（机械电子工程专业论文）基于仿生扫描探测系统的运动平台设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 本文首先分析了国内外仿生探测系统实验平台的发展现状，针对建设本仿生 探测系统实验平台的实验室环境和技术指标要求，设计了本项目的总体方案。 其次，提出的水平、垂直方向牵连拖动的平面曲线运动模式，很好地解决了 在铅锤平面内实现平面曲线运动的技术难点和运动干涉问题，实现了铅锤平面内 的多种曲线运动，诸如直线、抛物线、正弦波等曲线运动设计的水平运动牵引 索弹性张紧装置设计，很好地解决了柔性牵引索松紧不均匀问题，实现了仿生模 块的启动、运动的可靠性和平稳性。 第三，设计并实现了仿生探测系统实验平台的硬件电路包括有以单片机为 核心的控制模块、键盘与按钮输入模块、显示模块、电平保护模块、通信接口模 块等。 第四，设计了该系统控制算法，为了解决启动与加速运动时的错步问题，提 出了基于经验算法的位置补偿算法，利用实验积累的经验，设计并改进了控制系 统软件。 最后，通过调试和实验，验证了本仿生探测系统实验平台的控制系统设计合 理、仿生模块运动可靠，实现了速度在o 1 5 m s 的范围可调控的任意平面曲线运 动。 i 关键字】：仿生实验平台，曲线运动，机构设计，控制算法 北京交通大学硕士学位论文 a b s 觚c t t h ep i p 盯锄a l y z 鹤d c v e l o p m 龃ts i 删o f b i o n i c 出忙c t m gs y g t c mm o t i o np l 锄“b rd o m 锚t i c 柚d 枷g n m 咖t h e 硎f o r m e h b 伽啊r 伽m ta n d t e c h n i c a l 协曜鸭柚d d 鹤i 粤弱l h e p l 雅f b r m e 酬e c l t h e 肼i p 盱p l o p o s 嚣p l 锄tm o t i 锄m o d ef o rm eh 删咖t a l 蛐dv 确c a l 蜥v e l y 出锄l g n l v 馏 l h ct e c t m 娩l 柚dm o h 蛳i l l t e r f 妇p r o b i 锄o f 删e v i l l gc 眦v 鹤m o 吐o n 缸i 唧g h tp l a n e ，埔a i i 乃e v 啊a lc 啦、，嚣m o 咖鲫c h 勰蚰a i g h t1 妇，球眦l b o l a 柚ds i n ew a v 邑t h eh m i z o n t a it e n s t 障t c h i n g f o p ce 印i p l n tr 晰i 懈忙t e n 辩a s ) 咖鲥cp b l 锄f o rn e x i b l e 蚰讹h i l i gf o p c 柚dt h eb i o n i c m o d u l e 撇l i 猫s 酬晡“t y 衄dr e l i a b i l i 哆 t h 鼬，t h ep a p 口d c s i 孕璩柚dc a r r i a mt h eh a f d w a 坞c 蛔m i to fn 】忙s y s t 锄i tj n c l u d 嚣c 的i m o d i 】惦峭i i l gs i l l g 【e - c h i p m p u 衄。秘r e j 】l o nm o d i l l ed b o u tk e yb o a i da n db u t t o n ，d i 印l a y m o d i i l e ，v o l t a g el 佻lp f o t e c tm o d l l l e ，c 。