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护理 机器人 行走 手臂 系统 设计

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护理机器人行走及手臂系统的设计,护理,机器人,行走,手臂,系统,设计

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护理机器人行走及手臂系统的设计 III摘 要随着老龄化的加剧和医患护理费用的增加，对能为患者与行动不便的老人等提供简单护理的机器人的需求也变得更加急切，本课题设计的护理机器人的整个过程中，综合应用所学知识，不断获取和完善相关的专业知识，达到知识的增加与能力的提高的目的。本文介绍了国内外护理机器人技术的发展现状及前景，按课题需要进行护理机器人手臂和底盘行走系统的结构设计，手臂为三自由度手臂，用电机带动扇形齿轮的啮合实现手抓的放松与夹紧，底盘行走则采用双电机带动，实现差动行驶。进行部件、电机选型并对手臂齿轮的传递强度进行计算，最后从硬件和软件两个方面设计了单片机在机械手控制中的应用。设计了单片机的控制电路，绘制了程序流程图。关键词：护理机器人，机器人手臂，行走系统，单片机ABSTRACTWith the increased of aging and the cost of doctor-patient care .The demand for simple care robot for patients of the elderly has become more urgent, Throughout the process of the design of the subject of care robot, need an integrated application of knowledge, access and improve the relevant expertise to achieve the purpose of increasing knowledge and capabilities. This article introduces the development status and prospects of the nursing robotics domestic and international , design the care robot arm and chassis walking system according to the requirement, the degree of freedom for arm is three, use the motor drive the fan gear stretch and clamp, the chassis have two-motor drives to achieve the differential driving. And finish the selection of the parts and the motors.As well as the checking of the transmission intensity of arm gears.At the last design application of the microcontroller in the robot in both hardware and software .Design of the MCU control circuit, draw the program flowchart.Key words: care robot, robot manipulator, move system, SCM 目 录1 绪论11.1 护理机器人概述11.2 课题背景及其意义11.3 国内外研究现状11.4 本课题的设计要求42 护理机器人手臂部分的设计52.1 手臂的结构设计52.2 电机的选择62.3大臂处齿轮的计算72.4大臂处同步带的计算102.5本章小结143 护理机器人底盘系统的设计153.1 底盘结构的设计153.2 底盘处电机的选择153.3 机器人底盘行走运动的简略分析164 控制系统设计174.1 引言174.2 电机介绍174.4 硬件设计264.5 软件设计294.6 本章小结325 结论33参考文献34致谢35窗体底端护理机器人行走及手臂系统的设计 351 绪论1.1 护理机器人概述此护理机器人，主要服务对象为行动不便，或者重病在床的患者。通过单片机植入预定工作程序使机器人移动、抓取物件为患者拿放所需物件，实现对患者比较简单的如帮助患者喝水、送药、进食等简单护理。本文主要做的是行走和手臂系统的设计，行走和手臂系统是护理机器人的重要组成部分。机器人手臂为三自由度，可实现大臂、小臂和手抓在同一平面内的运动。行走系统为两轮差动系统，可实现任意角度的转动。1.2 课题背景及其意义随着老龄化的加剧和医患护理费用的增加，对能为患者与行动不便的老人等提供简单护理的机器人的需求也变得更加急切，本课题的目的就是为了满足这一社会需求，设计一种为行动不便的患者提供简单护理的机器人，在为人们提供利的同时，降低有长期重症患者家庭的护理费用。 护理机器人具有巨大的发展前景,首先是因为社会老龄人口的急剧增加，导致了社会市场对护理机器人需求的增加，据统计我国现阶段花甲年龄之上的老人近十分之一，并有可能在2015年突破2亿人这会是中国发展所急需解决的问题，其中挑战性不言而喻。此外，在世界各国范围内我国残疾人口比例属于偏多的国家。