毕业设计（论文）-慧鱼机器人机械手的结构设计及其控制.doc

毕业设计慧鱼机器人机械手的结构设计及其控制三号楷体学生姓名： 学号： 系 部： 机械工程系 专 业： 机械电子工程 指导教师： 二零一五年五月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 慧鱼机器人机械手的机械结构及其控制系统设计 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 学生： 指导教师（含职称）： 专业负责人： 1设计的主要任务及目标本课题要求学生以慧鱼教具作为辅助，搭建出具有实用意义或价值的机器人模型，基于模块化的方法设计并构建出中柱，手臂，机械手的基本结构，并将机械手臂和车体合理的结合起来，完成软件及硬件设计。通过仿真和模拟演示试验验证所设计系统的合理性。2主要任务（1）主要设计内容：确定机器人的任务要求和基本数据，预先拟定机器人的技术参数、驱动方案；（2）工作要求：1）在调研及多方搜集资料及毕业设计实习基础上，明确所设计题目及内容，确定机器人的任务要求和基本数据及驱动方案，并撰写开题报告一篇。2）对ROBO接口板进行初步的芯片介绍和传感器设计；3）基于模块化的方法设计并构建出中柱，手臂，机械手的基本结构，并将机械手臂和车体合理的结合起来，完成软件及硬件设计，并完成中期答辩报告一份。4）撰写毕业设计论文一篇。 3 主要参考文献1朱世强,王宣银.机器人技术及其应用M.浙江:浙江大学出版社,2001.2曲凌.慧鱼创意机器人设计与实践教程M.上海:上海交通大学出版社,20073郭洪红.工业机器人技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2006.4. 进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1确定课题，查阅相关资料，写开题报告2014.12.30前完成2工作机构和传动系统方案的拟定与分析2014.12.312015.3.13对ROBO接口板进行了解2015.3.12015.3.74对ROBO接口板进行初步介绍和传感设计2015.3.82015.3.165设计并构建出中柱，手臂，机械手的基本结构2015.3.172015.3.316完成中期答辩报告2015.4.5前完成7将机械手臂与车体结合起来，完成硬件设计2015.4.62015.4.208分别针对机械手和车进行编程调试2015.4.212015.5.59编写设计说明书2015.5.62015.5.2010作答辩准备以及答辩审核人： 年 月 日慧鱼机器人机械手的结构设计及其控制摘 要：在如今的大部分制造业中，各企业为了提高生产质量，加快生产速度，都比较重视生产的自动化。作为自动化生产的重要组成部分，工业机器人正步入被企业采纳的路途中。工业机器人的技术水平以及应用程度在一定程度上可反应一个国家的机械自动化的水平高低。就目前而言，工业机器人主要被用于一些重复性强，工作环境差，劳动性大的岗位，比如说喷涂、搬运等。本文将以慧鱼教具作为辅助，搭建具有实际意义或价值的机器人模型。基于模块化的方法设计并构建出中柱，手臂，机械手的基本结构，并将机械手臂和车体合理的结合起来，完成软件及硬件设计。通过方针和模拟演示试验验证所设计系统的合理性。关键词：工业机器人,自动化,慧鱼IStructure design and control of fischertechnik robot manipulatorAbstract：In most of todays manufacturing, various enterprises pay attention to the automation of production in order to improve the quality of production and speed up the production. As an important part of automatic production, the industrial robots is adopted by enterprises .and the level of technology and application can reflect the level of mechanical automation of one country in some degree.For now, the industrial robot is mainly used in the jobs that have repetitive strength and bad environment ,such as spraying, handling, etc.This article build a robot model that has