度，且直立爬行機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該具有自鎖機(jī)構(gòu)以克服重力的影響。 2爬桿作業(yè)機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 2.1機(jī)械方案設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人攀爬的是100~140mm的變直徑桿，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人仿照人爬樹(shù)的原理，其結(jié)構(gòu)組成包括夾持機(jī)構(gòu)，由上下機(jī)械手爪組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)桿的抱緊，通過(guò)上、下機(jī)械手爪的交替夾緊來(lái)實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的支點(diǎn)定位和蠕動(dòng)；移動(dòng)機(jī)構(gòu)，由連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)器人采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既減輕了重量，又滿(mǎn)足了運(yùn)動(dòng)要求。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。整個(gè)機(jī)體長(zhǎng)約250mm，寬約150mm，高約400mm，總重不超過(guò)5kg（包括電機(jī)重3kg），爬行部分主體結(jié)構(gòu)為2根長(zhǎng)為400mm的鋁合金鋼管（可以用硬塑料管或者其他輕型材料代替），作為機(jī)架和機(jī)器人上部滑動(dòng)的導(dǎo)軌，同時(shí)作為旋轉(zhuǎn)部分的軸，結(jié)構(gòu)緊湊、零件的功能得到了擴(kuò)展。在導(dǎo)軌和固定支架，分別設(shè)置有上、下機(jī)械手連接臂，兩對(duì)機(jī)械臂以導(dǎo)軌為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，其上裝有上、下機(jī)械手爪。在上、下機(jī)械臂的另一端分別設(shè)置有彈簧，彈簧的作用是使機(jī)械手產(chǎn)生足夠的摩擦力抱緊立柱。 在導(dǎo)軌的下部安裝電動(dòng)機(jī)，在減速機(jī)構(gòu)的輸出軸上安裝有并聯(lián)盤(pán)形凸輪和曲柄，曲柄通過(guò)連桿與移動(dòng)凸輪相連，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人上部和移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的上升和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩套凸輪擺桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其中一套由上機(jī)械臂和移動(dòng)凸輪構(gòu)成另一套由下機(jī)械臂和并聯(lián)盤(pán)形凸輪構(gòu)成，它們分別裝在導(dǎo)軌的上、下部。通過(guò)曲柄、連桿將并聯(lián)盤(pán)形凸輪、移動(dòng)凸輪連接起來(lái)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)形成一個(gè)整體，上部的擺桿機(jī)構(gòu)在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用下可以沿導(dǎo)桿上下移動(dòng)。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，上、下部機(jī)械臂擺動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)械手依次實(shí)現(xiàn)夾緊和放松的聯(lián)動(dòng)。 圖2-1機(jī)構(gòu)圖以及機(jī)器人簡(jiǎn)圖 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理可分為以下幾個(gè)部分： 1) 在初始狀態(tài)1時(shí)，機(jī)器人下機(jī)械手夾緊，同時(shí)上機(jī)械手松開(kāi)； 2) 電機(jī)回轉(zhuǎn)，驅(qū)帶動(dòng)曲柄及和曲柄固接在一起的下并聯(lián)盤(pán)形凸輪順時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)，并推動(dòng)下機(jī)械臂擺動(dòng)，當(dāng)下并聯(lián)盤(pán)形凸輪轉(zhuǎn)過(guò)升程角時(shí)，下機(jī)械手松開(kāi)；與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向下走過(guò)空行程，在此過(guò)程上機(jī)械手抓緊，即狀態(tài)2.； 3) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，此時(shí)機(jī)器人上機(jī)械手夾緊，下機(jī)械手開(kāi)始松開(kāi)，機(jī)器人下部被運(yùn)動(dòng)到極限位置，即狀態(tài)3.； 4) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)下并聯(lián)盤(pán)形凸輪轉(zhuǎn)過(guò)回程角時(shí)，下機(jī)械手夾緊；與此同時(shí)上移動(dòng)凸輪向上走過(guò)空行程，在此過(guò)程上機(jī)械手開(kāi)始松開(kāi)，即狀態(tài)4.； 5) 電機(jī)繼續(xù)回轉(zhuǎn)，因?yàn)橄聶C(jī)械手夾緊，上機(jī)械手松開(kāi)，所以機(jī)器人上部在電機(jī)的提升推力下向上移動(dòng)，當(dāng)曲柄和連桿拉直共線(xiàn)時(shí)，機(jī)器人上部提升到極限位置，即狀態(tài)5； 從圖中可以看出機(jī)器人每運(yùn)行一周上升一次。 圖2-2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)周期圖 2.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分只有一個(gè)電機(jī)，而機(jī)器人的在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只有加速，減速，停止，啟動(dòng)幾個(gè)狀態(tài)，因此只需對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制即可。 控制部分?jǐn)M采用直流電機(jī)PWM控制方案，在設(shè)計(jì)中采用AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)在程序控制下不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形在設(shè)計(jì)中，采用PWM調(diào)速方式，通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 。 