可以预计，在不远的将来，随着社会生活成本的提高老年人和残疾人的护理也将会困扰着社会，必然成为社会及其家庭的沉重负担，因此如果能提供一大批护提供诸如取物、喂饭、搀扶等多种多样服务功能理机器人，必将对帮助照顾老年人和残疾人的日常生活，提高他们的生活水准，同时减少整个社会对护理消费行业的巨大投入与消耗，并且可以适当解决护理行业的发展压力。 不久的未来,服务机器人必将大量涌入人们的日常生活之中，成为一道风景。不久的未来,服务机器人必将大量涌入人们的日常生活，护理机器人是服务机器人的重要组成部分，其专业性与实用性必将使它渐进深入人们的生活，极大的为人们提供方便。1.3 国内外研究现状 根据WTEC评估结果，美国在机器人如下领域保持领先地位：机器人室外导航、机器人体系结构（控制、机构和计算的集成）、以及部分服务和个人机器人领域。日本和韩国在机器人移动技术、人形机器人和部分服务和个人机器人（包括娱乐）领域处于领先位置。欧洲在结构化环境的移动技术，包括城市交通领域保持领先。欧洲还在助老和家庭服务机器人领域资助了重大计划。澳大利亚在定位和导航的理论和应用方面具有优势。随着机械及相关行业技术的发展，适合家庭护理服务的机器人在各国的发展已经进入了飞速发展的阶段，这些机器人主要是治疗与保健类机器人。恩格耳伯格认为服务型的机器人将是以后最具有应用潜力的机器人，也因此这位机器人之父成立了TRC公司。这反应了当前机器人行业工作者的认识。目前，清洁机器人，导盲机器人，外科助手机器人，汽车加油机器人，助残机器人及家务机器人等服务机器人已经发展了一段时间，需求也正在增加。目前，基于移动机器人的机械手，是目前最先进的康复机械手，其安装在移动机器人、自主或半自主小车上，在加大机械手活动范围的同时，提高了抓取准度，适于更多的患者。S.Tachi等人在MIT日本实验室研发出了一种移动式的康复机器人MELDOG9，作为“导盲狗”以帮助盲人完成操作和搬运物体的事情；法国Evry大学研制的移动式康复机器人ARPH2，使用者可从工作站进行远程控制，使移动机器人实现定位和抓取操作。护理机械的发展中，著名的“护理助手”比较是TRC在1985开始发展并在1990销售的第一个机器人产品。目前在世界40多个医院中有。只要你按下一个按钮，发送“护士助理”就能完成病房的医疗器械和设备的转移，送饭，运送毒品的案件，报告和信件发送，运输实验样品和结果，在住院分送邮件和包裹。它大大降低了医院的开支提高了工作效率。并且它可以打开门，进入电梯，紧急时会给别人让路。十九世纪八十年代日本开发的一款名为MYISUPUN的护理机器人，它可以根据病人的命令用两个机械手轻轻抱住病人，病人从床上到汽车，送病人检查;它也可以推轮椅的病人户外活动或为病人洗澡。东京都三鹰市SEKOMUS研究所最近开发机器人名为MYISUPUN，帮助有障碍的人进行饮食。在护理人员短缺，没有足够的时间服务残疾人进食的医院很受欢迎。这主要是由于交通意外事故受伤后，颈部一偶活动的人用。不久前，日本专门的护理人员的发展设计“护理人员”护理机器人。因为在女性居多的护理人员中，力气太小，帮助病人有时将非常困难。有了这一套“护士助手”甚至比较弱的女护士可以成为“大力士”。人工神经网络的护理助理有很多传感器，分别与一个人的手臂，大腿，小腿和臀部肌肉。通过这些传感器的人体肌肉收缩的信息很快就过去了，护理服务，连接计算机的计算机发送一个信号“激活”护理服务，增强人体肌肉力量。这种气压驱动的机器人，穿上它会很安全。日本芝浦工业研究所技术部系统工程教授T.komeda和他的研究小组开发了一个帮助残疾人士的日常生活移动机器人系统。通过局域网络系统，该系统可以由多人同时用。在监视器屏幕上输入指令可以将高达3公斤食品顺利拿到残疾人面前，操作简单。护理机器人系统逐步发展，当前世界上已经有日常生活上的极其柔软系统。这一系统可在重残人处于卧床状态、身体不能自由活动的情况下通过没置在床边的护理装置（机器人部件），对重残人进行饮食照料包括从贮藏柜中拿物品等服务。长期卧床而意识健全的重残人可在病房、家庭中使用这种机器人在相应机构的配合下可实现的护理项目有体位变换、躯体移动、饮食料理、信息传递、紧急逃离等。从长远的角度看，许多规划人员认为随着老年人的数量和家庭护理的费用增加，用于个人护理的机器人需求量肯定会飞速增长。护理机器人的研究是康复工程的重要组成部分。康复就是要使残疾人与健全人同样平等地参与各种社会活动，成为人类社会中普通的一员，实现自身价值，为社会做出贡献。在这些帮助中需要工程技术及其产品技术辅助器具等实物给以支持如轮椅假肢、矫形器等。辅助器具在残疾人康复的各个环节上都起着不可缺少、无法替代的作用。1991年MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统MIT-MANUS如图1-1所示。 图1-1机器人介绍在国内，护理机械手经过50多年的发展，从总的情况来看我国生产的护理机器器械除部分科技含量较大的产品外，大多只具备国外90年代末的水平，跟国外还有一定的差距。我国学术界和企业界在863计划和国家自然科学基金等项目的支持下，先后针对各项机器人技术进行攻关，并取得大量研究成果。但值得注意的是，上述研究成果大都停留在理论研究层面，并没有将研究成果在产品技术上体现出来。从成果应用上看，我国的服务机器人主要以吸尘器机器人和教育平台为主，但现在已能够生产医用降温毯，智能输液泵，多功能医疗护理床等。“智能药丸”已开始临床实验,小型隔离病房设备研制在预防非贝中发挥了重要作用。台湾国立大学成功设计了一种应用于平面上肘关节屈/伸运动的康复机器人,利用模糊控制器，完成了准确的位置与力控制。