咀1 m u n i a a d 蚰j n t e r f h m o d u l e a n ds oo m h a d d i 廿o n l h c 弹i p 盯d 鹳i 粤蝎t h ec 自la l g o f i l h mt o 地s 0 1 v e 艟s t e o p 删锄i ns t a r ta n d c d e 糟t es t a g e i tp m 如州眦t h ep o s i d 衄伽咖p 姐s a 矗o na l g 耐t h m ，u s i l l g | p e d e n c u m 山a t e d j n 麟p 耐m 锄锄d “h 勰d e 8 i 印c d 锄d i l 玎d v 。d t h e c 州s y s t e m 舢删溉 f i n a l l y ，u g h 血b | l g g i n ga n d 麟p e d m e n 乜，w eh v ep r o v e d 血砒t b cs y s 妇ni sr s a b 惦锄d t h eb i i cm o d u i 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题；特别是发达国家更是投入了大量资金和人力，抢先开展了多方面的研究和产 品生产，获得了惊人的进展。 随着生物技术的发展，在彻底弄清生物系统的工作原理后，通过基因技术、 生物分子工程技术对生物分子的改造，运用生物分子电子技术等主动仿生学方法， 一定能制出功能优于生物结构更紧凑、体积更小的各种信息探测装置。目前，美 国、日本、欧洲、俄罗斯正在努力向主动仿生技术发展。 在国内，仿生技术也受到了学术界和工业界越来越多的重视。国家自然科学 基金几乎每年都有相关的资助项目。仿生学是当今国内外研究的热点学科之一， 在当前情况下进行仿生技术的研究具有非常重要的意义，特别是在我国仿生技术 研究进展缓慢的情况下，这一问题显得更为迫切【l j 。 仿生技术是直接面向国民经济和国防科技发展的实际需求，以仿生学为理论 基础，综合生物物理学、光学、声学、微电子学、机器人技术、微机电技术、传 感器技术、计算机技术、模式识别、人工智能等多门基础科学和工程技术科学所 形成的一门交叉、边缘、新兴学科。为智能机器系统和武器系统的研制开辟新的 研究思路、提供新的工作原理和技术途径，在军用和民用领域同样具有广阔的应 用前景【2 】。主要研究方向有： 1 仿生机器人技术：主要研究仿生机器人，包括仿生机器人总体结构与优化 技术，仿人形机器人运动规划与仿真系统、仿人形机器人的感知技术、基于多传 感器的环境自适应技术。 2 智能系统群体通讯与协调技术：主要研究智能无人移动平台及机器人问的 通讯与协调作业，包括多智能系统间的信息传递、信息获取及信息理解技术，智 能决策与规划技术，协调作业控制技术，人机交互与遥操作技术。 3 仿生感知与信息处理技术：主要研究信息获取与利用技术，主要包括视觉 北京交通大学硕士学位论文1 引言 仿生探测技术，听觉仿生探测技术，力觉、触觉处理技术，复杂环境下多信息获 取与融合技术。 实践证明，仿生探测不仅可以获得目标的更全面的信息，而且能更有效地利 用目标的敏感信息，这对于解决现代战争对各种制导武器提出的高要求：高效能、 快速反应、高瞄准精度、低成本、完备的武器系统，奠定了可实现的基础，利用 仿生技术制造的各种信息收集系统，易于实现高分辨率的信息获取、特大容量的 信息传输、超高密度的信息存储、特快速度的信息处理等，从而可以大幅度提高 探测、监视和导航能力，为在复杂战场环境下高精度命中目标要害部位和抗干扰 的性能先进的武器的实现提供了可能p 】 所以研究仿生探测技术是必要的，而且对实现武器大跨越发展具有重要意义， 必将成为实现精确打击、提高弹药作战威力、大幅度提高武器毁伤概率和实现武 器系统全自动化的关键技术之一，仿生探测技术必将成为一种技术发展主流【4 l 。 正是在这样的大前提下。根据实际的测试需要，提出了本课题。这个课题的 完成将给仿生探测技术提供探测的基础平台，为仿生探测提供实验的设备，最后 制成的设备，将针对探测扫描仪器的性能检测准确性，方便性和可重复性的要求， 应用于各种运动路径下的仿生探测，这必将推动并促进仿生探测技术的发展，并 对仿生探测技术的研究有着重大的意义。