直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機(jī)的加速、減速和電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且同時(shí)可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。同時(shí)，還包括直流電機(jī)的直接清零、啟動(dòng)（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。該直流電機(jī)系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時(shí)鐘電路：這部分電路主要由80C51單片機(jī)和一些電容、晶振組成。設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制部分：主要由80C51單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。設(shè)計(jì)顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成; LED數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。 圖2-3機(jī)器人電氣控制圖 2.3小結(jié) 該機(jī)器人在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下能夠?qū)崿F(xiàn)上升和下降以及停止，同時(shí)也能夠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的加速和減速的控制，機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)主要通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，上下機(jī)械手通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)來(lái)控制上下機(jī)械手的加緊和松開(kāi)，同時(shí)直流電機(jī)通過(guò)單片機(jī)的控制轉(zhuǎn)速，單片機(jī)與電機(jī)通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片連接，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片輸出的電樞電壓來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)已有條件確定傳動(dòng)方案為圓錐—圓柱齒輪減速，原有條件為為保證機(jī)器人的移動(dòng)速度100mm/s，減速箱輸出轉(zhuǎn)速為50r/min，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為710r/min，因此減速箱的總傳動(dòng)比為15，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下圖所示： 圖3-1運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 由圖可知，原動(dòng)件為電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)裝置為減速器，減速器為展開(kāi)式圓錐——圓柱齒輪的二級(jí)傳動(dòng) 3.1.1傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 (1)電機(jī)的類(lèi)型和結(jié)構(gòu) 根據(jù)選好的電動(dòng)機(jī)可知：該電機(jī)使用電壓為12v直流電，其具體尺寸如第一部分所 示 (2)確定傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配傳動(dòng)比 總傳動(dòng)比為15，按直齒輪圓柱齒輪傳動(dòng)比=0.25=3， 則==5 (3)計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) a各根軸的轉(zhuǎn)速 =710r/min； ==236.7r/min； ==47.3r/min； b各軸的輸入輸出轉(zhuǎn)矩： ==0.336N.m——傳動(dòng)效率為1 ==0.331N.m——傳動(dòng)效率為0.985 ==0.954N.m——傳動(dòng)效率為0.96 ==0.94N.m——傳動(dòng)效率為0.985 ==4.56N.m——傳動(dòng)效率為0.97 ==4.492N.m——傳動(dòng)效率為0.985 3.1.2傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 <1>．圓錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 A由已知可知小齒輪的轉(zhuǎn)速為710r/min，大齒輪的的轉(zhuǎn)速為236.67r/min，傳動(dòng)比為3，選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù) (1)按傳動(dòng)方案，選用直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，齒形角 ，齒頂高系數(shù) =1，頂隙系數(shù) =0.2，螺旋角 =0，不變位。 (2)本機(jī)器人為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用8級(jí)精度。 (3)材料選擇，考慮到齒輪的重量齒輪輪芯材料選用聚苯醚（又稱(chēng)PPO），該材料具有較高機(jī)械性能，尺寸穩(wěn)定性好，高溫下耐蠕變性是所有工程材料中最優(yōu)異的，此外，聚苯醚還具有耐磨，無(wú)毒，耐污染等優(yōu)點(diǎn)。輪緣采用45鋼，小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，二者材料硬度差為40HBS (4)選小齒輪齒數(shù) =17，大錐齒輪齒數(shù) =51 B按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)： 公式： （3-1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 (1)試選載荷系數(shù) =1.3。 (2)計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 =336N.mm (3)由表10-7選取齒寬系數(shù) =1。 (4)由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù) =189.8 。 (5)由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 =600MPa；大齒輪 的接觸疲勞強(qiáng)度極限 =550MPa。 (6)由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 =60==4.147 (7)由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) =0.91； 0.95。 (8)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S＝1，由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)（10-12）得： （3-2） （3-3） (9)試選 ＝1.2，查得 ＝1.0， ＝1， ＝1.5*1.25＝1.875 所以， =2.25 (10) (11)計(jì)算小齒輪的分度圓，代入 中的較小值得： mm (12)計(jì)算圓周速度V 0.567m/s （3-4） (13)計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù) =0.567m/s，8級(jí)精度，可查得動(dòng)載荷系數(shù) =1.01， 所以 =1.894 (14)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑： 14.4mm （3-5） (15)模數(shù) （3-6） C.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)： 公式： （3-7） (1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 =500MPa，大齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度 =380MPa。 (2)查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ， (3)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則， （3-8） （3-9） (4)載荷系數(shù)K=2.31 (5)節(jié)圓錐角 （3-10） (6)當(dāng)量齒數(shù) （3-11） 161.28 （3-12） (7)查取齒形系數(shù)： ， ； (8)查取應(yīng)力校正系數(shù) ， (9)計(jì)算大小齒輪的，并加以比較。 ==0.0145 （3-13） ==0.016 （3-14） 大齒輪的數(shù)值大。 (10)設(shè)計(jì)計(jì)算 1.50 綜合分析考慮，取m=1.5mm, =25.5mm, (11)幾何尺寸計(jì)算 計(jì)算大端分度圓直徑 =25.5mm, 計(jì)算節(jié)錐頂距 R==40.3mm （3-15） 大端齒頂圓直徑 28.35mm （3-16） 77.45mm （3-17） 齒寬： b= 13.4mm 取 <2>.圓柱齒輪傳動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 已知小齒輪的轉(zhuǎn)速為236.7r/min，大齒輪的轉(zhuǎn)速47.3r/min,傳動(dòng)比i=5, A.選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù) (1).材料選擇，小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪輪緣材料為 45鋼（調(diào)質(zhì)），輪芯材料選用聚苯醚，輪緣硬度為240HBS，二者材料硬度相差 40HBS。 (2).選擇小齒輪齒數(shù) =17，則 =5*17=85 B.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 公式： (3-18) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值： (1)試選載荷系數(shù) (2)計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 (3)選取齒寬系數(shù) (4)查得材料彈性影響系數(shù) 。 (5)按齒面的硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的接觸 疲勞極限 。 (6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 小齒輪： (3-19) 大齒輪： (3-20) (7)查得接觸批量壽命系數(shù) (8)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 (3-21) (3-22) C．計(jì)算 (1)試算小齒輪的分度圓直徑，代入中的較小值得 =mm =13.9mm (2)計(jì)算圓周速度v =0.17m/s (3-23) (3)計(jì)算齒寬 b=13.9mm (4)計(jì)算齒寬與齒高比b/h 模數(shù)： (3-24) 齒高： =1.8mm 7.72 (3-25) (5)計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)v=0.17m/s，8級(jí)精度，可查得動(dòng)載荷系數(shù)， =1.01, 查得 查得使用系數(shù) =1.442 由 b/h=7.72, 查得 所以。 =1.8648 (6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑： =14.95mm (3-26) (7) 計(jì)算模數(shù) =0.8 D．按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 公式： m≥ (3-27) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 (1)查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度： (2)查得彎曲疲勞壽命系數(shù) (3)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則， (3-28) (3-29) (4)計(jì)算載荷系數(shù) K =1.865 (5)查取齒形系數(shù) (6)查取應(yīng)力校正系數(shù) (7)計(jì)算大、小齒輪的,并加以比較。 ， 大齒輪的數(shù)值大。 (8)設(shè)計(jì)計(jì)算 =1.48 綜合分析考慮，取m=0.8mm, =19，得 =15.2mm, =95 E．幾何尺寸計(jì)算 (1)分度圓直徑 =15.2mm =76mm (2)中心距 a=45.6mm (3)齒寬 =15.2mm，取 =16mm， =20mm F．驗(yàn)算 =125.5N =8.4N/s<100N/s (3-30) 假設(shè)成立，計(jì)算有效。 3.1.3數(shù)據(jù)整理 <1>.圓錐齒輪 齒輪類(lèi)型：直齒圓錐齒輪（ ,齒形角 ，頂高系數(shù)，頂隙系數(shù) ，螺旋角 ，不變位 ）。 精度8級(jí)，小齒輪材40Cr（調(diào)質(zhì)），大齒輪輪緣材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度分別為280HBS和240HBS。 大端分度圓直徑：小齒輪 ，大齒輪 節(jié)圓錐頂距：R=40.3mm 節(jié)圓錐角： ， 大端齒頂圓直徑： ， 齒寬： 14mm 齒數(shù)： ， 51 模數(shù)m=1.5mm <2>.