对一定数量的正常人、偏瘫患者，进行圆形轨迹运动的临床试验中,在运动方向，给予适当的阻力由刚性参数、测得的肱二头肌、肱三头肌肌电信号，分别对运动控制能力，运动协调性进行量化评估。随后,清华大学研制了二连杆机构的复合康复装置。患者可握住机构末端手柄,由装置带动上肢，在一定面积的水平面上，完成上肢平面复合运动 ,也可固定在手臂外侧，完成肩部3个自由度的训练 。该装置具有被动训练及辅助主动训练和约束阻抗训练三个模式。研究人员通过比较康复训练期间画出圆，直线的轨迹及运动学相关数据，进行对比定性的给出患者的恢复情况。清华大学曾研制一款移动式护理机器人 ，以高位截瘫作为护理对象 ，主要用在医院病房 内或患者家中。( 1 ) 通过引入环境信息数据库和采用工作站作业的方式，减少整个系统实施上的技术难度 ( 2 )将环境设备的控制引入系统， 扩大系统的功能， 增强用户的环境控制能力( 3 )通过采用最新的多媒体技术和 Windows NT操作系统来增加系统的人一 机交互能力和系统的集成度。使机器人能在无人看护的情况下独立承担 4 8小时的患者护理工作。 在此期间它可替患者完成取药、送水、翻书、从录音机 中取放磁带，从计算机中取放磁盘(考虑国外用户需求) 、操纵室内家用电器等任务 。 护理器械总的发展趋势是体积小、功能强自动化程度高使用方便、为患者考虑得越来越周到。随着医疗卫生体制改革的深化，医疗市场竞争的加剧，如果没有合适而又有效护理器械，就何有可能会在激烈竞争的医疗市场中处于被动，甚至导致纠纷以及失去病人，甚至造成医疗过失或事故，重视护理器械的配置与更新问题，不仅是为了减轻护理人员的劳动强度与负担，也是提高医疗质量和对满足病人需要的要求。它也有助于加快我国护理学科的发展，促进我国护理器械的研制水平的提高。1.4 本课题的设计要求本课题将要完成的主要任务如下:(1) 利用三维设计软件，根据初始设计数据对其建模，进行结构设计。(2)利用三维模型，检查模型中是否存在干涉问题，得到满足设计要求的手臂及行走系统(3)对护理机器人的手臂及行走系统等部件的结构设计进行计算与校核。(4)对控制系统的设计上设计出整体电气控制方案，本机器人拟采用单片机进行控制，选取单片机型号，根据机械手的工作流程编制出单片机程序流程图。2 护理机器人手臂部分的设计2.1 手臂的结构设计本设计主要任务是完成手臂系统的结构方面设计，确定手臂的座标形式、自由度、驱动机构等。手臂系统是家庭护理机器人的重要组成部分，根据机器人的功能要求，需要三轴联动，主要完成取物、随机动作等功能。护理机器人手臂有三个自由度：肩关节、肘关节、腕关节，每个自由度的旋转使护理机器人的大臂、小臂及手抓能够在一个平面内运动，并能使手抓抓起0.5Kg的托盘；大臂长度为200mm,小臂长度150mm，手抓长度100mm。在设计中，采用扇形齿轮传动机构，以便于减少手臂运动之间的摩擦阻力，使手臂运动尽可能平衡，减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别是防止机构运动中卡死（自锁）。图2-1手臂的结构设计 本文设计的手臂传动机构中，电机输出轴与同步带相连，将转矩传到齿轮轴上。齿轮轴上通过齿轮和扇形齿轮相连输出转矩以控制下一关节的运动。其中，下爪固定，通过双螺母机械锁死固定，上抓通过电机带动扇形齿轮转动，与下抓夹紧盘子。图2-2手抓的结构设计2.2 电机的选择2.2.1 手抓处电机的选择本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为0.5Kg。常用的机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指, 设计下爪固定，通过双螺母机械锁死固定，上抓通过电机带动扇形齿轮实现转动，与下手抓夹紧盘子。手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 设腕关节总重为2Kg，重力为G=19.6N。重心心距旋转中心的距离约为30mm。在重力的作用下对肘关节产生的转矩为则对上爪所产生的力矩 （2-1）一级减速器的减速比为4，则所需电机的最小转矩为 （2-2）表2-1电机CMK233PAP手册型号相数相电流步距角保持转矩转动惯量重量驱动器重量励磁方式A度N.mKg.cmKgKgMK233PAP21.51.80.189*1070.110.05微步驱动选日本山社公司生产的微型步进电机为CMK233PAP，其提供转矩为180N*mm满足使用要求。2.2.2 大臂处电机的选择 设小臂以上总重为5Kg，重力为G=49N，所产生的力矩约为830N.mm。采用一级减速器，减速比为4。则所需电机的最小转矩为表2-2 微型步进电机SS1703E08A型号步距角接线额定电压额定电流接线电阻感应系数保持转矩电机长度旋转惯量质量SS1703E08A1.8单极1.65V0.75A2.25.50.24N.m47mm310g选日本山社公司生产的微型步进电机SS1703E08A，其提供转矩240N.mm满足使用要求。2.2.3 小臂处电机的选择 大臂处电机已满足要求，为简化设计任务，降低设计难度，大臂小臂的结构具有相似性，所以小臂处也选日本山社公司生产的微型步进电机SS1703E08A，其提供转矩240N.mm满足使用要求。2.3 大臂处齿轮的计算2.3.1 齿轮结构设计 选小齿轮的材料为40Cr，调质处理，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS。小齿轮齿数为，扇形大齿轮完整齿数为28。齿宽为8mm，模数为1mm。精度选为7级。2.3.2 齿轮强度设计按齿面接触强度设计按下式试算，即 2.32 （2-3)（1）确定公式内的各计算数值试选Kt1.3计算小齿轮传递的转矩。