机器人作业参考1(共36页)

1、机器人机构分析(fnx)与综合 移动(ydng)抓取机器人的设计和研究姓名(xngmng)： 班级：学号： 指导教师：The Design and Research of Moving and fetching RobotName: Class: Student number: Supervisor: 摘 要当前，随着人类活动范围的扩展和实际应用的需要，移动机器人的活动范围已从单一的结构化环境向复杂的非结构化环境延伸(ynshn)。深入开展复合式移动机器人系统及其关键技术的研究具有十分重要的理论和实际意义。在移动抓取机器人的设计中，本人进行了机械结构设计与机器人电路设计。在机械设计中，完成了机

2、器人原理方案的构思与拟定、结构设计、材料选择、尺寸确定。在机器人的移动模块结构设计中,提出了一种能实现快速定位的三角形底盘(dpn)结构形式；从动力学角度，对抓取机构的电机选取、升降形式进行了多次改进设计；在控制电路的设计制作中，精简了控制变量数目，优化了控制器结构，使机器人 控制更便捷、高效。机器人的设计与制作过程，采用了CAD/CAE方法，从功能原理设计到实用化设计，以及绘制图纸、结构分析和运动仿真都使用计算机软件进行，大大提高了设计与制作的效率。关键词: 机器人; 机械设计; 移动(ydng)抓取ABSTRACTAt currently, with expansion of human

3、beings moving scope and requirement of practical application, moving scope of moving robot extended from simple structuring circumstance to complex non-structuring circumstance. Profound research of combined type moving automaton system and its key technique will have very important theory and pract

4、ice meaning.In the process of the moving and fetching robots design, I have taken charge of the mechanical structures design and the design the circuit. In mechanical structures design, I have finished the whole processes of the conception of the robots blue print, the design of configuration, the c

5、hoice of material, confirmation of dimension. In the design of the moving module, I have put forward a triangle chassis structure which can achieve the orientation fast. In the point of dynamics, I have designed and modified many times of the choice of motor for the structure of nipping and fetching

6、, and the form of up and down. In the process of the controlling circuits design, I have reduced the number of controlling variable, optimized the structure of controller, so that the control of the robots was more convenient and efficient. I have adopted the method of CAD/CAE to design the robots.

7、The design from the functional principle to the design of utility, and the drawings protracting, the analysis of structure and the simulation of moving are programmed by computer, therefore, the effect of design and manufacture have been improved dramatically.KEY WORDS: Robot; Machine design; moving

8、 and fetching 目 录 TOC o 2-3 h z t 标题(biot) 1,1,标题,1 HYPERLINK l _Toc296685200 前 言1 HYPERLINK l _Toc296685201 第1章 机械(jxi)结构设计2 HYPERLINK l _Toc296685202 1.1行走机构的分析(fnx)2 HYPERLINK l _Toc296685203 1.1.1轮式结构2 HYPERLINK l _Toc296685204 1.1.2履带式机构6 HYPERLINK l _Toc296685205 1.1.3行走机构的确定6 HYPERLINK l _Toc

9、296685206 1.2夹取升降机构的分析6 HYPERLINK l _Toc296685207 1.2.1气动加紧机构6 HYPERLINK l _Toc296685208 1.2.2电动加紧机构7 HYPERLINK l _Toc296685209 1.2.3升降机构8 HYPERLINK l _Toc296685210 1.3车体结构的设计8 HYPERLINK l _Toc296685211 1.3.1车体中心分布及其稳定性8 HYPERLINK l _Toc296685212 1.3.2最终版人工机器人设计图9 HYPERLINK l _Toc296685213 第2章 重要零件设

10、计和校核 PAGEREF _Toc296685213 h 11 HYPERLINK l _Toc296685214 2.1零件的设计原则 PAGEREF _Toc296685214 h 11 HYPERLINK l _Toc296685215 2.1.1机械零件设计的计算准则 PAGEREF _Toc296685215 h 11 HYPERLINK l _Toc296685216 2.1.2 机械零件的强度 PAGEREF _Toc296685216 h 11 HYPERLINK l _Toc296685217 2.1.3 机械零件的刚度 PAGEREF _Toc296685217 h 13

11、HYPERLINK l _Toc296685218 2.2驱动部件的设计与分析14 HYPERLINK l _Toc296685219 2.2.1电机的选择方法14 HYPERLINK l _Toc296685220 2.2.2车轮的设计16 HYPERLINK l _Toc296685221 2.3执行机构的设计与分析17 HYPERLINK l _Toc296685222 2.3.1加紧机构原理分析17 HYPERLINK l _Toc296685223 2.3.2驱动电机的选择18 HYPERLINK l _Toc296685224 2.4升降机构的设计与分析18 HYPERLINK l