圓柱齒輪 齒輪類(lèi)型：直齒圓柱齒輪 精度8級(jí)，小齒輪材40Cr（調(diào)質(zhì)），大齒輪輪緣材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度分別為280HBS和240HBS。 分度圓直徑： 15.2mm， =76mm 中心距：a=45.6mm 齒寬： 20mm， 16mm 齒數(shù)： 19， 95 模數(shù)：m=0.8mm 3.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 電機(jī)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)又把運(yùn)動(dòng)傳遞到上機(jī)械臂，同時(shí)下機(jī)械臂也要做相應(yīng)的動(dòng)作來(lái)配合上機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。因此曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為連接機(jī)器人上下機(jī)械臂的關(guān)鍵，它所做的運(yùn)動(dòng)僅僅是只是曲柄回轉(zhuǎn)、連桿的擺動(dòng)， 在傳統(tǒng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般取r+e>0.75 ，r+e> 時(shí)為搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。當(dāng)r小大的機(jī)構(gòu)傳力特性比較好。 其中 ——曲柄長(zhǎng)度 ——連桿長(zhǎng)度 ——偏心距 本例中無(wú)偏心距， =0.，又機(jī)器人的機(jī)構(gòu)之間不能有干涉作用，滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能觸及電動(dòng)機(jī)的頂端，由電機(jī)的尺寸圖可知，它的前提是： 75+85=160mm （3-31） 在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的一個(gè)重要因素就是結(jié)構(gòu)的緊湊性。在這里預(yù)選曲柄長(zhǎng)為 =60mm、連桿長(zhǎng) =220mm，加上滑塊的尺寸補(bǔ)償，這樣可以，滿(mǎn)足上式的要求 圖3-2機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)周期圖 假設(shè)曲柄的轉(zhuǎn)速為r/min則轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間為： （3-32） 當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)一圈時(shí)機(jī)器人上升2r即為120mm。 則機(jī)器人的移動(dòng)速度： v=2 mm/s 又由要求可知機(jī)器人在全負(fù)載情況下能夠保持100mm/s的運(yùn)行速度所以 應(yīng)該保持在50r/min左右。 3.2.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析 (1).為滿(mǎn)足機(jī)械在高速度，高能量和高應(yīng)力狀態(tài)下工作要求，因此需求結(jié)構(gòu)的速度，以及力學(xué)性能分析，而曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的主要受往復(fù)機(jī)械慣性力影響，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的慣性力包括三部分：曲柄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心慣性力；滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力以及連桿平面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力。因此本設(shè)計(jì)中采用雙導(dǎo)桿結(jié)構(gòu) (2).對(duì)機(jī)構(gòu)模型運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)和平穩(wěn)進(jìn)行評(píng)估（機(jī)構(gòu)各部分的速度分析） 圖3-3機(jī)構(gòu)模型圖 如上圖所示，取O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，P在X軸上的坐標(biāo)為x，用x表示滑塊的位移，利用三角關(guān)系有一下式子： （3-33） 從而有以下式子： （3-34） 代入數(shù)據(jù)： （3-35） 圖3-4位移與轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖 使用matlab軟件可得到該函數(shù)的模擬圖象 又： ， 故滑塊的速度為 （3-36） 進(jìn)而可以得到滑塊的加速度： （3-37） 同時(shí)又由正玄定理： ； （3-38） 又?jǐn)[角的表達(dá)式可表示為： （3-39） 對(duì)式6兩次求導(dǎo)： （3-40） （3-41） （3-42） 利用已知可以得出關(guān)于的關(guān)系式： （3-43） （3-44） 圖3-5位移與擺角的關(guān)系圖 至此，我們得到了滑塊位移x有關(guān) 的表達(dá)式和連桿擺角 運(yùn)動(dòng)規(guī)律中有關(guān)變量的表達(dá)式。 雖然我們得到了有關(guān)變量的解析式，但對(duì)于問(wèn)題的解并沒(méi)有達(dá)到要求，因3-43和3-45比較復(fù)雜，不易求解，于是可使用近似方法求解。 將位移的表達(dá)式4-3改寫(xiě)為： （3-45） 一般而言， ，于是利用麥克勞林公式： -1<<1 （3-46） 可將滑塊位移的模型3-33近似為： （3-47） 從而滑塊的速度和加速度可近似為如下： （3-48） （3-49） 擺角可以利用麥克勞林公式： ，-1< <1 （3-50） 得到擺角的近似模型： （3-51） 得到近似角速度： （3-52） 近似角加速度： （3-53） 圖3-6滑塊速度與搖桿的角加速度關(guān)系圖 從圖中可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，滑塊的移動(dòng)速度和連桿擺角的角速度曲線(xiàn)和加速度曲線(xiàn)都比較平滑、無(wú)拐點(diǎn)，沒(méi)有出現(xiàn)不連續(xù)的點(diǎn)，整個(gè)機(jī)構(gòu)模擬運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)抖動(dòng) 3.2.2滑塊連桿連接鉸點(diǎn)的受力分析 電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，連桿對(duì)上連接件的力可分解為水平分力和垂直分力，垂直分力就是電機(jī)的提升力，水平分力對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)是有害的。 