图2-3转矩计算取=125mm122.6mm 选取尺宽系数d1查得材料的弹性影响系数ZE189.8Mpa按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限MPa。 由下式计算应力循环次数 609701（2836510）3.4 (2-4)查得接触疲劳寿命系数:0.92；1.0计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，得 *=0.92600MPa552MPa （2-5） *=1.0550MPa550MPa （2-6）（2）计算算小齿轮分度圆直径d1，代入中较小的值于式（3-1） =19.3mm由于齿轮接触强度只与直径有关所以强度满足要求。计算齿宽与齿高之比 h=2.25m=2.251mm=2.25mmb/h=8/2.25=3.56计算载荷系数。取=1.1；直齿轮=1由表10-2查得使用系数KA=1.1查得7级精度小齿轮相对支撑非对称布置时 =1.32由b/h=3.56，=1.32查表1013查得 =1.24故载荷系数 K=KAKVKHKH=1.11.111.32=1.597 （2-7）按齿根弯曲强度设计由式 m （2-8）（1）确定公式内的计算数值由图10-20c查得小齿轮得弯曲疲劳强度极限=500Mpa；大齿轮得弯曲疲劳极限强度=380MPa由10-18查得弯曲寿命系数=0.86 =0.89计算弯曲疲劳许用应力取安全系数S=1.4 见表10-12得 =（）/S=307.14Mpa （2-9） = （）/S=241.57Mpa （2-10）计算载荷系数 K=KAKVKFKF=1.251.111.24=1.705 （2-11）查取应力校正系数由表105查得 =1.49；=1.645查取齿形系数 由表105查得 =2.58计算大、小齿轮的并加以比较 =0.01523 （2-12） =0.01756 （2-13） 大齿轮的数值大。(2)设计计算m=0.306所以齿轮弯曲强度也远远满足要求。计算中心距 a=(+)/2=20mm。 （2-14）2.4 大臂处同步带的计算 同步带也叫同步齿形带，其内侧的工作面侧成齿形，带与带轮间不会产生相对滑动，传动比恒定。本文设计初始数据为：传递功率kw；主、从动轮的转速比为2。在同步带的规格选择上面，选用梯形齿同步带进行传动。其主要结构和特点入图2-4所示。 图2-4 梯形齿同步带外形简图（1）确定同步带传动的设计功率 （2-15）式中：K-载荷修正系数，根据原动机工作类型和每日运转时间等因素查表8-7（机械设计第八版.濮良贵主编），载荷变动微小，每天工作小时10h，取K=1.2 -工作机上的电机功率 = 43w 则 （2） 确定带的型号和节距 根据和选择带型，根据同步带选型图初步选得XXL型的梯形同步带基本符合设计要求。对应节距 =3.715mm（见机械制造1989年第12期 表1）（3） 选择小带轮齿数和节圆直径在确定小带轮齿数时应注意使，查表得在的情况下XXL型同步带的最小齿数，且在带速和安装尺寸允许时，尽可能使用较大值。于是拟定。查得小带轮节圆直径。此时同步带的速度应满足： （2-16） 查得XXL型带的极限带速为代入上式得：说明小带轮节圆直径初步满足要求。（4）确定大带轮齿数和节圆直径大带轮齿数由传动比确定，本设计中=2，所以大带轮齿数；大带轮节圆直径。（5）中心距、带的节线长度、带的齿数的确定由式 （2-17） 得。初选为28mm。由式 （2-18）得 由计算结果取标准值为，对应的XXL型同步带的齿数为40齿。实际中心距应该可调整，以便获得适当的张紧力。为： (2-19)代入和得：取实际的中心距为30mm。（6） 计算基准额定功率基准额定功率为： （2-20）式中为所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为；是带宽为时的许用工作拉力，单位为N，如表所示；查机械设计手册得带宽为时的单位长度的质量，单位为，如表所示；是同步带的线速度，单位为。在计算基准额定功率前，首先要对同步带的线速度进行计算。由公式： （2-21） 将数据代入公式3-6得：满足功率传递的要求。（6）确定同步带设计功率为时所需带宽 实际所需同步带宽度为： （2-22） 式中为选定型号的基准带宽，如表所示；是小带轮啮合齿数系数，如表所示。表2-3 小带轮啮合齿数系数因为前面已求出，所以小带轮啮合齿数系数为1，代入公式3-8得：查表得最接近的标准带宽 （7）结果整理1) 带：选用XXL型同步带 2）带轮：=20 =40 3）传动中心距：精确计算，2.5 本章小结 本章对机器人手臂进行了结构设计，并对大臂处传动机构进行了校核，由于小臂处部件选择同大臂处，而小臂处转矩小、惯量低。所以在大臂处各传动部件满足传动要求和强度要求时，小臂处同步带和齿轮可不必再作校核。3 护理机器人底盘系统的设计3.1 底盘结构的设计 机器人行走方式有移动式、步行式两大类，步行式机器人可分为多足行走和两足行走等形式。例如：八足的蜘蛛机器人、还有六足、四足机器人、两足行走的仿人机器人、脚底有吸盘的爬壁机器人。移动式机器人分为：车轮式和履带式，履带式机器人适用于地面环境较差的如军用无人驾驶坦克、森林砍伐机器人，它们可以在凸凹不平的地面上行走自如；车轮式机器人只适用于地面预先平整好的区域内的才能正常运转，可用于车间的货物搬运、医院、餐厅服务等。根据护理机器人功能要求，本设计底盘采用车轮式两轮差动行走，当两个驱动电机同速驱动齿轮转动时，机器人直线行走；当驱动右轮的1号电机减速时，机器人向右转动；当驱动左轮的2号电机减速时，机器人向左转动。