12、 _Toc296685225 2.4.1升降机构的原理18 HYPERLINK l _Toc296685226 2.4.2升降电机的选择18 HYPERLINK l _Toc296685227 3.1机器人行走控制部分电路设计19 HYPERLINK l _Toc296685228 3.1.1直流电机的伺服控制19 HYPERLINK l _Toc296685229 3.1.2行走部分的实现方法 PAGEREF _Toc296685229 h 20 HYPERLINK l _Toc296685230 3.1.3行走部分的控制原理 PAGEREF _Toc296685230 h 20 HYPER

13、LINK l _Toc296685231 3.2机器人执行机构部分电路设计 PAGEREF _Toc296685231 h 22 HYPERLINK l _Toc296685232 3.2.1直流电机的性能 PAGEREF _Toc296685232 h 22 HYPERLINK l _Toc296685233 3.2.2直流电机的控制 PAGEREF _Toc296685233 h 23 HYPERLINK l _Toc296685234 3.3舵机(du j)的控制24 HYPERLINK l _Toc296685235 3.3.1电机和舵机(du j)受控的参数24 HYPERLINK

14、l _Toc296685236 3.3.2 mega128上pwm波的产生(chnshng)方法25 HYPERLINK l _Toc296685237 总 结27 HYPERLINK l _Toc296685238 参考文献28前 言机器人是科技与社会发展(fzhn)的共同产物，一方面，机械、电子、控制技术等领域的迅速发展为研制机器人提供了理论与技术支持，另一方面，许多危险、艰苦行业的长期作业更需要机器人来代替人力。1959 年，美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，成为机器人发展的开端。机器人的发展主要经历了三个阶段：第一代的简单个体机器人，第二代的群体劳动机器人，第三代的智能

15、机器人。第一代机器人称为“示教再现(zixin)型”，第二代机器人具备(jbi)了“感觉能力”，第三代机器人不仅具备了“感觉能力”，还具备了独立判断和行动的能力。目前机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。所谓移动机器人，是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。早在 60 年代，就开始了移动机器人的研究。对移动机器人的研究，涉及了多种学科和理论。在研究过程中，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在星球探测、军事侦察、扫雷

16、排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注本文设计的是移动抓取机器人，机器人主要是完成朝着某一方向灵活的移动，并且能实时控制用机器人移动到某一特定位置后抓取物体。机器人在设计过程中要使机器人在结构方面尽可能的紧凑和轻便，同时要保证机器人在移动过程中的灵活性以及抓取物体的可靠性。为了满足这些技术指标，本文不仅在机械结构设计上进行了校核以及计算，同时还进行了在电路方面的设计，保证了机器人可以很好的实现其功能。机器人的设计制作是对以前所学知识的综合运用，是一个创新和发展的过程。通过本次课程的学习并且亲自参与设计机器人不仅能够巩固和熟

17、练掌握以前所学的专业知识，还提供了一个深入了解其它专业知识，提高思维创新能力，创造性设计的能力的机会。第1章 机械(jxi)结构设计本文在设计使先从机器人移动所需的行走机构进行分析了，综合分析了轮式机构和履带机构的各自的优缺点，并最终根据设计要求确定了方案(fng n)。同时在夹紧方案上又综合分析了气动夹紧和电动夹紧，以保证夹紧的可靠性。1.1行走机构的分析(fnx)机器人在地面上的移动方式通常有三种：车轮式、履带式和步行式。步行模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境的适应性好，智能程度相对也高。正因为如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上还很不成熟，不适用于要求灵活性和可靠

18、性较高的运行中。下面只讨论车轮式和履带式移动。1.1.1轮式结构利用车轮移动是最常见的一种地面行进方式。车轮移动方式的优点是：能高速稳定地移动，能量利用效率高，机构和控制简单，而且现有技术比较成熟。它的缺点是对路面要求较高，适用于平整的硬质道路。但是本次机器人的设计主要是突出机器人的灵活性，因此采用轮式机构比较符合，本节将以此为重点进行解说。需要解决以下6个问题车轮配置； 转向方式； 从电机至轮轴的动力传递路线与方法； 启动瞬间如何获取当前位置和方向信息； 最高速度和加速度的期望值； 电机控制方法。 从理论上讲，三点决定一个平面，因此车轮式移动载体的平稳运动最少需要3个轮子支撑。目前机器人上最

19、常用的是3轮或4轮移动方式。在某些特殊应用情况下也有用5轮以上的机器人，但这种情况下机器人结构和控制都更复杂，因此只讨论3轮和4轮的情况。3轮移动配置和操舵方式典型3轮移动机器人通常采用(ciyng)1个中心前轮和2个后轮的车轮布置。3个车轮配置与功能的不同组合又可以将3轮机器人分为图1-1所示的若干类型。 图1-1 3轮移动配置(pizh)方式图1-1(a)所示的组合是前轮1为万向脚轮或球形轮，后轮2和后轮3为独立驱动轮，利用(lyng)它们的转速差实现转向。这种组合的特点是机构组合容易，而且当2个驱动轮以相同速度、相反方向转动时车体能绕2个驱动轮连线的中点自转，但自转中心与车体中心不一致。