由于设计时采用了模块化设计，产品不 仅可用于仿生探测的实验，还可以用于类似的实验研究，产品可以多次利用。 本仿生运动平台是应用于仿生感知与信息处理技术，主要用于信息的获取， 属于视觉仿生探测技术，平台提供了视觉仿生探头探测实验以多种运动，在实践 应用中有重要的价值。 1 2 国内外相关设备的研究概况 国内外目前与本课题相类似的竖直平面运动平台有成熟的产品也有为实验室 设计的实验设备，在生活中较为人们所知的有龙门吊、墙面清理机器人【5 】等。在国 内，从事运动实验设备研究的老师或单位不少，其中大部份的研究者都以软件显 示仿真为主。 至于运动平台的研发单位较少，包括电子科技大学，上海交通大学、台湾大 学造船系、台湾科技大学及中山科学研究院等，它们的研究成果没有有针对性地 与仿生技术结合。电子科技大学机械电子工程学院研发的应用于微波暗室的运动 平台，有上海交通大学的先进制造中心研制的气浮) ( y 两坐标平面运动平台，在台 大造船系研发出一个三自由度( 三轴) 模拟机用于模拟船舶的横摇、纵摇、起伏 2 北京交通大学硕士学位论文1 引言 运动。台湾大学机械系制作的一个液压式六轴运动平台以模拟炮台的射击运动及 后坐力。台湾科技大学制作一个三轴运动平台以作为坦克车的驾驶模拟。中大机 械系的二轴运动平台是为了起重机的模拟而设计的。新竹交大机械系也设计了一 个由马达驱动的六轴运动平台，主要用于研究及教学用途。就国内产业界而言， 目前主要有几家公司致力于动感平台的生产。首先是台北仲成仪器股份有限公司 的多臂伺服装置控制与感测系统。此系统由于是以马达驱动，目前应用是以作为 研究和教学工具为主。另一专门生产动感运动平台系统的公司是美新科技公司， 主要产是专供娱乐用途的三轴运动平台并已与电脑动画互动整合成为动感游戏 机 在国外，8 0 年代中期，瑞典道路交通研究中心开发出了有四个自由度的液压 运动平台、支持复杂车辆模型的驾驶模拟器系统，该平台和一个可以摆动的工作 台相连。自上世纪8 0 年代末、9 0 年代初以来，美国、日本、俄罗斯、意大利、德 国以及欧洲的各大公司相继推出各种6 自由度并联运动平台，广泛应用于航空、 航海、车辆驾驶等领域1 6 】。 从以上资料可见，运动平台的研究已经开展了很久，也有很广阔的应用基础， 但针对仿生运动的垂直运动设备基本上没有见到书面的描述，因此我们需要针对 这种新的应用背景提出新的解决方案。 1 3 本论文的研究内容及关键技术 为了给仿生探测研究创造一个有利的实验设备，我课题组受委托设计制造一 个用于模拟仿生探测运动的实验平台，该仿生扫描探测运动系统开发平台的设计 是为军工产品的仿生探测研究提供一个模拟实验的设备。该平台将模拟一些仿生 探测模块的运动方式，测试其在不同轨迹、速度以及加速度的情况下，探讨仿生 探测模块的作用模式和作用机理。 l 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 仿生扫描探测运动系统实验平台研制 产品图及技术文件设计： a 系统架构设计； b 平面曲线运动子系统设计； c 驱动机构设计； d 轨道车设计。 系统制造、安装与调试； 北京交通大学硕士学位论文 1 引言 ( 2 ) 控制子系统的软、硬件设计与实现。 2 本课题的关键技术： 该仿生探测平台作为仿生扫描探测实验的基础，也是机械设计和智能控制的 结合，在实现课题所提出的要求和指标的过程中必须解决以下几个方面的关键技 术： ( 1 ) 仿生模块平面曲线运动的运动方案优化设计； ( 2 ) 平面曲线运动的算法设计； ( 3 ) 控制予系统的软、硬件设计与实现； 4 北京交通大学硕士学位论文2 运动平台总体设计 2 1 运动平台性能指标 2 运动平台总体设计 该仿生扫描探测运动系统开发平台的设计是为军工产品的仿生探测研究提供 一个模拟实验平台。该平台将模拟一些生物体的某些典型运动状态，为仿生探测 研究提供一个有效的实验环境。 