底盘结构如图3-1所示图3-1底盘电机结构设计3.2 底盘处电机的选择 在底盘的电机选择中，为简化底盘同时保持其控制性，选择空心杯直流电机作为驱动电机。空心杯电机属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表了电动机的发展方向。空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子。空心杯电机具有十分突出的节能、控制和拖动特性。 设电机总重50Kg，地面摩擦因数为0.12，所以机器人在行走时所受摩擦阻力f为 (3-1)即电机所需牵引力为F60N。机器人运动功能所需最大速度设计为2m/s。则机器人所需牵引功率p为 =120W (3-2)据此选择选择145W空心杯直流电机即可满足使用要求。3.3 机器人底盘行走运动的简略分析 机器人行走小车的移动系统机械结构由小车车体、两驱动轮和一随动轮组成，其运动模型如图3-2所示：图3-2机器人行走系统运动模型 在固定参考系的二维空间中运动中，机器人的位姿状态表示中，用x，y表示机器人两驱动轮轴线中点，在二维空间坐标系中的坐标，表示机器人小车前进的方向，与二维空间坐标系Fw的X轴正方向的夹角；v1，V2分别表示机器人驱动轮1和驱动轮2运动时轮心线速度，V机器人运动的线速度，表示机器人车轮运动的角速度，L表示机器人小车到两驱动轮之间的距离。假设车轮行走时与地面接触为纯滚动（忽略轮子与地面间的变形）。要想得到机器人小车在运动时的当前位姿状态，只要控制好机器人主动轮l和主动轮2运动的线速度就可以。这样就实现了当驱动右轮的1号电机时，机器人向左转动；当驱动左轮的2号电机时，机器人向右转动的功能。4 控制系统设计4.1 引言 单片机在仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域中应用广泛，使用单片机来控制护理机器人的运动既方便又实用。容易实现护理机器人的各项要求与功能。4.2 电机介绍 本文用到直流电机和步进电机两种电机，分别控制手臂的运动和底盘行走的控制。步进电机控制手臂具有较高精度的特性，直流电机控制底盘则有启动、调速性能优越，过载能力强，控制简单易行。4.2.1 步进电机的介绍与控制护理机器人的手臂摆动运动都是控制步进电机的转动来实现，通过控制步进电机的启、停和正、反转以及加减速等来实现来回运动以及速度的快慢控制。步进电动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Step motor或Stepping motor、pulse motor、stepper servo、stepper等。根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止。步进电动机广泛应用在仪器仪表、机床等设备中，对旋转角度和转速高精度控制，特别在计算机外围，软驱、打印机、绘图机等的一些装置中，步进电动机都是其传动核心。4.2.2 步进电机工作原理（1）基本原理步进电动机包括转子、定子和定子绕组。定子绕组每相的磁极上有极齿，转子与定子一样有若干个齿。当给某相定子绕组通电时，相应的两个磁极就产生磁场，与转子形成磁路。当定子的小齿与转子的小齿没有对齐时，在磁场的作用下转子将转动一定的角度，使转子与定子的极齿相齐。当按一定的规律给三相步进电动机的U、V、W这3个绕组供电，电机就能以需要的规律转动，如图4-1所示。脉冲发生器脉冲分配器 U相绕组V相驱动器U相驱动器V相绕组 W相绕组W相驱动器 图4-1三相步进电机驱动规律 步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下： 图4-2 三相反应式步进电机的结构示意图1定子 2转子 3定子绕组 图4-2是最常见的三相反应式步进电机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为E=360/40=9，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。依次类推，当三相绕组按ABCA顺序循环通电时，转子按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按ACBA顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角b为30。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算： =360/NEr （4-1）式中 Er转子齿数；N运行拍数，N=km，m为步进电机的绕组相数，k=1或2。（2）速度与启停控制当输入一个控制脉冲时，步进电机就转一步，再输入一个，它就会再转一步。脉冲的间隔时间越短，步进电机转速就越快。所以要步进电机进行调速，调整送给步进电机的脉冲频率就可以。在步进电机控制系统中，实验通过发现，信号如果变化太快，步进电机由于惯性，跟不上电信号的变化，就会产生堵转和失步。所有进电机在启动时，必须有加速阶段，在停止时则有减速阶段。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律，是整个加速过程频率变化规律的逆向过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进线一电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。