a actual meaning based on the fischer AIDS. At the same time,I will also build the basic structure of the middle column ,robotic arm and the manipulator. And I need combine the robotic arm with the car body reasonably in order to complete the design of hardware and software. And I verified the rationality of the designed system through the principle and simulation demonstration. Keywords: Industrial robots, automation, fischerII目 录1 绪论11.1 选题背景及其意义11.2 国内外发展状况21.3 机器人的发展趋势31.4 研究目标及研究内容42 系统的总体设计52.1 系统设计的任务要求52.2 系统的运动形式62.3 机械工程车的车体方案82.4 机械手的传动方案92.4.1 机械手臂的伸缩环节传动方案102.4.2 机械手臂的升降环节传动方案112.4.3 机械手臂中柱回转环节传动方案112.5 慧鱼机器人的控制方案123 机械结构的设计133.1 机器人的驱动方式133.2 慧鱼机器人的手部设计143.2.1 机械手的手部电机的选择143.2.2 机械手的传动方案153.2.3 光电传感器的选择153.3 慧鱼机器人的手臂设计163.3.1 手臂伸缩结构的电机选择163.3.2 手臂升降结构的电机选择173.3.3 机械手臂的伸缩以及升降传动设计173.5 慧鱼机器人的车体设计183.6 慧鱼机器人的构件203.6.1 慧鱼组件中的机械元件203.6.2 慧鱼组件中的电气元件22III3.7 慧鱼机器人的机械手臂的组装234 硬件电路设计244.1 硬件的控制部分244.1.1 ROBO接口板的组成244.1.2 接口板的工作模式264.2 传感器部分275 软件系统的设计285.1 ROBO Pro的使用285.2 自动控制程序编制305.2.1 系统启动前进程序编制315.2.2 目标物检测程序编制325.2.3 返回安放程序编制335.3 手动控制程序编制336 结论与建议35参考文献36致 谢37附 录A 部分程序图38IV太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 选题背景及其意义机械工业是各国的国民装备库，是为各国经济提供基础设施的必不可少产业。不论是传统产业还是新兴产业，都离不开各式各样的机械设备，一个国家生产的机械设备的性能、质量以及成本对本国的经济发展以及技术研究水平的提高有着直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一1。“机器人”一词诞生于1910年，由捷克斯洛伐克的著名科幻小说家卡雷尔创出，原意为“劳苦的工人”。 二十世纪三四十年代，机器人更多意义上是一种自动化的机器。以至于今天，每当我们回顾为使机器人拥有人类特点而用闪光灯作为机器人的眼睛的种种尝试，总会让人忍俊不禁。局限于那时的机械水平，当时的机器人多显得笨重，并且难以操作，随着电子行业的发展，控制电路的出现，机器人才初步实现了“智能化”。直至今日，机器人的智能化任然是人类的重要研究目标。作为机器人主要研究的类型，工业机器人并不是专门为取代人类的劳动而存在的。机器人可以做到一些人类难以做到或者不适合人体工作的作业，而且比人来，机器人可以长时间的工作且能精确完美地完成各种作业，极大地提高了生产效率，方便了人们的生活。而智能机器人更可以通过更改程序，方便迅速地改变工作内容或方式，以满足生产要求变化。随着对工业生产线越来越高的柔韧性要求，对各种工业机器人的需求也越来越广泛。1964年的某一天，慧鱼机器人在德国诞生。目前为止，慧鱼创意组合模型是展现机械结构以及设备工作过程的最理想的教具。慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以在不影响模型结合的精确度的同时反复拆装，构件的工业燕尾槽设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充2。“慧鱼创意模型组合”又可叫作“慧鱼”，其包含了众多学科，包括测控、电气、机械、汽车技术、焊接、热动等传统学科领域，同时还涵盖了像机器人控制技术、新能源技术、气动传感技术、计算机控制技术等新兴学科，因此，被机械电子行业业内人员称为“工程魔方”和“智慧积木”。