该课题的实验室条件和设计要求如下： l 本实验要求在室内进行，在一个高约o 8 m 的实验台上建立一个在铅垂平 面内做任意平面运动的仿生实验平台，有效空间的长宽高为2 o 5 2 ( m 3 ) 2 仿生模块质量为8 0 克左右，仿生模块在系统内可拆卸装配。 3 仿生模块可在铅垂平面内做任意平面曲线运动，实现其运动速度在 肛1 5 i n s 范围内连续可调，分解到x 、y 轴的对应速度分别为肛1 1 m s 。 4 背景要求简洁明快，以获得良好的仿生模块探测信号和其运动状态的拍摄 效果。 2 2 总体方案设计 总体方案设计包括机械运动系统和控制系统两部分。 2 2 1 机械运动系统方案设计 根据仿生探测运动系统开发平台的实验要求，在机械设计部分初步提出以下 三种方案： ( 1 ) 方案一：无线控制的任意平面曲线运动模式。 这是一种理想平面曲线运动模式，模块可以在平面内自主自由地移动，可通 过无线遥控的模式实现。但这种方案通常在水平面内容易实现，在铅垂平面内较 难实现，且需要利用磁悬浮技术【7 】。该运动方案示意图如图2 1 所示。 ( 2 ) 方案二：水平、垂直方向独立拖动的平面曲线运动模式。 仿生模块及其联接体由沿x 、y 轴的两个柔性索带动，柔性索两端连接于滑动 5 北京交通大学硕士学位论文2 运动平台总体设计 支架上，滑动支架分别沿水平和铅垂的导轨运动，两方向上的运动分别受各自的 电机控制。仿生模块联接体通过两个轴承分别与x 、y 方向的柔性索连接，仿生 模块联接体的轴承相对于柔性索发生相对滚动和滑动，以消除x 、y 方向运动时 的干涉，通过控制x 、y 方向的运动速度，使其合成为任意的平面曲线运动。其 运动方案示意图见图2 2 运动平面 控制台 图2 1无线控制的任意平面曲线运动方案 嘞0 唑 j 坚 个忒尸 首 椭衫 ：s 竺竺 懈卢 斟竺 _ 一 0 图2 2 水平、垂直方向独立拖动的平面曲线运动模式图 6 北京交通大学硕士学位论文 2 运动平台总体设计 ( 3 ) 方案三：水平、垂直方向牵连拖动的平面曲线运动模式。 该运动模式为：a ) 固定在运动支架左上方的电机，通过滑轮组系由柔性牵引 索拖动滑车沿导轨作水平直线运动；b ) 仿生模块通过柔性牵引索与固定在滑车上 的另一电机联接在一起，通过该电机带动仿生模块作垂直方向的直线运动；c ) 两 者合成可实现铅垂平面内的任意曲线运动，运动方案示意图如图2 3 所示。 图2 3 水平、垂直方向牵连拖动的平面曲线运动 ( 4 ) 方案可行性分析 以上三个方案，考虑到系统的稳定性和设计的复杂度，以及背景设计的简洁 情况进行优化选择，对其进行了综合性能分析比较见表l 。 表l 多方案设计性能比较表 序 雌能 经济性与 号 方案 主要功能 结构性背景设计运动性能 可靠性 任意平 ( 1 ) 在运动 ( 1 ) 结构复( 1 ) ) 运动性( 1 ) 成本 面曲线平面内，速杂；( 2 ) 在能良好；高； 运动方度、方向可铅垂平面内 设备庞大， ( 2 ) 方向、速( 2 ) 难实 案随机调整；运动需应用度、加速度等现 l背景较简 ( 2 ) 对方向磁悬浮等高 洁。 均可以随时调 无限制，对尖端技术；整 速度、加速( 3 ) 技术难 度有要求度大 7 北京交通大学硕士学位论文2 运动平台总体设计 水平、垂 ( 1 ) 在运动 ( 1 ) 结构复 ( 1 ) 运动性能( 1 ) 成本 直方向平面内，速杂；一般；较高； 独立拖度、方向根( 2 ) 在运动 连杆一直存 ( 2 ) 方向、速( 2 ) 可靠 动的平据拟定的公过程中拉索 在于背景 度、加速度等性较低 2面曲线 式运动；带动模块运 中，不可能 需要预先设 运动模( 2 ) 对方动， 太简洁。 定；( 3 ) 但两 式向、速度有( 3 ) 用两台方向的运动可 一定限制电机分别两能发生干涉。 