步进电机的最高启动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到34KHz，而最高运行频率则可以达到N*102KHz，以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象15。 f/Hz 0 t/s 图4-3步进电机运行过程中频率运行曲线在一般的应用中，经过大量实践和反复验证，频率如按直线上升或下降，控制效果就可以满足常规的应用要求。加速时，使脉冲频率增高，减速则相反。如果使用定时器来控制电机的速度，加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从v1v2变化，如果是线性增加，则按给定的斜率加P减速；如果是突变，则按阶梯加速处理14。4.2.3直流电机的介绍与控制 直流电机即是输出或输入为直流电能的旋转电机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用，直流电机启动快，低速特性好，换向、变速方便。控制上简单可靠，安装方便。4.2.4直流电机的工作原理 直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着空气隙。小型直流电动机结构如图4-4所示4-4直流电动机结构（1）定子 定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑，定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承组成。 主磁极的作用是产生恒定、有一定的空间分布形状的气隙磁通密度。主磁极由主磁极铁心和放置在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心分成极身和极靴，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁心是用1.01.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均产生一定极性，相邻两主磁极的极性是N、S交替出现的。 直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁率效果较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，成为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，机座起支撑作用。一般直流电机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢板冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个专起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快，调速范围较高的场合。 换向极又称为附加极，换向极安装在相邻的两主磁极之间，用螺钉固定在机座上，用来改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。换向极是由换向极铁心和换向极线圈组成。换向极铁心可根据换向要求用整块钢制成，也可用厚11.5mm厚钢板或硅钢片叠成，所有的换向极线圈串联后称换向绕组，换向绕组与电枢绕组串联。换向极数目一般与主极数目相同，但在功率很小的直流电机中，只装主极数一半的换向极或不装换向极。换向极极性根据换向要求确定。 电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路连接起来。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和汇流条组成，电刷是用石墨制成的导电块，放在刷握内，用弹簧以一定的压力将它压在换向器的表面上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，刷杆装在一个可以转动的刷杆座上，成为一个整体部件。刷杆与刷杆座之间是绝缘的，以免正、负电刷短路。（2） 转子 转子又称电枢，是电机的转动部分，其作用是感应电势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换，转子由电枢铁心、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇组成。电枢铁心的作用是通过磁通(电机磁路的一部分)和嵌放电枢绕组。为减小当电机旋转时铁心中的磁通方向发生变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，叠片两面涂有绝缘漆。铁心叠片沿轴向叠装，中小型电机的电枢铁心通常直接压装在轴上;在大型电机中，由于转子直径较大，电枢铁心压装在套于轴上的转子支架上。电枢铁心冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风孔。换向器又称为整流子，由换向片组合而成，是直流电机的关键部件，也是最薄弱的部分。换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形状，换向片的燕尾部分嵌在含有云母绝缘的V型钢环内，拼成圆筒形套入钢套筒上，相邻的两换向片间以0.61.2mm的云母片作为绝缘，最后用螺旋压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组的部分与绕组引出线焊接。 