20、图1-1(b)所示的组合是操舵机构和驱动机构都集中在前轮1上，2个后轮只起支撑从动的作用。与图1-1(a)相比，该机构也能绕2个后轮连线的中点自转，但其前轮驱动集中，结构比较复杂。图1-1(c)所示的组合是前轮1为操舵轮，后轮2和后轮3中一个为驱动轮，另一个为从动轮。这种车轮机构的特点是结构简单，组成容易，但单边驱动的驱动性差，稳定性不好，不能自转。图1-1(d)的车轮组合将图1-1(c)的单轮驱动改为双后轮差动驱动，提高了驱动性，但加了一个差动齿轮装置，结构更复杂，也增加了质量。(3) 4轮移动配置和操舵方式3轮式机器人车体配置虽然结构简单，但稳定性稍差，遇到冲撞或地面不平时容易倾倒。与3轮

21、机构相比4轮移动方式的稳定性更好。4轮移动机构的典型配置形式如图1-2所示。图1-2(a)的组合是前后轮为万向脚轮或球形轮，左右两轮为独立驱动轮。与图1-2(a)的3轮车体相比，其自转中心与车体中心重合，当2个驱动轮以相反速度方向转动时，车体能绕自身的中心自转，所以便于在狭窄场所改变方向。这种车轮布置方式在灵活性和稳定性上都是比较好的。但它的缺点是前后辅助脚轮有时不能同时着地支撑，在高速启动和刹车时车体会产生俯仰和前冲。采用这种所谓的菱形车轮组合。为了克服启动和刹车时的俯仰和前冲，应当尽量将车体的重心配置在两个驱动轮连线的近旁，减少惯性的影响。 图1-2 4轮机器人车轮(ch ln)布置图1-

22、2(b)是常见的所谓汽车车轮配置方式(fngsh)。它与图1-1(d)所示的3轮车驱动方式类似，只是将前面一个操舵轮改为2个轮，提高了车体的稳定性。2个操舵轮需要同一个操舵机构来协调转向，此外为了减少后轮的磨擦损耗，配备了差动齿轮装置，增加了机构的复杂性。正是这个原因，在设计机器人时一般都采用比较简单的配置方式。(4) 全方位移动(ydng)方式前面所述的3轮或4轮移动方式都是2自由度的，所以不能实现任意的定位和定向。全方位移动车就是为实现机器人任意方向的运动而开发的，它的移动机构具有原地改变方向或以一定姿态角移动等多种功能。 理论上讲，只要车体上的4个轮子都具有独立的转向和驱动功能就能实现全

23、方位运动。但从机动性、经济性和减轻质量的观点出发，图1-3所示的全方位移动车方案是比较好的。车上的4轮中对角2轮为驱动轮，另外2轮为从动轮。前面两轮和后面两轮各为独立的一组，每组靠一个转向电机能同时进行转向操作。为了实现旋转运动，在转向机构中装有离合器，可以使每组的两轮保持平行或为实现旋转而保持一定角度。图1-3 一种(y zhn)全方位移动车图1-4 全方位车的3种移动(ydng)方式 上述的全方位移动(ydng)车能实现如图1-4所示的3种移动方式。 第1种是全方位方式，它也是这种机器人最具特征的动作，如图1-4(a)所示。这种方式将全部车轮都置于同一转向角，前后驱动轮驱动速度相同，那么不

24、管机器人是静止还是移动时都可完成转向操作；而且无论发生什么情况，机器人都能在不改变姿态的条件下沿转向角方向移动。第2种是转弯方式，如图1-4(b)所示。转弯方式是当机器人须要沿曲线路径移动时采用的移动方式。它与一般4轮汽车的移动方式相同，即前轮转向，后轮驱动。但在移动中须要分别(fnbi)控制前后驱动轮的驱动速度以及前面2个轮子的转向角度。第3种是旋转方式，如图1-4(c)所示。只要控制各个车轮的旋转轴，使其对着车体的中心，就能够使机器人在原地绕车体中心旋转。这种方式使机器人能在狭窄的空间里自由(zyu)地改变姿态。1.1.2履带式机构(jgu)履带车实际上是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是

25、将环状的循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面粘着力较强，能吸收较小的凹凸不平，适于松软不平的地面。因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。最常见的履带移动车是在车体的两侧各设有一对履带驱动装置的双履带结构。机器人研究中，有许多采用多履带形式的例子，如4履带、6履带，以及增加其他辅助履带。但多履带方式通常是为了机器人能在特殊的环境下移动，如有台阶或高大障碍的地形，这里不再做详细论述。履带式的不足之处是转弯不如车轮式灵活。在要改变方向时，须要将某一侧的履带驱动系统减速或制动来实现转弯，或者反向驱动实现车体的原地自转