電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，搖桿在鉛垂方向的力即電機(jī)的提升力為： （3-54） 在上式中，曲柄轉(zhuǎn)角為自變量，擺角的相似模型 sin，由此可以看出，除了 是自變量以外，曲柄，連桿的長(zhǎng)度也是影響電機(jī)提升力的因素，連桿的長(zhǎng)度是由機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)所決定，在一定范圍內(nèi)是可以修改曲柄的長(zhǎng)度來(lái)改變搖桿的提升力，曲柄越小，電機(jī)提升力越大。在此設(shè)計(jì)中必須滿(mǎn)足凸輪的壓力角 = ，選擇凸輪起點(diǎn)為提升力零點(diǎn)，所以這里機(jī)器人下并聯(lián)盤(pán)形凸輪的升程角和回程角就很好的避開(kāi)了提升力的零點(diǎn)問(wèn)題。 在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其水平分力公式為： （3-55） 從上圖中可以看出，在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，連桿對(duì)上連接件的水平分力對(duì)機(jī)器人是有害的，進(jìn)過(guò)模擬后擬在上連接件上采用了雙導(dǎo)向柱，這樣就可以通過(guò)過(guò)定位的方式來(lái)消除這個(gè)有害的水平分離力。 3.3凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.3.1下機(jī)械手并聯(lián)盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)工作要求選定凸輪機(jī)構(gòu)形式； 凸輪機(jī)構(gòu)是含有凸輪的一種高副機(jī)構(gòu)，也是一種常用機(jī)構(gòu)。凸輪式一個(gè)具有曲面輪廓的構(gòu)件，一般多為原動(dòng)件（有時(shí)為機(jī)架）；當(dāng)凸輪為原動(dòng)件時(shí)，通常做等速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)，而從動(dòng)件則按預(yù)期輸出特性要求作連續(xù)或間歇的往復(fù)擺動(dòng)、移動(dòng)或平面復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。 經(jīng)過(guò)建模可得出凸輪輪廓的最大為24mm，同時(shí)機(jī)械手抓的擺動(dòng)角度為 ，擺動(dòng)距離約為7.5mm，擺動(dòng)距離如下圖所示 圖3-7手抓張開(kāi)簡(jiǎn)圖 對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的最大位移為15mm，凸輪機(jī)構(gòu)的偏距e=0，手抓在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中只有夾緊和松弛兩種狀態(tài)，因此選定凸輪形式為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，此種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度為常數(shù)，即從動(dòng)件（手抓）相對(duì)于機(jī)器人機(jī)架是靜止的。 圖3-10盤(pán)形凸輪 3.3.2上機(jī)械手移動(dòng)凸輪設(shè)計(jì) 下面為移動(dòng)凸輪的具體尺寸： 圖3-8移動(dòng)凸輪 3.4機(jī)械手爪設(shè)計(jì) 在攀爬桿狀的城市建筑直徑范圍D=100-140mm，機(jī)械手連接臂繞導(dǎo)桿擺動(dòng)角度范圍在 以?xún)?nèi)，為了給機(jī)器人往城市桿狀建筑上的順利安裝設(shè)計(jì)機(jī)械手連接臂導(dǎo)桿擺動(dòng)角度范圍為 ，同時(shí)考慮到電機(jī)在手抓平面上的尺寸，通過(guò)對(duì)桿的考察可得出機(jī)械手抓的大體尺寸如下圖所示。 圖3-9機(jī)械手抓簡(jiǎn)圖 機(jī)械手的長(zhǎng)度大概為216mm,采用鋁合金材料厚度為10mm左右，手抓的重量大概為0.2kg 3.4.1機(jī)械臂非線(xiàn)性分析 機(jī)器人的關(guān)鍵部分如機(jī)械連接臂，對(duì)機(jī)器人的爬行具有很重要作用，在機(jī)器人爬行過(guò)程中，當(dāng)機(jī)械手夾緊時(shí)，此時(shí)受力最大，機(jī)械臂變形最大，因此需對(duì)機(jī)械臂的變形繞度進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬可知機(jī)械臂在鉛垂方向上受力分析可簡(jiǎn)化為一懸臂梁受力情形。機(jī)械手連接臂的截面如圖所示為一長(zhǎng)方形 （3-56） 其中： ，，。 符號(hào)意義： ——長(zhǎng)方形截面對(duì)X軸的慣性（ ）； ——長(zhǎng)方形截面對(duì)X軸的抗彎截面系數(shù)（ ） ——長(zhǎng)方形截面對(duì)X軸的慣性半徑（cm）； a ——長(zhǎng)（cm）； b ——寬(cm)； 機(jī)械手連接臂橫截面經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可近似為正方形的細(xì)長(zhǎng)彎曲桿。 長(zhǎng)桿幾何參數(shù)可簡(jiǎn)化為： =313.58mm； B=10mm； H=10mm； 長(zhǎng)桿材料參數(shù)： 彈性模量E=70GPa； 泊松比V=0.3； 當(dāng)機(jī)器人在桿狀物上工作時(shí)，特別是在上機(jī)械手夾緊，下機(jī)械手松開(kāi)狀態(tài)時(shí)，機(jī)械手連接臂受力變形最大。由于機(jī)械手連接臂的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其他方向的尺寸，因此機(jī)械臂可簡(jiǎn)化為一受力懸臂梁。 圖3-11機(jī)器人上機(jī)械手簡(jiǎn)化 由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，簡(jiǎn)化如上圖所示，實(shí)線(xiàn)和雙點(diǎn)劃線(xiàn)沿坐標(biāo)軸對(duì)稱(chēng)（實(shí)線(xiàn)和雙點(diǎn)劃線(xiàn)分別代表機(jī)械手的左右臂）。虛線(xiàn)（連接件）和它們絞接。這樣在分析受力時(shí)，我們可以忽略其繞Y軸的鉛垂位移，只考慮其繞X軸的鉛垂位移。這樣機(jī)械手臂可簡(jiǎn)化為一長(zhǎng)為315mm的懸臂梁，因機(jī)械手成對(duì)使用，實(shí)際工況中每只機(jī)械手連接臂末端載荷為F=25N， 應(yīng)用材料力學(xué)公式求端點(diǎn)處的繞度： （3-56） 由此可看出機(jī)械手連接臂在處于懸臂狀態(tài)時(shí)，當(dāng)連接臂末端承受最大載荷F=25N時(shí)，最大繞度值為=4.404mm，可以忽略不計(jì)。 