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。电枢绕组安放在电枢铁心槽内，随着电枢旋转，在电枢绕组中产生感应电势;当电枢绕组中通过电流时，能与磁场作用产生电磁转矩，使电枢向一定的方向旋转。电枢绕组用圆铜线或矩形截面铜导线制成，铜线的截面积决定于线圈中通过电流的大小。在直流电机电枢槽的剖面图中，除导线本身包有绝缘外，上下层线圈间及线圈和铁心之间都必须妥善绝缘。为了防止线圈在离心力作用下甩出，在槽口处用槽楔将线圈边封在槽内，线圈伸出槽外的端接部分，用热固性无纬玻璃丝带或非磁性钢丝扎紧。槽楔可用竹片或酚醛玻璃布板制成8。4.3 系统总体方案4.3.1 系统总体规划 本文设计控制系统要用过一个单片机（初选定51单片机）控制大臂、小臂以及手抓三个部分的三个步进电机。系统主要由键盘控制模块、LED显示模块和驱动模块组成，总设计方框图如下图4-589C51单片机状态显示电 路电源及时钟电 路 复位电路 步进电机1ULN2803启动电路键盘控制电路 ULN2803启动电路步进电机2直流电机5 步进电机3ULN2803启动电路直流电机4步进电机4ULN2803启动电路 图4-5总体设计方框图4.3.2 元器件介绍 本设计中选用ATMEL公司的AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，即单片机。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机有如下特性（1）与MCS-51 兼容（2）4K字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000写/擦循环（4）数据保留时间：10年（5）全静态工作：0Hz-24Hz（6）三级程序存储器锁定（7）128*8位内部RAM（8）32可编程I/O线（9）两个16位定时器/计数器（10）5个中断源 （11）可编程串行通道（12）低功耗的闲置和掉电模式（13）片内振荡器和时钟电路 图4-6 AT89C51单片机外形图管脚功能：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，保持RST脚两个机器周期高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度12。4.3.3 芯片8255 图4-7芯片8255外形图 8255是可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道，3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255作为主机与外设的连接芯片时，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部 分、控制部分。 （1） 与CPU连接部分 ：根据定义，8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0D7。由于8255具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0A1。此外CPU要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。各信号的引脚编号如下： 数据总线DB：编号为D0D7，用于8255与CPU传送8位数据。地址总线AB：编号为A0A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。 控制总线CB：片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。当CPU要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。（2） 与外设接口部分 ：根据定义，8255有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255可同时控制24路开关。各通道的引脚编号如下： A口：编号为PA0PA7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。 B口：编号为PB0PB7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。C口：编号为PC0PC7，用于8255向外设输入输出8位并行数据，当8255工作于应答I/O方式时，C口用于应答信号的通信。（3） 控制器 ：8255将3个通道分为两组，即PA0PA7与PC4PC7组成A组，PB0PB7与PC0PC3组成B组。如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下：A组控制器：控制A口与上C口的输入与输出。 ）B组控制器：控制B口与下C口的输入与输出18。 4.4 硬件设计在本设计中，硬件电路部分主要包括控制电路、最小系统、驱动电路、三大部分。最小系统只要是为了使单片机正常工作。由开关和按键组成控制电路，按工作需要进行操作即可。驱动电路主要是对单片机输出脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。 4.4.1 控制电路 根据控制系统的要求，控制输入部分设置了启动，换向，加速和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3。