26、。但这都会使履带与路面产生相对横向滑动，不仅加大了机器人车体的能耗，还有可能损坏路面。1.1.3行走机构的确定根据上述分析，考虑到设计机器人的行走速度、方向能够灵活控制，而且要有很高的直线速度和良好的转弯性能。基于上述要求，我们选择了3轮后轮差动式行走机构。1.2夹取升降机构的分析一般机器人上常用的夹紧方式主要有气动夹紧和电动夹紧，在此我们对两种方式进行详细的讨论和分析。1.2.1气动加紧(jijn)机构我所设计的汽缸对动力(dngl)的夹取机构如1-6图所示图1-6(a) 气动(q dn)夹取机构图1-6(b) 气动夹取机构1.2.2电动加紧(jijn)机构电动夹紧(ji jn)方式用的是丝

27、杠驱动的夹紧方式，如图图1-7 丝杠驱动(q dn)加紧机构由于气动夹紧方式会存在气源供应以及长时间使用后气源不足的问题，使得机器人的灵活性大大降低，因此本文采用的是电动驱动夹紧的方式。1.2.3升降机构为了保证机器人在夹取物体时的高度可调，还必须使得机器人有升降机构以下集中升降机构：1.同步带升降机构。优点：便于控制稳定性高，缺点：重量大，加工装配要求高。2.拉线升降机构。优点：结构简单，加工安装方便。缺点：拉线容易磨损。根据综合考虑最终选择了拉线结构。拉线结构采用蜗轮蜗杆结构减速，能够自锁。1.3车体结构的设计1.3.1车体中心分布及其稳定性机器人的车体结构是机器人在完成工作时保证其稳定性

28、的重要因素，我们知道机器人一旦受外因冲撞失稳倾倒，它便很难回到正常工作状态。机器人的重心是影响其稳定性的重要因素图1-8所示为机器人平稳状态下车体重心分布，重心距离右车轮底部的高度为H，横向距离为L。如果机器人受外力作用向右侧倾斜，当重心落到车轮外侧时机器人就会倾倒。很容易计算出机器人倾斜的最大角度为 （1-1）从式(1-1)可以看出，重心高度H越低，距离车轮(ch ln)的横向轮距L越大，则最大倾斜角越大，机器人稳定性也就越好。图1-8机器人中心(zhngxn)分布具体设计机器人时，重心高度和横向距离也受其他因素的影响。对重心高度而言，因为机器人要携带和抓取重物，因此车体通常要高。为了(wi

29、 le)降低车体的重心H，可以将较重的元器件，如电池、电机驱动板等尽量放置在车体底部靠近车轮的部位，适当增加车底盘的质量，并选用轻质材料做较高部位的结构构件，如铝管、渔竿、钢丝、尼龙线绳等。1.3.2最终版人工机器人设计图图1-9移动抓取机器人设计图（俯视）图1-10 移动(ydng)抓取机器人设计图第2章 重要零件设计(shj)和校核设计的机械零件既要满足工作(gngzu)可靠，又要成本低廉。要保证工作可靠，需要根据可能发生的失效，确定零件在强度、刚度、震动稳定性、耐磨性、温度(wnd)变化等方面必须满足的条件，这些条件是判断零件工作能力的准则；要想降低零件的制造成本，必须从设计和制造两方面

30、来考虑，设计时应正确选择材料，合理规定公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。2.1零件的设计原则2.1.1机械零件设计的计算准则机械零件的计算可以分为设计计算和校核计算两种。设计计算是先根据零件的工作情况和选定的工作能力准则拟订出安全条件（如许用应力、许用变形等），用计算方法求出零件危险截面的尺寸，然后根据结构与工艺要求和尺寸协调的原则，使结构进一步具体化。校核计算是先参照已有实物、图纸和经验数据初步拟订零件的有关尺寸，然后根据工作能力准则核验危险截面是否安全。在本次机器人设计过程中，我进行的主要是设计计算。机械零件的失效最主要的是由于强度、刚度、耐磨性、温度变化对工作能力的影响以

31、及振动稳定性、可靠性等方面的问题。由于时间有限，本设计只需考虑零件的强度和刚度，下面就对这两种因素的计算准则进行介绍。2.1.2 机械零件的强度判断零件强度的方法：1) 判断危险截面处的最大应力（）是否小于或等于许用应力（,）。这时，强度条件可以写成： (2-1)式中：、分别为极限正应力和切应力；、分别为正应力和切应力的许用安全系数。2）判断(pndun)危险截面处的实际安全系数（,）是否大于或等于许用安全系数。这时，强度(qingd)条件可以写成： （2-2）采用何种方法(fngf)进行计算，通常由可利用的数据和计算惯例来决定。静应力强度在静应力时工作的零件，其强度失效表现为塑性变形或断裂。

32、1）单向应力时的塑性材料零件按照不发生塑性变形的条件进行强度计算。这时，式2-1和式2-2中的极限应该为材料的屈服极限或，计算、时可不考虑应力集中。2）复合应力时的塑性材料零件 根据第三或者第四强度理论来确定其强度条件。用第三或者第四强度理论计算弯扭复合应力的时候，其强度条件分别为： （2-3）式中：弯曲应力；切应力。按照第三强度理论计算近似取=2，按照第四强度理论计算时近似取=，可得复合安全系数的计算公式为：或 （2-4）式中：许用复合安全系数。变应力强度在变应力下工作的零件，其强度失效表现为疲劳断裂。循环特性一定时，应力循环次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力，成为疲劳极限，用表示。在应用