慧鱼创意模型组合中的各组件几乎包含了我们日常所用的所有零件，像离合器、传感器、电动机、齿轮、蜗轮蜗杆等。在用这些零部件组装完成设想的机械结构后，再添加一些必要的控制环节以及理论分析和试验即可设计出各种复杂动作的组合包，能够还原各种复杂技术工程，以及模拟出大部分工业工程中用到的大型机械设备。在学习慧鱼的过程中，我们可以对各机械结构有更深刻的认识，同时可以对一些机械装备进行模型组装，更加直观地了解机器的工作过程，结合所看所学，加深对以往所学课程的理解。慧鱼组合模型在搭建的过程中我们需要对个机构有最基础的认识才能进行下去，所以学习慧鱼机器人还能提高我们的学习能力、团队协作能力以及解决实际问题的能力。1.2 国内外发展状况20世纪50年代，机器人诞生，在短短的50多年里得到了迅速的发展。经历了第一代工业机器人的研究、实用化和普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段3。第一代机器人是指主要以示教和重现的方式工作的工业机器人。第二代机器人身上带有了一些可感知环境的装置，通过反馈控制，可在环境变换差距不大的情况下工作。第三代机器人具有部分人的特性，它可以对不同的环境做出不同的反应，对于一些突发状况，它可以通过逻辑推理，做出相应应对的动作，因此，第三代机器人又叫做智能机器人。需要提的是，目前为止，真正意义上的完美的智能机器人还并不存在，随着科技的不断进步，我们对智能机器人的定义也在不断变换，唯一不变的是，智能机器人一直是我们研究的最重要的项目之一。现代工业机器人起源于数控机床和远程控制器。1954年，美国的George.Devol 首先把数控铣床的伺服轴与远程控制器的杆结构结合起来，研制出了第一台通用的机械手4。其在机器人史上意义非凡，被称作工业机器人的起源。这中机械手可以通过编程来记录机械手所走过的各个位置，当需要时，由控制器使其运行到指定位置完成工作。而今，这种机械手早已满足不了人们的需求，为此出现了各式各样的工作形式的机器人，像直角坐标形式，球式坐标，关节坐标形式等。慧鱼创意组合模型的零件主要是六面可拼接体，接体上拥有慧鱼最得意的设计-燕尾槽，可使各个接体随心所欲地结合成你所希望的结构形状，实现你的各种思维创意。慧鱼创意组合模型在各国均有很高的地位。在美国，其被官方非盈利机构选为教学研究最理想的教学工具；在马来西亚，慧鱼模型被行政教育单位列必备的教具；截止今日，慧鱼组合模型在中国的普及率相对来说较低，但是作为最理想的教学用具，慧鱼机器人也正在被中国的教育界所认可接受。慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术，机器人技术和高新学科，教学领域等5。我国对于机器人的研究起步较晚，约于20世纪70年代末80年代初开始，直至今日已经发展了三十多个年头的研究。在刚开始的前十年，我们各自为政，各单位做各单位的，彼此间几乎没有任何交流工作，因此发展及其缓慢。在一九八五年以后，机器人项目别国家列入重点扶持的项目，机器人的研究才逐步完善起来。为了开发高新技术，我国制定了“七五”，“八五”，“九五”以及“863”计划等多个计划，机器人的研究在这些计划的扶持下取得了重大成果。在基础技术方面：我们在机器人的驱动设计，运动分析以及控制方法等技术上得到了很到的提高，并已将部分运用到实际生产中。在机器人的操作方面：我们对机器人的运动形式进行了更丰富的扩充，是机器人可以做到移动、飞行甚至潜水等动作，操作精度也得到了很大的提升。在机器人的生产方面：经过几十年的发展，我国已建造了多条机器人的生产线以及装配线，具备了批量生产机器人的能力。目前，我国的机器人研究已经跨过了起步阶段，正在向世界先进水平快速靠近。1.3 机器人的发展趋势截止到今日，机器人已在众多领域具有举足轻重的地位，各种类型的机器人被应用于各行各业。科学在不断地发展，而机器人制造工艺的各项性能水平也在不断地得到提升。从以前只能进行简单动作的工业机器人，到如今的装载有智能程序有较强智能表现的智能机器人，以及正在努力研制的具备犹如人类复杂意识般的意识化机器人，可以说机器人正在不断地向着更加高级的方向发展。就目前而言，我们所说的意识化还仅仅是简单意义上的意识化，对于未来，我们去可以大胆地猜测意识化机器人可以达到的地步，其发展趋势包括以下几个方面：（1） 语言交流功能越来越完美对于人来说，语言的交流格外重要，而机器人的发展应该向着人们所需的方向发展，所以对于未来，机器人的语言系统的完善是一个非常重要的环节。（2） 各种动作的完美化目前的机器人都有一个特点，那就是僵直笨重而且不美观。为了改善这些，未来的机器人可能会被赋有类似人类身上关节肌肉之类的组织，以在外观上更接近人的外观，并可做出人类所能甚至不能完成的动作。（3） 复原功能越发强大由于机器人的故障并不是一般人所能修理的，需要专门的技术人员，所以说未了最大化地减轻人类的负担，未来机器人的自行修复能力是我们着重的研究方向。