3.5電動(dòng)機(jī)選擇 在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，電機(jī)的選擇很總重要，對(duì)于爬行機(jī)器人而言，電機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)形式都是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要考慮的重要方面，從結(jié)構(gòu)緊湊性方面考慮，在電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸上，直角電機(jī)比標(biāo)注電機(jī)占用更小空間。 經(jīng)過(guò)比較選用廈門(mén)精研自動(dòng)化元件公司（www.jschina.com.cn）生產(chǎn)的直角電機(jī)整個(gè)機(jī)殼有鋁合金制作，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較緊湊、密封性、潤(rùn)滑性都比較好。 電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人攀爬的動(dòng)力源和主要部件之一，它的結(jié)構(gòu)尺寸同時(shí)也影響到機(jī)器人其他相關(guān)部件的尺寸大小，直角電機(jī)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)特殊的空間結(jié)構(gòu)尺寸也是筆者選擇它的一個(gè)主要原因。 經(jīng)過(guò)查詢(xún)?cè)撾姍C(jī)的總重為1.6Kg，同時(shí)還查的電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)以及轉(zhuǎn)速——轉(zhuǎn)矩圖。 圖3-12電動(dòng)機(jī)參數(shù)圖 該電機(jī)使用12V直流電，轉(zhuǎn)子為齒輪軸的可逆電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0~1000r/min范圍內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)速近似線(xiàn)性關(guān)系。在額定轉(zhuǎn)速情況下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為710r/min，電機(jī)實(shí)物以及相關(guān)尺寸如下圖所示： 圖3-13電機(jī)實(shí)物圖 4電氣控制 4.1系統(tǒng)論述 4.1.1 基本原理 主體電路：即直流電機(jī)PWM控制模塊。這部分電路主要由80C51單片機(jī)的I/O端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和了解電機(jī)的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。同時(shí)，還包括直流電機(jī)的直接清零、啟動(dòng)（置數(shù)）、暫停、連續(xù)等功能。其間是通過(guò)80C51單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到L298驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制直流電機(jī)工作的。因此該直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計(jì)控制部分：主要由80C51單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。顯示設(shè)計(jì)部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 4.1.2 總體設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)組成：直流電機(jī)PWM調(diào)速方案如圖4-1所示： 方案說(shuō)明：直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模塊、LCD顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動(dòng)電路完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)控制；同時(shí)單片機(jī)不停的將從鍵盤(pán)讀取的數(shù)據(jù)送到LCD顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知道其轉(zhuǎn)向及一些提示。 圖 4-1 直流電機(jī)PWM調(diào)速方案 4.2直流電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)與分析 4.2.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（內(nèi)含CMOSS管、三太門(mén)等）組成。現(xiàn)在介紹下直流電機(jī)的運(yùn)行原理 (1)直流電機(jī)類(lèi)型 直流電機(jī)可按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進(jìn)行分類(lèi)，其中根據(jù)直流電機(jī)的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機(jī)（將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能）、直流電動(dòng)機(jī)（將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)（將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）、直流伺服電動(dòng)機(jī)（將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)）。下面以直流電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象 。 (2) 直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分共同組成。在定子上裝有固定磁極（電磁式直流電機(jī)磁極由繞在定子上的磁繞提供），其轉(zhuǎn)子由硅鋼片重疊壓制而成，兒轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，電樞繞組通過(guò)換向器和電刷引出,直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。 (3) 直流電機(jī)工作原理 直流電機(jī)電路模型如圖4-2所示，磁極N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線(xiàn)圈abcd。當(dāng)線(xiàn)圈中流過(guò)電流時(shí)，線(xiàn)圈會(huì)受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線(xiàn)圈中電流改變方向時(shí)，線(xiàn)圈的受力方向也將會(huì)改變，因此通過(guò)改變線(xiàn)圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向 。 