33、2-1至2-4计算疲劳强度时，其极限应力为疲劳极限。影响零件疲劳极限的因素除循环特性和循环次数以外，还有应力集中、零件尺寸、表面状态等，当这些因素不能详细考虑时，可用降低许用应力或提高许用安全系数的方法进行近似计算。提高零件强度(qingd)的措施改善零件结构形状以提高零件强度是设计中经常采取的措施(cush)，主要方法有：1）合理布置零件(ln jin)，减少所受载荷；2）降低载荷集中，均匀载荷分布，这有利于充分发挥零件材料的效能，提高承载能力；3）采用等强度结构，按等强度设计零件可充分发挥材料的效能，如我们自动机器人的主体框架；4）选用合理截面，如杆件的截面采用口字形、工字形、T字形等；轴

34、件的截面采用圆形、空心圆形等，我们在设计零件的时候，很好地利用了这项措施，得到了很好的效果。5）减小应力集中，避免零件两交接部分的截面尺寸相差太大，增大零件上过度曲线的曲率半径，增加卸载结构以减小应力集中，这些措施有利于提高零件的疲劳强度。2.1.3 机械零件的刚度刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。刚度大小常用产生弹性变形所需的外力或外力矩来表示。刚度计算概述刚度计算是利用材料力学公式计算零件的弹性变形量，如受拉杆的伸长量、梁的挠度和转角、传动轴的扭角等，使其不超过相应的许用值。形状简单的零件进行刚度计算一般不很困难，形状复杂的零件则很难进行精确的刚度计算，通常需要将复杂形状零件用简

35、化的模型来代替，必要时通过实测对计算加以修正，也可以根据经验和资料对零件刚度进行类比设计。影响刚度的因素及改进措施 1）材料对刚度的影响材料的弹性模量越大，零件的刚度也就越大，我们所选择的铝合金就是这样一种低密度高弹性模量的材料。2）结构对刚度的影响截面形状。当截面积相同时，中空的截面比实心截面的惯性矩大，所以零件的弯曲刚度和扭转刚度也大。支承方式和位置。简支梁的挠度(nod)与支点距的三次方（集中载荷）或四次方（分布载荷）成正比，所以减小支点距离能有效地提高梁的刚度；尽量要避免悬臂结构，必须采用时，也应尽量减小悬臂长度；采用多支承也能增加梁的刚度。加强肋。采用加强肋来提高零件和机架的刚度。设

36、计加强肋应遵守下列原则：1、承载的加强肋应在受压下工作，避免(bmin)受拉情况；2、三角肋必须延至外力的作用点；3、加强肋的高度不宜过低，否则会削弱截面的弯曲强度。3）预紧装配对接触(jich)刚度的影响接触刚度是指接触表面层在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。由于点接触副的变形与载荷呈线性关系，故接触刚度随着载荷的增大而增大，所以采用预紧装配，不仅能消除接触间隙，而且对提高接触刚度非常有利，不过同时使接触面间的载荷增大。2.2驱动部件的设计与分析2.2.1电机的选择方法一旦进入设计方案的定制阶段就很快地回涉及驱动器的选择。机器人用的驱动器大致有三种：直流电机、步进电机、舵机。可能还会有储能器、

37、橡皮条、弹簧等等下面以电机的选择为线索介绍与之相关的设计问题。图2-1示意出电机容量选择的方法和步骤。从图2-1可知，在决定电机容量时涉及负载的估算、驱动对象运动规律的确定、传动系统转动惯量的折算等内容。下面按照图2-1的步骤介绍相关的问题。图2-1 决定电机容量的方法(fngf)及步骤负载(fzi)的估算决定驱动器容量和传动系统容量是机器人设计的内容之一。负载估算的正确性影响到上述系统每一个元器件选择的合理性。从驱动器到负载之间力的传递路线如图2-2所示。电机是将电能转换为机械能的部件(bjin)，由此发生的力经过以减速器为核心的动力传递系统到达负载端。在此过程中，一部分力克服摩擦，以热能的

38、形式耗散出去，因此传动效率总无法达到100。在实际设计中，当然应当将上述路线的顺序倒过来，即从负载的大小以及摩擦系数、运动副的效率去推算电机的容量。一般，标准运动单元和零部件的传动效率可以从设计手册中查阅到。图2-2 驱动器倒伏在之间的传递路线施加于系统(xtng)的负载大致可以划分成3个基本类型：有效力、无效力、惯性力。1有效力(xio l)的计算方法机械对外做功，从本质上需要力。下面(xi mian)举几个有效力的例子。机器人移动靠主动车轮或履带与地面之间的摩擦力。图2-3是轮式机器人驱动时的受力简况。这时主动轮上所受的摩擦力实际上是推动机器人前进的有效主动力。从图2-3可以看出，简化后所