（4） 储能将更大机器人的工作是需要消耗能量的，就目前的储能装备来看显然是不够支持机器人的长久工作，所以说未来机器人的自身储能装置也将应得到更大改善。1.4 研究目标及研究内容本文的研究目标是以慧鱼教具作为辅助，搭建出具有实际意义及价值的机器人模型，用以改善工业生产中的工人劳动强度大以及精确性问题。需要完成的任务包括：基于模块化的方法设计并构建出中柱，手臂，机械手以及工程车的基本结构，并将机械手臂和车体合理的结合起来，完成软件及硬件设计。通过方针和模拟演示试验验证所设计系统的合理性。本次设计的慧鱼模型的控制硬件为ROBO接口板，编程软件为慧鱼公司提供的专用ROBO Pro软件。本文的研究内容包括一下几个部分：（1） 根据本次设计的机器人的任务要求和基本数据预先拟定好机器人的技术参数以及驱动方案等；（2） 基于模块化的方法分别设计构建出慧鱼机器人的手爪、机械手臂、中柱以及工程车基座，并将他们结合起来；（3） 选择合适的传动机构，通过计算选择各部位合适的电机；（4） 对硬件部分的ROBO接口板以及传感器进行简单的介绍；（5） 分别对机械手以及工程车进行编程调试以完成本次设计的要求。2 系统的总体设计机电一体化结合应用机械技术和电子技术于一体，是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称6。本文所述的机械工程车系统即是一个点典型的结合了机械构建和电子控制的机电一体化系统。2.1 系统设计的任务要求一般来说，一个完整的机器人至少要包含最基础的机械部分，用于感知环境来作出变化的传感部分以及用于控制机器人的控制部分三个部分。机械手的设计同样也应包含上述三大部分，同时设计时还应依照机械手的组成原则进行，即本文所设计的机械手至少应包含驱动系统、机械系统、感知系统、控制系统、机器人环境交互系统和人机交互系统六个系统。图2.1为本文所设计的机器人系统。图2.1机器人系统组成机器人需完成的动作: 复位按预定路线到达指定位置将机械手升到最高处z左右旋转扫描检测周围的目标物体抓取目标物体或无目标物原路返回机械手降至最低处原路返回放物体到目标位置复位。根据要求及特点拟定出如下数据参数：自由度数目： 3中柱旋转度数： 180手臂伸缩长度： 240mm手臂升降高度： 320mm构建定位精度： 1mm机械手判定精度： 5mm机械手几何尺寸： 350mmx520mmx520mm工程车尺寸： 350mmx520mmx620mm本体重量： 8kg驱动系统： 直流电机2.2 系统的运动形式机器人的运动有多种形式，人们依据其工作时底座是否可以进行移动将其分为两种，一种是固定型不可移动的机器人，另一种可以进行移动的移动型机器人。事实上固定型机器人并不是说完全不能移动，其工作时可根据需要向某个方向进行移动调整，但并不是把移动作为主要运动，在移动过程中各个工作组件与机座的相对关系不变。显然，本文所研究的慧鱼机器人属于移动机器人。在作业过程中，机器人依据坐标形式的不同可分为直角坐标型机器人,圆柱坐标型机器人,球坐标型机器人以及关节坐标型机器人7。(1) 直角坐标型机器人：直角坐标型机器人的运动主要包含三个，即沿X轴方向的前后移动，沿Y轴方向的左右移动以及沿Z轴方向的上下移动。其优点是拥有较高的位置精度，控制起来比较简单，可以轻松地避过障碍物，并且各部件在控制是不会相互影响。缺点是体积庞大，不能进行大范围的动作，运动起来显得笨重，并且其移动轴的结构比较复杂。(2) 圆柱型坐标机器人：圆柱型机器人的运动主要包括机器人中柱的旋转运动，机械手的前后伸缩运动以及机械手的上下升降运动。其优点是位置精度好，控制简单，避障性好。缺点是结构复杂，难以与其他机器人协调工作。(3) 球坐标性机器人：球坐标型机器人的运动主要包括机械手的前后伸缩运动，沿手臂方向的前后摇摆运动以及围绕机器人立柱的回转性旋转运动。其优点是位置精度好，控制简单，避障性好。缺点是结构复杂，难以与其他机器人协调工作。(4) 关节坐标型机器人：此类机器人主要由前臂后臂以及中柱组成，主要通过前后臂的俯仰以及中柱的回转来控制机械手部的位置。其优点是各部件之间连接精密紧凑，工作动作灵活多变，可以很好地避开障碍物，虽然其体积小但却有很大的工作范围，并能于其他的机器人协调工作。缺点是控制时不能精确地把握其位置，并可能出现与其他部件相互影响的状况。图2.2即为上述四种类型机器人的机械结构示意图。图2.2四种坐标型式机器人的机构示意图经分析对比并从实际方面考虑，圆柱坐标型的操作灵活性以及实用性更适合工程车的各种需求，故工程车决定采用圆柱坐标型。图2.3为本文所设计的机械手臂机构简图。图2.3机械手臂总体机构简图2.3 机械工程车的车体方案本文所研究的机械工程车车体是一个典型的机电一体化结构，主要运用于承载其他机械结构并保持其稳定运行。对于车体来说，驱动环节尤其重要，选择合适的电机以及合理的装置将会使车体的性能的到很大的提高，对本文这种承载机械手的工程车来说，考虑到承载力以及动力等各方面因素，驱动环节将显得更为重要。