圖4-2直流電動(dòng)機(jī)電路模型 (4) 直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 直流電機(jī)的主要額定值有： 額定功率 ：在額定電流和電壓下，電機(jī)的負(fù)載能力。 額定電壓 ：長(zhǎng)期運(yùn)行的最高電壓。 額定電流 ：長(zhǎng)期運(yùn)行的最大電流。 額定轉(zhuǎn)速n：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。以r/min為單位。 勵(lì)磁電流 ：施加到電極線(xiàn)圈上的電流。 (5) 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理 1）直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖4-3表示，由圖可見(jiàn)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)的 正方向與電樞電流的 方向相反， 為反電動(dòng)勢(shì)；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 及空載轉(zhuǎn)矩 均與n相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 圖4-3直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動(dòng)勢(shì)平衡方程式4-1： （4-1） 式4-1中， 為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)繞阻與電刷接觸電阻的總和； 是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。 由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： （4-2） 式4-2中， 為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，Φ是磁通量。 由4-1式和4-2式得 （4-3） 由式4-3中可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速電樞兩端的電壓 所決定，也就是說(shuō)電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，當(dāng)電樞電壓降低到0V時(shí)，電機(jī)就停止了轉(zhuǎn)動(dòng)；而改變電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 2）PWM電機(jī)調(diào)速原理 對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果加在電樞兩端的電壓為4-5所示的脈動(dòng)電流壓（要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變 和 寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對(duì)這一變化進(jìn)一步推導(dǎo)。 圖4-4施加在電樞兩端的脈動(dòng)電壓 設(shè)電動(dòng)機(jī)接全電壓U時(shí)，其轉(zhuǎn)速最大為 。若施加到電樞兩端的脈動(dòng)電壓占空比為 ，則電樞的平均電壓為： =U·D （4-4） 由式4-3得到： ； （4-5） 在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中K= U/ CeΦ，是常數(shù)。 圖4-5為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。 圖4-5占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系 由圖看出實(shí)際上轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全的線(xiàn)性關(guān)系（圖中實(shí)線(xiàn)），原因是電樞本身也有電阻，但是一般直流電機(jī)的內(nèi)阻都比較小，可以近視為線(xiàn)性關(guān)系。 由此可見(jiàn)，改變施加在直流電機(jī)電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。 (6) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì) 根據(jù)直流電機(jī)的工作原理，從PROTEUS選取元器件如下，放置元器件、放置電源和地連線(xiàn)，我們參照此設(shè)計(jì)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路 ● 2SK1058 : CMOSS管 ● 74L26 : 三太門(mén) ● 1N4006 : 二極管 ● VSCOURCE : 電源 ● MOTOR-ENCODER : 直流電機(jī) ● RES : 電阻 ● AT89C51 : 單片機(jī) (在此并未顯示) 然而考慮市場(chǎng)的行情，因?yàn)橐延袑?zhuān)門(mén)地為電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的電子芯片，因此就沒(méi)必要再重新來(lái)設(shè)計(jì)；選用L298芯片來(lái)構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)基本上跟上圖一樣，由L298芯片組裝的驅(qū)動(dòng)模塊。所用元器件如下所示： ● 1N4006 ： 二極管； ● AT89C51 ： 單片機(jī)； ● RES ： 電阻； ● MOTOR-ENCODER ： 直流電機(jī)； ● L298 ： 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片； ● RESPACK-8 ：排阻； (7)程序設(shè)計(jì)流程圖 圖4-6定時(shí)中斷服務(wù)流程圖 4.2.2直流電機(jī)的中斷鍵盤(pán)控制模塊 (1)外部中斷設(shè)置 1） 外部中斷允許設(shè)置 中斷控制寄存器IE的EX0對(duì)應(yīng)INT0，EX1對(duì)應(yīng)INT1，EA為中斷的總開(kāi)關(guān)，若要開(kāi)放外部中斷，只要將IE對(duì)應(yīng)的位和總開(kāi)關(guān)EA置1即可。 如：開(kāi)放外部中斷0的設(shè)置： SETB EX0； SETB EA； 開(kāi)放外部中斷0和1的設(shè)置： SETB EX0； SETB EX1； SETB EA； 2） 外部中斷觸發(fā)方式設(shè)置 單片機(jī)外部中斷有兩種觸發(fā)方式，一種是電平觸發(fā)方式，另一種是脈沖觸發(fā)方式，單片機(jī)外部中斷觸發(fā)方式與TCON的IT位有關(guān)。 表4-1TCON的IT位 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 電平觸發(fā)設(shè)置方法：CLR ITX，為低電平觸發(fā)方式。 