39、有的力和力矩在平面里构成一个平衡力系。图2-4表示有效力克服负载重力做功的情况。主动转矩是有效力，其大小与物体升降的速度无关，但是与加速度有关。其计算公式为 主动力矩 (2-5)式中，是电机转动的角加速度；J是整个系统转化到电机轴上的折算转动惯量，也包括负载W折算的部分。图2-3机器人驱动轮受力 图2-4克服负载重力做功2无效力的计算方法估算无效力比较困难。摩擦力就是一个例子。估计摩擦力在理论上可以用摩擦系数，在经验上常借助传动效率。无效(wxio)力矩 （2-6）根据式2-5和2-6计算的到电机(dinj)在不考虑速度的情况下需要的功率值，并根据功率选择合适的驱动电机。2.2.2车轮(ch

40、ln)的设计在直线运动中，质量m是系统实现加减速运动难易程度的量度。类似地，在转动中，转动惯量是系统加减速运动难易程度的量度。在机械设计中经常使用概念与之完全相同的物理量。的计算方法在大学课程中已经讲过，在此不再赘述。在机器人的实际中有很多牵扯到转动惯量的计算，比如车轮的转动惯量的计算。如过车轮的转动惯量过大，一方面加减速过慢，速度无法升高；另一方面，轮子的转动惯量过大还会导致破坏，包括轴的破坏、电机的破坏、顶丝松动等一系列的问题。所以轮子的转动惯量的非常重要的。等价折算图2-5 向电机轴折算整个传动系统折算到电机轴的等价为 （2-7）式（2-1）中可见，负载的折算到电机轴后，变成。依次减速比

41、越大，负载对电机转动惯量的影响越小。相反，电机轴联轴器的影响是1：1，不可小看。设负载的为、电机的加速力矩为T、传动系统的减速比为1/R，忽略联轴器的，则电机从速度0加速至n所花费的时间t也有下式算出： （2-8）经过计算现在设计的轮子，空载时，由0加速至极速需要0.8秒时间(shjin)，符合设计要求。2.3执行机构的设计(shj)与分析2.3.1加紧机构原理(yunl)分析现用的加紧机构经简化后可认为是双滑块机构，如图2-6。图2-6 夹子简化结构双滑块机构的主动件为其中一个滑块，被动件为连杆。所以夹子手臂为被动件。设主动件速度为、被动件位移为、速度为、加速度为，那么 （2-9）2.3.2

42、驱动电机的选择驱动主动件的动力为丝杠螺母结构。首先根据加紧机构需要的速度，丝杠的螺距来计算所需要电机的转速。其次要估算负载，计算方法同2.2.1节中所讲，这里不再赘述。在估算负载的时候还要考虑到惯性里的影响。丝杠传动模型如图2-7所示。加减速所需要的力矩为 （2-10）图2-7(a)图2-7(b) 丝杠传动(chundng)加速模型2.4升降(shngjing)机构的设计与分析2.4.1升降机构(jgu)的原理升降机构采用蜗轮蜗杆减速，这样就可以提供自锁力，保证上升后不给电机供电，能够保证电机的位置不改变。2.4.2升降电机的选择选择升降电机时要根据实际参数选择蜗轮蜗杆减速箱的电机，所以需要根

43、据上升速度、输出力矩等条件选择。 第3章 机器人电路设计3.1机器人行走控制(kngzh)部分电路设计3.1.1直流电机的伺服控制(kngzh)伺服系统又称为随动系统，是指目标值随时间变化的一类(y li)自动控制系统。伺服系统最简单的控制目标就是使系统的输出Y和系统的参考或指令信号R的差值(YR)尽量小。伺服系统的特点是：(a)控制量是机械位移或位移的时间函数；(b)给定值在很大范围内变化；(c)属于反馈控制；(d)能使系统的输出量快速准确地随给定量变化；(e)输入功率小，输出功率大；(f)能进行远距离控制。伺服控制的分类方法很多，机器人控制系统设计时首推直流小功率(100W)数字式伺服系统

44、。伺服系统的一般结构伺服系统的构成如图3-1所示，由电流环、速度环和位置环组成，电流环称为内环，位置环称为外环。位置信号可从电机轴上取出，也可从负载上取出。对于中小功率伺服系统，电机电枢的电阻大，或者允许过载的倍数较高(如小惯量电机)，可以不必过多地限制动态电流。为提高系统的快速性，也可以不设置电流环和速度环，只采用位置反馈的单闭环结构，此时称之为位置随动系统。图3-1 伺服系统的机构框图传统的伺服系统的输入量是给定一个模拟位置量，其经过位置调节器、速度调节器、电流调节器等一系列的硬件电路后输出给功率放大器，驱动电机运动。反馈装置采用伺服电位器或测速发电机。高速微处理器芯片的普及使伺服发展为全