方向运动 水平、垂 ( 1 ) 在运动( 1 ) 结构简( 1 ) 运动性能( 1 ) 成本 直方向平面内，速单；( 2 ) 在较好； 低； 牵连拖 度、方向根 运动过程中( 2 ) 方向、速( 2 ) 易实 动的平据拟定的公滑车运动带度、加速度等现 面曲线式运动；动横坐标运 背景明快简 需要预先设( 3 ) 可靠 3运动模( 2 ) 对方动，纵坐标 洁 定；性较高 式向、速度有运动由绳索( 3 ) 但由于绳 一定限制带动；索联系模块， ( 3 ) 两电机运动中可能存 分别控制两在轻微摆动 方向运动 通过对三种设计方案的比较分析，可以看出方案3 的显著优点是： 1 ) 机械和控制系统设计简单； 2 ) 能灵活实现仿生模块的任意平面曲线运动； 3 ) 背景简洁明快，对仿生探测干扰小。 结合实验室的环境和条件，并咨询了同行专家和使用单位的意见后，认为方 案3 的结构设计较为简单，易于实现，背景也不太复杂，并能可靠地解决运动干 涉的问题，具有运动平稳性较好，技术难度相对较小，成本较低的优点。因此本 课题决定采用第3 种设计方案。 北京交通大学硕士学位论文 2 运动平台总体设计 2 2 2 控制系统方案设计 ( 1 ) 控制模式的选择 实现探测运动平台的自动控制方式可以有两种：开环控制系统和闭环控制系 统。 a ) 开环控制系统 开环控制是最简单的一种控制方式，其特点是：控制量与输出量之间仅有前 向通路，而没有反馈通路。即输出量不能对控制量产生影响。 优点：结构简单、容易维护、成本低 缺点：控制精度取决于执行器的精度，对执行器的要求比较高。由于输出量 不能反馈回来影响控制量，所以输出量受扰动信号的影响比较大，系统的抗干扰 能力差。 适用于：输入量已知，控制精度要求不高，扰动作用不大的情况。 b ) 闭环控制系统 在开环控制系统的基础上，在输出量与控制量之间增加一条反馈通路，即构 成闭环控制系统。 特点：控制量与输出量之间不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，而且 还有一条从输出端到输入端的反馈通路。输出量通过传感器反馈到控制器，与输 入信号比较后得到偏差信号用以调整控制器输出的控制量，以达到满意的控制效 果。闭环控制又称为反馈控制。 优点：系统的输出量能够自动地跟踪输入的给定量，抑制了环境扰动信号的 影响，控制精度较高。同时，也可降低对执行器的精度要求。 缺点：结构较复杂，成本较高。 适用于：环境扰动较严重，控制精度要求较高的情况f s 】。 c ) 控制模式的确定 本实验平台要求运动速度和运动轨迹曲线多样化，但对其运动速度精度要求 不太高，因此控制部分设计确定为开环控制，它的控制流程图如图2 4 所示。 图2 4控制流程图 9 北京交通大学硕士学位论文2 运动平台总体设计 ( 2 ) 控制系统方案设计 本运动平台系统由基于单片机的控制中心单元、微机接口模块、光耦隔离模 块、驱动模块、手动控制模块、手自动控制模块、数据输入模块与l c d 显示模块、 电机驱动模块等组成，其控制系统方案示意图见图2 5 图2 5控制系统方案示意图 控制中心单元用于控制驱动模块、数据输入模块与l c d 显示模块。 微机接口模块实现微处理器与微机的连接与数据交换，使得微机对微处理的 控制得以实现。光耦隔离模块用于解决输入输出带来的干扰。 驱动模块由水平牵引系统驱动和垂直牵引系统驱动两部分构成，通过电机细 分装置，消除了电机的低频振荡，提高了电机的分辨率。 手动控制模块将从位置调整键得到的模拟量转换成平稳的数字量，并且可对 其输出的脉冲进行脉宽调制。 l o 北京交通大学硕士学位论文 3 机械运动系统设计 3 机械运动系统设计 3 1 系统的组成和作用原理 3 1 1 系统的组成 仿生探测扫描系统实验平台主要由机械运动系统和控制箱两大部分组成，其 加工完成的实物照片见图3 1 所示。该实验平台的外形尺寸为1 9 0 0 3 5 1 8 6 0 删皿3 ( 长宽高) ，滑车的尺寸为1 2 0 8 0 1 0 0 删n 3 ，控制箱尺寸为2 5 2 2 3 5 1 2 2 蚴3 。 机械运动系统包括水平牵引运动系统和垂直牵引运动系统两部分。水平牵引 运动系统由运动支架、电机、滑车、直线滑轨、滑轮组件、滑车牵引索和弹性调 整装置等机构组成。