脈沖觸發(fā)設(shè)置方法：SETB ITX＝1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。 在使用外部中斷時(shí)，如果不進(jìn)行設(shè)置，則為電平觸發(fā)方式。 3） 外部?jī)?yōu)先級(jí)設(shè)置 外部中斷IN0、INT1的中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置是通過(guò)設(shè)置IP寄存器實(shí)現(xiàn)的，IP的PX0對(duì)應(yīng)INT0，PX1對(duì)應(yīng)INT1。PX置1為高級(jí)中斷，PX為0為低級(jí)中斷。 表4-2IP寄存器 × × × PS PT1 PX1 PT0 PX0 (2) 外部中斷擴(kuò)展方法 在圖4-10為外部中斷擴(kuò)展方法，設(shè)X1、X2、X3、X4、X5為外部警情信號(hào)，X1代表是加速信號(hào)，X1=0表示加速；X2代表減速信號(hào)，X2=0表示減速；X3代表正轉(zhuǎn)信號(hào)，X3=0表示正轉(zhuǎn)；X4代表反轉(zhuǎn)信號(hào)，X4=0表示反轉(zhuǎn)；X5代表停止信號(hào)，X5=0表示停止處理。 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有中斷請(qǐng)求時(shí)，響應(yīng)如下中斷服務(wù)流程圖4-7。 圖4-7 中斷服務(wù)流程 4.2.3 1602LCD液晶顯示模塊 (1) 引腳分布和接口信號(hào)說(shuō)明 1)引腳分布 1602液晶顯示共有16個(gè)引腳。 2)引腳功能 1602引腳功能如表4-3所示 表4-3 1602引腳功能 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 1 VSS VSS為地電源 9 D2 Data I/O 2 VDD VDD接5V正電源 10 D3 Data I/O 3 VEE 液晶顯示偏壓信號(hào) 11 D4 Data I/O 4 RS 0輸入指令，1輸入數(shù)據(jù) 12 D5 Data I/O 5 R/W 0寫(xiě)入指令或數(shù)據(jù)，1讀信息 13 D6 Data I/O 6 E 1讀取信息，1→0執(zhí)行指令 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正極 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負(fù)極 (2) LCD液晶電路 (3) 顯示程序流程圖如4-8所示 圖4-8程序流程圖 4.3直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 4.3.1 總電路圖 圖4-9總電路 4.3.2 總電路功能介紹 直流電機(jī)PWM調(diào)制控制系統(tǒng)具有加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能。操作開(kāi)關(guān)通過(guò)中斷控制直流電機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能，并通過(guò)LCD液晶顯示。振蕩、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路由80C51單片機(jī)內(nèi)部給出。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度由LCD液晶顯示。操作開(kāi)關(guān)狀態(tài)可由液晶顯示器顯示。 4.3.3 直流電機(jī)控制程序 ORG 0000H SJMP DISPLAY ORG 0003H LJMP BUTTON ；外部0中斷入口地址 ORG 000BH； LJMP DINGSHI ；定時(shí)中斷T0入口地址 RS EQU P3.0 RW EQU P3.1 E EQU P3.4 ORG 0030H ；此次直流電機(jī)的設(shè)計(jì)以L(fǎng)CD字符夜晶的顯示程序?yàn)橹鞒绦? DISPLAY：SETB EA ； 打開(kāi)中斷總開(kāi)關(guān) SETB EX0 ；打開(kāi)外部中斷0開(kāi)關(guān) SETB IT0 ；打開(kāi)外部中斷0下降沿觸發(fā) MOV TMOD,#01H ；設(shè)置定時(shí)工作方式 MOV TL0,#0FFH ；設(shè)置定時(shí)初值 MOV TH0, #0FFH SETB ET0 ；打開(kāi)定時(shí)中斷T0開(kāi)關(guān) CLR P0.5 CLR P0.6 CLR P0.7 SETB TR0 ；定時(shí)器T0開(kāi)始定時(shí) MOV DPTR,#TAB ；夜晶顯示的字符首地址 MOV R0,#00H ；脈寬的初值 MOV R1,#16 ；"SET SPEED PLEASE"的字符個(gè)數(shù) MOV R3, #00H MOV R4, #00H LP9：LCALL CHUSHI LP2：ACALL BUSY MOV A, #00H MOVC A,@A+DPTR MOV P1, A ACALL DATAS INC DPTR DJNZ R1, LP2 LP3： CJNE R3,#00H,LP4 CJNE R4,#00H,LP4 SJMP LP3 LP4： MOV R7,#00H ；中斷的標(biāo)志 MOV R5,#09H ；CURRENT : 的字符個(gè)數(shù) ACALL BUSY MOV P1, #0C0H ACALL ENABLE MOV DPTR, #MMTAB ACALL BUSY LP5：MOV A, #00H MOVC A,@A+DPTR MOV P1, A INC DPTR ACALL DATAS ACALL BUSY DJNZ R5, LP5 MOV DPTR, #STAB MOV A, R2 MOV P1, A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R3 ；顯示速度的十位 MOVC A,@A+DPTR MOV P1, A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R4 ；顯示速度的個(gè)位 MOVC A,@A+DPTR MOV P1, A ACALL DATAS ；使夜晶始終顯示當(dāng)前電機(jī)的速度 LP8：CJNE R7,#00H,LP7 ；速度不變時(shí)等待 LJMP LP8 ；速度變時(shí)重新讀入速度 LP7： SJMP LP4 CHUSHI：ACALL BUSY ；使夜晶顯示的一些初始設(shè)置 MOV P1,#00000001B ；清屏并光標(biāo)復(fù)位 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00111000B ；設(shè)置顯示模式:8位2行5x7點(diǎn)陣 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00001111B ；顯示器開(kāi)、光標(biāo)開(kāi)、光標(biāo)允許閃爍 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00000110B