本文选用后轮双电机驱动的方法以保证车体在运行中的稳定性，具体内容将在下文说明。图2.4为慧鱼车体的实物图。图2.4慧鱼小车实体图2.4 机械手的传动方案为使机器人各部件能够正常运转工作，各部件之间的传动是必不可少的一个环节。所谓传动是指能够使机器或者机器部件运转或运动的动力传递。常用的传动方式包括链条传动，涡轮蜗杆传动，液压气压传动，螺旋回转传动，皮带摩擦传动以及齿轮齿条传动。（1） 链传动：链传动是指机械零部件的动力或者运动通过带有特有的形状的链轮传递到其他机械零件的传动。其优点是无弹性滑动以及打滑现象，传动比较准确，工作效率比较高，承载能力比较强，可在一些温度比较高，尘土多，有污染等环境比较恶劣的环境中工作。缺点是容易磨损，极其容易被拉长，制动能力差，而且链条的做工复杂，成本较高，工作时还会产生较大的噪声。（2） 涡轮蜗杆传动：蜗轮与蜗杆通常是配合使用的，一般情况下蜗杆为主动件，蜗轮为从动件，这种传动可以变横向运动为纵向运动。其优点是工作噪音小，拥有大的传动比，主从动件之间连接紧密精凑，工作时传动比较平稳，无颠簸。缺点是工作时产生的温度高，蜗轮蜗杆的齿面比较容易磨损，传动效率不高。（3） 液压传动：液压传动一般是通过液体（液压油等）作为传动介质来传递能量的。其优点是体积小、重量轻，换向容易，磨损小、使用寿命长。缺点是工作稳定性差，传动比不精确，系统效率低，同时液压元件维护复杂，要保持工作油的清洁等等以至成本费用太高。（4） 齿轮传动：这种传动是通过齿与齿的啮合来传递动力与运动的。其优点是瞬时传动比恒定，传动比范围大，零部件之间连接精密紧凑，具有较高的传动效率。缺点是制作时如果要求精度高的话，齿轮的成本费用将会很高，而精度要求不高的话，传动时又会出现噪声大震动强烈等问题，并且若出现载荷过大的情况，齿轮不会自动停止，可能会直接崩坏。（5） 螺旋传动：这种传动式主要是通过螺纹牙面之间的旋合来完成零部件直线运动和回转运动之间的转换的。可分为滑动螺旋传动，静压螺旋传动以及滚动螺旋传动。其优点是工作平稳，噪音小，可实现较大的轴向传递，并且为高速进给以及微进给提供了可能。缺点是传动效率低，有自锁作用，并且磨损较大，成本较高。2.4.1 机械手臂的伸缩环节传动方案图2.5机械手臂伸缩环节传动简图通过对各种传动进行观察比较，并从实际角度出发，决定对机械手臂的伸缩环节采用螺旋传动的方式，该结构的结构紧凑，传动精确以及能够实现直线运动与回转运动之间的转换的优点更加适合本次的设计。结构简图如图2.5所示。2.4.2 机械手臂的升降环节传动方案图2.6机械手臂升降环节传动简图经分析研究，机械手臂的升降环节决定采用与伸缩环节相同的螺旋传动方案，传动的结构简图如图2.6所示。2.4.3 机械手臂中柱回转环节传动方案经比较分析，本次设计的机械手臂的中柱需要带动整个机械手臂的转动，而蜗杆传动的结构紧凑，传动比大以及拥有大的力矩的特点，比较适合本次设计，故中柱回转环节决定采用蜗杆传动。其中蜗杆为主动件，蜗轮为从动件，具体工作为电动机的转动先经减速器减速，带动蜗杆的转动，再由蜗杆带动蜗轮的转动以实现中柱的回转。如图2.7所示。图2.7机械手臂中柱回转环节传动简图2.5 慧鱼机器人的控制方案本文所设计的慧鱼机器人的控制方案包含两个部分，一个是硬件部分，一个是软件部分。硬件部分使用慧鱼公司的ROBO接口板，其控制动作将配合单片机使用来完成。具体情况将在下文描述。由于软件部分将采用计算机作为控制器，所以软件设计所采用的语言有很多种选择，包括C语言、VB、C+、plc等等。本文将采用慧鱼公司推荐的软件ROBO PRO。软件ROBO PRO是慧鱼公司推出的图形化和模块化的编程软件，使用时与智能接口配套，其具有语言简洁、易懂，能够直观地实现对模型的实时控制的优点。它使用图形化编程语言，用最为形象、直观的图标来表示运行的程序。运用该软件编制控制程序时快捷方便，不需手工输入繁杂的代码，大大地缩短了程序的编制和调试的周期，对设计人员各种设计思想的快速实现和对比优化有很大帮助。3 机械结构的设计3.1 机器人的驱动方式本次设计中需要动力驱动的部位包括机械手抓的开合动作，机械手臂的伸缩以及升降动作，中柱的旋转转动动作以及慧鱼小车的走动及转弯共六个动力源（其中机械工程车的左右轮各需一个以完成小车的行走以及转弯）。机器人常用的驱动方式包括电机驱动、液压驱动以及气压驱动8。电机驱动：电机驱动的优点是拥有较高的控制精度以及较快的响应速度，可实现高速高精度的控制，并且其结构紧凑，噪声小，无密封性问题，自身不会发生火灾或者爆炸问题。其缺点是控制系统复杂，本身虽无爆炸等危险但发出的电火花可能引发环境中的危险，并且成本高，维修及使用也比较复杂。一般适用于中小负载，对位置控制精度要求比较高的机械。液压驱动：液压驱动的优点是输出功率很大，利用液体的不可压缩特性可实现反应灵敏以及无级调速的控制，并且其体积小，结构紧凑，防爆性能好，维修以及使用比较方便。