按钮开关K3、K4、K5通过通、断的组合来控制脉冲的分配，分别控制脉冲信号给电机1、2、3、4、5和6，当K3得电时控制信号给电机1，K4得电时给电机2，K5得电时给电机3，当K3、K4同时得电时控制信号给电机4，当K4、K5同时得电时控制信号给电机5，当K5、K6同时得电时控制信号给电机6，其余得电方式均不能驱动电机。从而对电机实现各控制功能，控制电路如图4-8所示。在K3、K4分配提前下通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向。当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P1.0和P1.1的状态来调相应的启动和换向程序，实现电机启动和正反转。 根据步进电机的工作原理，在此电路中电机的转速控制中，由定时器的中断来实现，通过S2、S3的断开和闭合来实现该电路对电机加速度的控制，即控制外部中断。根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据与定时器的中断次数相关），以此改变步进电机的脉冲频率，从而使电机的转速发生改变。图 4-8控制电路原理图4.4.2 最小系统 单片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。 （1） 晶振电路 对89C51单片机的时钟电路设计，一般有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。在引脚XTAL1和XTAL2外部跨接石英晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷晶振器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器即内部晶振方式。由于单片机内部高增益反相放大器的作用，外接晶振，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图4-9示。电路中电容的电容值一般为30pf左右,晶振频率一般选择为12MHz或6MHz石英晶体。（2） 复位电路： 复位时单片机的初始化操作，在89C51单片机的RST引脚上加大于2个机器周期的高电平时，单片机就会复位，复位使系统在运行中受到环境干扰出现程序跑飞的时候从头开始执行系统内部的程序。本设计电路采用手动复位，通过接通一按钮开关，使单片机复位，晶振电路用30PF的电容和一12MHz晶体振荡器组成，作为整个电路的时钟频率。如图4-9示。 4-9复位及时钟振荡电路4.4.3 驱动电路 通过ULN2803构成比较多的驱动电路，由于要控制三个步进电机和两个直流电机的运动，单片机的IO口不够，通过74LS373扩展一片8255就可以满足要求，电路图如图4-10、图4-11和图4-12所示。通过单片机的P0.0P0.3输出脉冲到8255的D0D3口，再到ULN2803的1B4B口，经信号放大后从1C3C口分别输出到各电机的A、B、C三相。 4-10单片机扩展电路4-11步进电机驱动电路 4-12直流电机驱动电路4.4.4 总体电路图 把步进电机和直流电机各个部分的电路图组合，再加上前面的最小系统电路，控制电路就得到电机总电路图。 4.5 软件设计有多种方法可以使系统按要求进行工作，在控制过程中由于要对机构速度进行控制，即随时有输入加速、减速信号和方向信号的要求，所以采用中断方式时，效率最高。所以总共要完成主程序、定时器中断、外部中断0和外部中断1这4个部分的工作才能满足控制要求。主要功能为，系统初始参数的设置，启动开关的检测的主程序，当启动开关合上时开始工作，断开时系统停止工作；控制脉冲频率的定时器，用来决定步进电机的转速；系统中有两个外部中断程序，功能是完成对速度的改变。本文进行了系统工作的主程序，速度控制的定时中断程序以及外部中断程序的设计。以下是主程序、定时器中断程序和外部中断程序的设计。4.5.1 主程序设计 主程序的功能是使系统按照基本的控制操作得到相关的指令来控制系统的工作。在主程序中，主要包括系统初始值的设置、系统状态的显示，各种开关状态的检测判断。其中在设置系统的初始状态时，需要初始化定时器、外部中断；并且对P1口送初值，以决定脉冲分配方式。至于步进电机的启动速度，则由速度值存储区送的初值决定，电机起始旋转方向，则由方向值存储区送的初值决定等。主程序流程图如图4-13所示。开 始 初 始 化 显 示启动开关为0？N停止计时器 Y速度为0？ N停止计时器 Y 启动计时器 延 时 4-13主程序流程图4.5.2 定时中断设计 当给步进电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按一定规律通入电流时，步进电机才会旋转，时间间隔的长短，决定速度的快慢。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即以调节定时器的中断次数来调节时间间隔，所以在定时器中断程序中，主要就是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图4-14所示。T0中断入口 保护现场中断次数-1=0？ N Y读电机选择命令读方向指示发速度脉冲重送相关状态恢复现场中断返回 图4-14 定时中断程序流程图4.5.3 外部中断设计 在外部中断设计中，即根据按键次数来改变速度值存储区中的数据（即定时器的中断次数），通过这样来改变步进电机的输出脉冲频率，以达到改变电机的转速的目的。S2按钮是加速INT0中断，当数据值等于7时，保持原数值返回，当数据值小于7时，数据值加1后返回；S3为速度减少按钮，当原