垂直牵引运动系统由固定在滑车上的另一电机、滑轮、仿生 模块牵引索和仿生模块等机构组成。 图3 1 仿生探测扫描系统实验平台实物照片图 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 控制箱包含了电源、显示器、电机驱动器、控制电路板、脉冲发生器、输入键 盘和仿生模块位置调整按钮盘等模块，各功能模块位置分布的实物照片如图3 2 所 示。控制箱的前表面为控制面板，提供输入输出的界面；输出模块为液晶显示器， 显示输入参数和运行状态；输入模块由仿生模块位置调整按钮盘和输入键盘两部 分构成，仿生模块位置调整按钮盘用于调整仿生模块的初始位置，输入键盘可实 现对运动初始参数的设置。 图3 2 控制箱内各功能模块分布实物照片图 3 1 2 系统的作用原理 水平牵引运动系统的作用原理是：固定在运动支架左上方的电机输出扭矩， 通过滑轮组件、滑车牵引索传递牵引力，拖动滑车沿直线滑轨可作水平往复直线 运动，弹性张紧装置可调节柔性牵引索的张紧程度，以保证系统运动的平稳性和 可靠性。 垂直牵引运动系统的作用原理是：固定在滑车上的另一电机输出扭矩，通过 电机滑轮、仿生模块牵引索传递牵引力，拖动仿生模块在铅垂面内可作上下往复 直线运动。 铅垂面内平面曲线运动的合成：仿生模块一方面由垂直牵引运动系统拖动的 上下往复直线运动，另一方面有跟随滑车做水平牵连运动，两者合成使仿生模块 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 在铅垂面内实现任意平面曲线运动。 3 2 运动支架设计 运动支架设计也是仿生探测系统实验平台的重要组成部分，直接用于支撑直 线滑轨、滑车、电机及滑轮组件等，这要求它有一定的强度，而且能够保证自身 的稳定性。我们在设计过程中考虑了两种方案：一种是一体式的，这样的结构强 度好，稳定性有保证，但是运输和维护起来会比较困难；另一种是组合式的，它 由螺栓连接，强度没有前一种的好，而且稳定性不好保证，但是运输和维护起来 会相对方便。两种方案各有利弊，但是由于稳定性应为优先考虑条件，而零件加 工难度也作为参考条件时，选择第一种的方案更为合适方案对比分析表如表2 所示。 表2 方案对比分析表 i 结构强度稳定性运输和维护零件加工难度 i一体式好好较难易 i组合式一般差易难 1 选择材料 选择支架结构的材料，考虑到支架要求结实可靠，初步拟订了从以下三种材 料中挑选钥材料，铝合金材料，钛合金材料。对材料的各方面性能分析对比 如下： 钢材料是工程技术中最重要、用量最大的金属材料。冶炼方便、加工容易、 价格低廉，而且在多数情况下能满足使用要求，所以应用十分普遍。在碳钢的基 础上加入一种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些 特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性等掣9 】。 铝合金材料的突出特点是密度小、强度高。它在加入了不同的金属成分后会 具有不同的特点。一般说来，它延展性好、塑性高、重量轻，并具有良好的耐蚀 性和塑性，但其强度和硬度相对较低。 钛是容易钝化的金属，因此钛合金材料有优异的耐蚀性，只能被氢氟酸和中 等浓度的强碱溶液所侵蚀，而且合金材料机械性能强，可塑性好，易于加工。但 是目前钛的价格较昂贵，难以获得，也限制了它的广泛使用【i o 】。 出于实际情况考虑，设备放置在实验室，环境不是特别的恶劣，支撑架不需 要特别好的抗腐蚀能力，加上钛合金材料较贵，因此排除了钛合金材料。再对钢、 1 3 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 铝材料进行比较，由于该运动支架主要用于支撑重量和结构的抗冲击强度，选择 钢材料非常合适。钢型材种类多，型号全，对加工与焊接的要求也不高。 2 选择型材 根据背景要求简洁的条件，电线不能出现在模块运动范围内，那么电线的放 置就需要被考虑在支架设计里头。