45、数字技术，即以微处理器为核心，以PWM功放电路为驱动器，以光电编码器为反馈元件来构成电机伺服系统。其中位置、速度、电流等调节器的功能都由微处理器来完成，速度反馈由计算机根据位置反馈量计算出来。图3-2介绍了以微处理器为核心的全数字伺服系统结构框图。 图3-2全数字式伺服系统结构(jigu)3.1.2行走部分(b fen)的实现方法由于驱动(q dn)是由后轮双电机差动控制的，所以必须同时控制两个电机的速度。人工机器人的控制是通过手控盒来实现的。通过手控盒可以控制机器人的行走。其中在设计过程中我选用了运算放大器，通过运放对于信号的加减可以控制左右轮的转向。同时控制电压的正负以及大小可以控制机器人

46、的转向和转速。运算放大器是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 每一组运算放大器可用图3-3所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 图3-3 运算放大器的基本结构 图3-4 运放的引脚定义3.1.3行走部分(b fen)的控制原理由控制盒出来(ch li)的两路电压、分

47、别(fnbi)经过一个加法器和减法器后就得到行走电机的控制信号。现假设左右方向为x轴，前后方向为y轴，如下图所示。则上述运算如下式所示： 图3-5-12Vx-12V+12Vx+y=U右-x+y=U左由此式可知，当控制手柄前推（x=0，U左、U右均为正）、后拉（x=0， U左、U右均为负）、左摇（y=0，U左为负，U右为正）以及右摇（y=0，U左为正，U右为负）时，分别对应着机器人的前进、后退、左转、右转运动。电路原理图如图3-6所示。图3-6控制原理图当S1、S2均闭合时为慢速档，放大倍数小，此时 （3-1） （3-2）当S1、S2均打开时放大倍数(bish)增大。此时 （3-3） （3-4）

48、因此(ync)在调整过程中需要调整读个电阻阻值，并且开关的闭合与否对调节有较大影响。3.2机器人执行机构部分(b fen)电路设计3.2.1直流电机的性能直流电机的结构形式很多，但基本的构造是相同的，即必须有定子、转子和换向器，如图3-7所示。定子是固定在机身的圆桶状部分，一般由永磁材料或能产生磁场的线圈制成。机器人所需的小功率电机中，永磁材料使用较多，它的方便之处在于仅需要一组电源供电。转子由一根旋转轴及固定在轴上的硅钢片构成，是把电能转换成机械能的部分。转手的外沿有槽，槽内有电枢绕组，当绕组导线内有电流通过时，旋转轴便开始旋转。为了在电机连续旋转条件下电流能顺利通过转子，旋转轴尾部设置有换

49、向器，它始终与定子的电刷保持接触，给电机绕组供电。图3-7直流电机结构图直流电机有普通直流电机和直流伺服电机之分，两者的区别主要体现在性饕方面。伺服电机在调速范围、机械(jxi)特性和调节特性的线性度、响应快速性等方面均占优，且当控制电压改变为零时能立即停止转动；普通电机则做不到。从结构上比较，两者的区别在于电枢铁心的长度与直径之比，伺服电机较大，而气隙较小。因此在精密定位和宽调速范围的应用搋合，一般都选用伺服电机，当然它的价格也较高。机器人往往既有直流伺服电机，也有普通电机，应视需要和部位而定。例如自动机器人在巡线行进中需要转向(zhunxing)、速度调节、精确定位等，选用伺服电机就较为合

50、适，手遥控机器人的行进速度一般固定，精度不高，定位由人来操控，因此选用普通电机即可。对一般机器人来说，驱动的任务仅仅是在确定了机械结构并计算出所需要的速度和驱动力矩之后(zhhu)选择合适的电机和相应的控制方法，这就涉及到电机的运行特性问题。至于电机内部的具体结构，一般无须十分关心。为了保证机器人的轻巧和灵活性，所以应选用质量小、功率适宜的永磁电机。它的励磁磁通是恒定的。在控制系统中，通常用电枢电压作控制信号，电压的大小与电机转速成正3.2.2直流电机的控制(kngzh)人工(rngng)机器人上的所有执行机构均为直流电机，所以(suy)执行机构的控制就是直流电机的控制。人工机器人所有电机均需

51、要实现正反转，在不通电的时候希望有一定的静力矩来维持状态。所以选用两个继电器配合来使用，当没有信号时电机两端都接地，由于电机自身作用会比短开时拥有更大的力矩。当int1高电平是（5V），通过三极管拉第电压电磁线圈导通，coutA与电机导通形成电压，电机正转；同理当int2高电平时电机反转。图3-8 电机控制电路因此，操作手只需要操作各个单刀双掷开关的开合状态就可以控制对应执行电机的转动，从而实现各执行机构的功能。3.3舵机的控制3.3.1电机和舵机受控的参数在航模及自动控制中，舵机担当着重要的作用。舵机由无核心马达所构成，可依据接收机发出的指令，转动至定点的位置，是各个舵面的动力来源，在机器人

52、中也大量使用舵机已进行姿态的控制。标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源、地及控制。控制线输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms-2ms之间。而低电平时间应在5ms到20ms间，并不很严格。下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系：图3-9 占空比与舵机(du j)位置对应图faulhaber伺服电机pwm波的控制参数是：脉宽调制信号(xnho)（PWM）工作频率，325.5hz（注：这是实际测量(cling)值，他的说明书中标为62.5khz疑为有误）占空比50%时转速为0rpm占空比50%时转速为电机右转3.