其缺点是密封性较差，在一定程度上容易发生漏油现象，对环境有污染，液油对环境温度有影响，容易发生火灾。一般适用于重载、低速驱动，像喷涂机器人、托运机器人这些类型的机器人。气压驱动：气压驱动的优点是输出功率大，结构适当，容易实现直接驱动，并且其体积小，结构紧凑，密封性问题小，防爆性能好，成本低，维修及使用方便。其缺点排气噪声大，由于气体的压缩性大，所以气压驱动的精度低，阻尼效果差，一定程度会出现难以控制的局面。一般适用于中小负载驱动，控制精度要求较低的机器人。通常情况下，机器人对驱动系统的要求包括以下部分：质量要尽可能的轻，输出功率要合理，效率要高，反应速度要快，能够迅速完成正反转的切换以及启动与制动，安全可靠，操作维修方便，对环境污染小，尽可能的减少空间占用以及经济合理。通过比较分析以及本次设计的实际情况的各方面考虑，决定采用电机驱动的方式对本次设计的机器人进行驱动。3.2 慧鱼机器人的手部设计3.1夹钳式机械手爪的机械手指本次设计中，作为机器人的末端执行机构机械手，是直接抓取工件或进行工程作业的部件。机械手按用途分类可分为手爪式机械手以及工具型机械手，工具型机械手主要是指进行某种作业的专业工具，比如说焊接工具，喷枪等，一般不可通用；而手爪式机械手则具有一定的通用性，但是同样只能抓取质量、形状、体积相似的工件，他的主要功能是抓取工件，握持工件和释放工件。机械手爪按加持原理又可分为机械手爪，磁力手爪以及真空类手爪。经比较研究以及从实际角度出发，本文决定采用两指夹钳式机械手爪。同时手部安装了一个光电传感器用以检测一点范围内存在的物体，以达到机械手能够自动实现寻找目标的目的。图3.1为夹钳式机械手爪的机械手指。3.2.1 机械手的手部电机的选择本次设计中，机械手爪抓取的是慧鱼公司提供的慧鱼模块。为完成要求，机械手所选的电机的功率必须大于机械手完成开合以及夹取模块所需的功率。设定所夹取的慧鱼模块的重量为0.2kg，夹取模块的部位距离轴的力矩为50mm。参考公式：F K1K2G上式中，F为机械手爪夹取模块所需的力；K1为安全系数，本次取1.2；K2为工作情况系数，综合包括惯性力在内各方面因素，K2取1.5；G为所夹取模块的重力。所以，F K1K2G=1.21.50.2kg9.8=3.528NF取4N所以M=FS=4N0.05m=0.2Nm参考公式：P=Mn/9550上式中，p为电动机的功率，单位为w；M为转矩单位为Nm；n为电动机的转速，单位为r/min。选用慧鱼组合中的小功率电机进行校核，P=1w，n=5000r/min。P=Mn/9550=0.2Nm5000r/min/9550=0.105w，远小于慧鱼组件的小功率电机的功率，所以可用其作为本次设计的机器人的手部电机。3.2.2 机械手的传动方案机械手的手指的开合以及夹紧力需由驱动源产生驱动力再通过传动机构传递过来，机械手爪通常根据传动机构的不同来命名，比如说齿轮齿条式手爪，拔杆式手爪，滑槽式手爪，重力式手爪等等。本文机器人所采用的传动机构为拔杆式传动机构。3.2.3 光电传感器的选择光电接近开关就是我们所说的光电传感器，其工作原理主要是通过光电元件转变外接的光线（红外、可见及紫外光辐射等）变化为电路中的线路的通断变化以达到控制的目的。光电检测方法具有精度高、反应快等优点，并且传感器的结构简单，可测参数多，形式灵活多样。光电检测方法具有精度高、反应快等优点，并且传感器的结构简单，可测参数多，形式灵活多样9。光电传感器根据其光电元件的不同可分为两类，一类是模拟式的光电传感器，另一类是开关式的光电传感器。而模拟式光电传感器检测物体的方法也有多种，通过穿过物体的光来改变电路的通断来完成控制的传感器被称为透射式传感器，通过物体表面的反射光来改变电路通断以完成控制的传感器被称为漫反射型传感器，通过改变透过物体照到光电传感器上的光通量来改变电路以完成控制的传感器被称为遮光型传感器。经过对比分析，本次设计决定采用模拟式光电传感器中的漫反射式光电传感器来完成手部物体的监测。3.3 慧鱼机器人的手臂设计作为机器人中的连接部件和承载外力的重要部分，机械手臂的结构、承载能力、动作精度和工作范围都会直接影响机械手的工作性能。机械手臂设计时应遵从一下要求： 机械手臂本身应具有自重轻、刚性好以及承载能力大的特点； 机械手臂运动时的惯性要小，运动平稳，所以要求其速度适中； 机械手臂的结构要紧凑，动作要灵活； 机械手臂要有较高的位置精度； 机械手臂应具有一定通用性，并且应便于维修参照总体方案中的思路，本文所设计的机械手臂具有两个自由度，可进行手臂的伸缩以及手臂的升降。传动方案以及驱动方案参照上文介绍。3.3.1 手臂伸缩结构的电机选择在机械手臂的伸缩机构中，机械手臂作伸缩运动，运动时要克服的力有启动时的惯性力以及运动时的摩擦力。参照公式:F= Fm+Fg = Fm+Ma上式中，F为机械手臂的驱动力，单位为N；Fm为运动过程中各处的摩擦力，单位为N；Fg为动作过程中的惯性力，单位为N；M为机械手臂伸缩部分的总质量，单位为kg；a为启动过程中的平均加速度，单位为m/s。本次设计中，手臂的伸缩速度设定为v=0.05m/s，速度从静止到工作速度的时间设为t=0.1s。所以a= v/t =0.05/0.1m/s2=0.5m/s2。机械手需要抓取0.2kg质量的物体，手臂的质量为3kg，所以伸缩部位的总质量为3.2kg。Fm= uFN = umg =0.13.29.8N=3.136N。上式中，摩擦系数u取0.1。故 = Fm+Fg = Fm+Ma = 3.136N+3.2x0.5N =4.736N。参考公式：P=Fv/，式中取75%。P=Fv/=4.7360.05/0.75W=0.315W，小于慧鱼公司的小功率电机的功率1w，故伸缩机构的电机可选用慧鱼公司的小功率电机（P=1w, n=5000r/min）。3.3.2 手臂升降结构的电机选择在机械手臂的升降环节中，机械手臂要完成升降动作需克服的力有三个，即手臂启动时的惯性力，运动时的摩擦力以及所有运动部件的总重量。显然，上升时的功率大于下降时，所以只需要计算上升时所需的动力即可。参考公式：F= Fm+Fg+G上式中，F机械手臂上升时所需的驱动力，单位为NFm动过程中各处的摩擦力，单位为NFg作过程中的惯性力，单位为NG运动部件的总重力，单位为N本次设计中，机械手臂的升降设为0.05m/s，从静止到工作速度的时间为0.1s。则： a=v/t=0.05/0.1m/s2=0.5m/s2G=（手臂质量+工件质量+电机质量）X9.8=（3Kg+0.2Kg+0.2Kg）X9.8=33.3 NFg= Ma =(3+0.2+0.2)kg9.8=1.7N升降结构中摩擦力较小，可忽略不计。所以 ： F= Fm+Fg+G =0+1.7N+33.3N=35N P=Fv/=350.5/0.75w=2.3w，小于慧鱼公司的大功率电机的功率2.4w，故升降机构的电机可选用慧鱼公司的大功率电机（P=2.4w, n=500r/min）。3.3.3 机械手臂的伸缩以及升降传动设计在上文中介绍各种传动方式，最终确定本次设计中机械手臂的伸缩以及升降机构的传动方案采用螺旋传动。本节将重点介绍螺旋传动。螺旋传动的原理主要是通过螺纹牙面之间的旋合来完成零部件直线运动和回转运动之间的转换的。其拥有结构简单，工作平稳，噪音小，可实现较大的轴向传递，并且为高速进给以及微进给提供了可能的优点。按照工作的特点，螺旋传动可分为传力螺旋传动、传导螺旋传动以及调整螺旋传动10。传力螺旋传动：这种螺旋传动的特性是主要以传递力为主，通过较多次数的横向转动来产生较大的轴向推力。其一般不能连续工作并且在工作中经常会被要求自锁。比如说螺旋千斤顶和螺旋压力机上的螺旋就运用的是这种螺旋传动。传导螺旋传动：这种传动一般主要是以传递运动为主的，其一般被运用在需较长时间内连续工作，工作速度较高的环境中。比如说机床的进给螺旋一般会用这种螺旋传动。调整螺旋传动：这种传动一般用于调整和固定零件以及部件之间的相对位置，不常转动，工作时经常被要求自锁，并要求具有很高的精度。比如说精密仪表微调机构的螺旋一般会用这种螺旋传动。按照螺纹之间的摩擦性质，螺旋传动可以分为两种，一种是滑动螺旋传动，另一种是滚动螺旋传动。出于滑动螺旋传动机构应用广泛，价格便宜等方面考虑，本次设计采用滑动螺旋传动作为机械手臂的传动方案。经多方面对比研究，本次设计决定采用下慧鱼公司出产的慧鱼元件中的涡轮蜗杆，具体型号数据如下表所示。蜗轮参数蜗杆参数模数m=2mm，齿数z=42模数m=2mm，齿数z=42齿顶圆直径D1=90mm齿顶圆直径d1=22mm齿根圆直径D2=80mm齿根圆直径d2=13.2mm分度圆直径D3=84mm分度圆直径d3=18mm3.5 慧鱼机器人的车体设计本次设计中，慧鱼车体主要被用于承载机械手臂并保持其稳定。为了使车体运行时更加稳定并适应运行时所处的环境，车体模型选择了5:3的长宽比例，在一定程度上可实现的工程车的稳定运行。一般情况下，工程小车的驱动方式有三种，分别是液压驱动、气压驱动以及电机驱动的方式，各种驱动的详细描述上文有介绍。本次设计中，小车所采用的驱动方式是电机驱动。在本次设计中，慧鱼工程车的驱动方案采用后轮双驱动，通过直流电机直接控制，搭配适当的电位器用以控制调节不同情况下的电机所需速度。慧鱼工程车的两个后轮为驱动轮，连接着2个直流电动机，由电动机的旋转带动车轮转动。两个后轮所连接的电动机分别独立，各不干扰，可通过控制两个电机的速度来完成工程车的直行与转弯。工程车未安装偏转轮及偏转轮的转向系统，车体前半部分为2个自由轮，转弯时，车身以及车轮的行驶宽度几乎保持恒定，可使小车在直行或者转弯时保持可靠地稳定性。甚至可实现小车的原地回转。不用复杂操作，方便快捷。图3.2工程车的俯视图与正视图图3.2为小车的正视图以及俯视图。由于小车的精度不高，所以在满足性能的同时还要考虑下经济条件。