53、3.2 mega128上pwm波的产生方法这两组pwm输出分别来自mega128上的16 位定时器/ 计数器(定时器/ 计数器1 和定时器/ 计数器3) 控制pwm的主要的寄存器分别是：定时器/ 计数器TCNTn，输出比较寄存器OCRnA/B/C。双缓冲输出比较寄存器OCRnA/B/C 一直与TCNTn 的值做比较。波形发生器用比较结果产生PWM或在输出比较引脚OCRnA/B/C输出可变频率的信号。1）首先是时钟源的选择时钟源来自预分频模块, CSn2:0: 时钟分频选择表3-1时钟分频选择表clkTn 由时钟(shzhng)选择位CSn2:0设定。当CSn2:0= 0 时，计数器停止计数。2

54、)计数(j sh)单元的使用16 位计数器映射到两个(lin )8 位I/O存储器位置：TCNTnH为高8 位，TCNTnL 为低8 位。3)确定计数器的工作模式根据WGMn3:0 与COMnx1:0 的不同设置，波形发生器用匹配信号生成不同的 图5-16 工作模式选择示意图波形。表示出了工作模式的选择单元，它又可分为：波形发生模式选择(WGMn3:0)和比较输出模式选择 (COMnx1:0)我们使用的是COMnx1:02，也就升序记数时比较匹配将清零OCnA/OCnB/OCnC ，降序记数时比较匹配将置位OCnA/OCnB/OCnC。（注意，Mnx1:0 不全为零，波形发生器的输出比较功能就

55、会重载OCnx 的通用I/O 口功能。但是OCnx 引脚的方向仍旧受控于数据方向寄存器 (DDR)。从OCnx 引脚输出有效信号之前必须通过数据方向寄存器的DDR_OCnx 将此引脚设置为输出。所以在单片机的初始化中我们把pwm的输出管脚都置为输出。）Avr主要有这几种波形发生模式：普通模式，相位修正PWM（包括8位，9位，10位），相位与频率修正PWM，CTC，快速PWM。4)相位和频率修正PWM 模式相位与频率修正PWM 模式(WGMn3:0 = 8 或9) - 以下简称相频修正PWM 模式 - 可以产生高精度的、相位与频率都准确的PWM 波形。相频修正PWM 模式基于双斜坡操作。计时器重

56、复地从BOTTOM 计到TOP，然后又从TOP 倒退回到BOTTOM。在一般的比较输出模式下，当计时器往TOP计数时若TCNTn与OCRnx匹配， OCnx将清零为低电平；而在计时器往BOTTOM计数时TCNTn与OCRnx匹配，OCnx将置位为高电平。工作于反向输出比较时则正好相反。其对称特性十分适合于电机控制。输出的PWM 频率可以通过如下公式(gngsh)计算得到： （3-5）变量(binling)N 代表分频因子 (1、 8、 64、256 或1024)。总 结 本文是在徐海波老师的课程指导(zhdo)下，结合了相关的文献，完成了移动抓取机器人的简单设计。机器人的设计，从其功能出发，不

57、仅从机械结构上满足功能要求，同时进行了电路设计，通过机电结合完成了整个设计过程。在整个设计过程中，最关键的机械结构方面主要是行走机构和抓取机构。1）在行走机构方面，综合考虑了轮式设计和履带式设计两种方案，经过分析和查阅资料，履带式机器人转弯不如车轮式灵活。在要改变方向时，须要将某一侧的履带驱动系统减速或制动来实现转弯，或者反向驱动实现车体的原地自转。但这都会使履带与路面产生相对横向滑动，不仅加大了机器人车体的能耗，还有可能损坏路面。因此最后综合考虑最终选择了轮式机构。2）在抓取机构方面，不仅要考虑抓取的可靠性，同时还要保证抓取的灵活性。因此(ync)在设计时考虑了气动夹紧和电动加紧，但气动加紧需要供应气缸气体，这样无形间增加了外界的多余因素，不仅不方便而且随时可能出现气源不足，大大影响了机器人的自主和灵活性。因此本设计采用电动加紧，不仅可以保证抓取的可靠，而且使机器人操作简单灵活。同时为了保证机器人可以抓取不同高度的物体，同样考虑设计了升降机构，采用涡轮蜗杆传动的自锁功能，保证了升降的可靠性。同时本文还综合计算了各个零部件的受力过程中的可靠性，同时根据计算选取适当的电机以及相关组件，进一步保证了设计方案的可行性，电路设计方面，查阅了大量的资料，在保证机器人质量轻和控制灵巧方面下了很大功夫，最终