故本次设计决定采用齿轮传动，由两个慧鱼公司的大功率电机（P=2.4w, n=500r/min）进行驱动。3.6 慧鱼机器人的构件慧鱼模型的材料主要选用的是尼龙塑胶，这种材料具有不易磨损的特点。同时模型尺寸精确并可反复地自由拆卸结合而不会影响各零部件之间的精度。慧鱼组合模型中的零部件的种类很多，我们日常所用的以及在课程中所需要的零部件基本上都可在组合模型中找到，比如说机械零件中的凸轮、连杆、齿轮（直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、啮合齿轮等）、蜗轮蜗 杆、铰链、带、链条、螺杆、轴（直轴、曲轴等）、联轴器、弹簧、减速器、车轮等；电气零件中的灯泡、行程开关、传感器（光敏、热敏、磁敏等）、直流电机、PC接口板、红外线发射接收装置等；气动零件中的气缸、气管、气阀等。此处重点介绍机械元件以及电气元件，气动元件由于本次设计不会用到故不作说明。3.6.1 慧鱼组件中的机械元件图3.3齿轮与齿轮轴齿轮以及齿轮轴：慧鱼组件中所带有的齿轮的类型较为全面，有些齿轮组合还可用作蜗轮。图3.3为齿轮以及齿轮轴。图3.4六面体及楔形体六面拼接体：六面拼接体为慧鱼组件中的核心构件，也是最为特殊的构件。六面拼接体的6个面均有U形槽或凸出的小方块，二者相互配合。有时由于角度需要还需楔形体做以辅助，其角度在侧面注明。图3.4为六面体及楔形体的形状。蜗轮、蜗杆：慧鱼模型组件中的蜗轮蜗杆形式多样，除了普通的的蜗轮外，所有的外啮合齿轮也都可用作蜗轮。图3.5所示为蜗轮蜗杆的形状。图3.5蜗轮蜗杆3.6.2 慧鱼组件中的电气元件电机、灯泡：慧鱼组件中包含的电机类型有种，一种是普通的小型电机，另一种是功率相对比较大的电机；包含的灯泡同样有两种，一种是一般的普通灯泡，另一种是光照强度比较大的聚光灯泡。小型开关：慧鱼模型组件所提供的小型开关上有3个针脚：0针脚、1针脚和2针脚。其工作原理是0针脚与1针脚以及2针脚分别组合成通路开关与断路开关。当开关按键按下去时，电路的通断会发生变化，并发出数字信号“0”或“1”，PC接口板可以通过检测数字信号来完成运动部件的各种动作控制。在慧鱼模型组件 中还有一种特殊的脉冲齿轮，其拥有4个齿，该齿轮通常和小型开关配合使用，可用于精确定位运动部件的位置。光敏传感器：光敏传感器通常用于检测光源的强度，当光敏传感器接受足够强度的光线时，PC接口板上检测到的数字信号为“1”，否则检测到的数字信号为“0”。图3.6电气元件图3.6依次为小功率电机、大功率电机、灯泡、小型开关、脉冲齿轮的实物图。3.7 慧鱼机器人的机械手臂的组装截止此处，本设计以完成包含机械手，手臂，中柱在内的机械手臂的传动系统，驱动系统，机械结构等所有工作。本节将完成对机械手臂的组装。各部件的组装主要通过连杆，齿轮，蜗轮蜗杆等机构连接在一起，机械手臂部分组装后的实物图可参考图3.7图3.7机械手臂4 硬件电路设计在本次设计中，慧鱼机器人的硬件系统主要包括控制部分以及检测扫描部分。系统的主控部件是慧鱼公司所提供的ROBO接口板，可通过与计算机连接进行控制或直接将程序下载到接口板中进行控制。参测扫描部分主要是为了完成机器人的自动扫描秒。本章将对ROBO接口板以及传感元件有所介绍。4.1 硬件的控制部分本次设计的慧鱼机器人主要是由ROBO接口板进行控制的，ROBO接口板的功能是使计算机与慧鱼模型之间进行的通信，传送电脑上软件的指令。本节将详细介绍ROBO接口板。4.1.1 ROBO接口板的组成图4.1ROBO接口板ROBO接口板是慧鱼公司推荐的控制慧鱼机器人的组件，接口板上包括电源输入端口、USB接口与串口、微处理器与存储器、数字量输入I1-I8插口、输出M1-M4或O1-O8插口、模拟阻抗输入AX和AY插口、模拟电压输入A1和A2插口、距离传感器输入D1和D2插口、红外线（IR）输入接口、26针插槽以及I/O扩展板用插槽等。图4.1为ROBO接口板及各接口分布情况。l 电源输入端口电源的输入有两种形式，一种是使用慧鱼专用的9V电源适配器直接接到DC插座上；另一种是使用充电电源接到+/-插座。当使用电源适配器接DC插座时，连接充电电源的插座会自动切断。通电后，电源指示灯LED点亮。当两个绿色的LED交替闪烁时，表明接口板可以正常工作。l 微处理器与存储器ROBO接口板内部自带微型处理器以及储存器。微型处理器为型号为M30245的16位处理器，时钟频率为16MHZ，储存器包括一个128K的RAM（内存）以及一个128K的flash（闪存）。l USB接口与串口ROBO接口板与电脑的连接需通过USB接口以及串口。各接口板均拥有各自的连接电缆。USB接口兼容规范的USB1.1和以及USB2.0，拥有12MB/s的数据传输率。l 模拟阻抗输入AX与AYROBO接口板上的阻抗输入AX接口以及AY接口用于连接电位器、光敏电阻以及热敏电阻，拥有05.5k的测量范围，以及10位分辨率。l 距离传感器输入D1