解决了部分电线的放置问题，槽钢可以把电线 藏在槽钢的槽里，而且装配后比较美观，因此选择槽钢作为支架型材。 槽钢的尺寸不能过大，尺寸过大自重就会随之增加，可能会对实验台造成负 担过大的危险，而且对自身的平衡也加大了难度；但是也不能过小，自重过小不 能承受重量，那么安装上导轨和滑车就可能出问题( 诸如横梁由于导轨和滑车的 重力发生形变l i l 】) ，而且在运动出现震动或者撞击的情况下摇摆会更加严重。在估 计了滑车运动的撞击力和支撑架横梁的重量后，选择了5 0 + 3 7 4 5 【1 2 】的槽钢，经过 实验表明：在运行过程中，滑车对架构的冲撞而引发的摇摆基本可以忽略不计。 原有的实验空间为高2 m 、宽2 m ，深o 5 米的正方形垂直空间，这个空间位于 一个宽约o 8 m 的实验台上，在利用这个空问时，还需要保证模块的运动空间能达 到要求，又不会在搬运、安置等环节出现问题。因此，支撑架的高度定为1 7 m ， 这样就留出了3 0 锄的余量，除去滑车的高度有2 2 c m 可以进行一些对滑车内部器 件的维护工作而宽度设计为1 8 m ，这样在搬运上平台的过程中也留出了回旋的 余地。 此时的构架是一种平面框架，能够用于抵抗诸如滑车重量、滑车撞击产生的 荷载。在理论上讲，如果载荷与框架完全对称，则作用于水平的载荷f x 和竖向的 载荷f v 时此框架是稳定的，如图3 3 所示。但是任何前后向( 即z 方向) 荷载f z 图3 3 运动支架的受力分析图 或轻微的不平衡都将使框架倾斜失稳，因此为了保证支架的稳定，在支架底部加 1 4 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 上支座，并加上了前后两个三角钢的支撑。这样的形状能够保证它发生前后摆动 的时候，不会有倾倒的危险【b j 另考虑到可能出现实验台台面不平的情况，预先 在底板上留了螺钉孔，可将运动平台铆接在实验台上，以增强支架的稳定性最 后加工完成的支架底部结构如图3 4 所示。 图3 4 支架的底部支撑结构实物照片图 3 3 机械运动系统的设计 3 3 1 运动系统设计 该运动系统由水平牵引运动系统和垂直牵引运动系统组成，如图3 5 所示。滑 车的尺寸为1 2 0 8 0 1 0 0 姗【n 3 。 图3 5 运动子系统示意图 1 5 引索 轮组件 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 驱动滑车在水平方向( x 轴) 运动的电机放置在运动支架的左上方，通过电机 与滑轮组件l 、滑车、直线滑轨、滑车牵引索、滑轮组件和牵引索弹性张紧装置等 机构组成了滑车在水平方向的往复直线运动系统。 驱动仿生模块在垂直方向( y 轴) 运动的电机放置在滑车里，通过电机与滑轮 组件2 、仿生模块牵引索和仿生模块等机构组成了仿生模块沿y 轴方向的往复直线 运动系统，同时仿生模块随同滑车作牵连运动。 3 3 2 动力子系统设计 l 水平、垂直牵引运动系统的动力子系统设计 动力子系统设计主要包括确定电动机的额定转矩、功率以及电机类型等。其 具体思路如下：首先，选择电动机的类型，然后比较电动机的机械特性与负载特 性，看它们是否吻合，并在此基础上检查是否满足调速范围与精度，同时也要兼 顾到经济实用性的问题：其次，便可以开始计算电动机功率，进行起动转矩过载 倍数及加速转矩校验等。如过校验不通过，可以减小功率数或改用f s n 小的电机。 或者，在满足加速度要求下，看能否通过减小加速转矩来满足上述要求。按照以 上思路，我们首先进行了电机类型的选择，根据需要先后比较分析了直流电机、 交流电机、直流伺服电机和步进电机等几种电机。 ( 1 ) 电机类型比较分析 直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力等特点，在启动 和调速要求高的场合下得到了广泛的使用。 交流电机结构简单、价格便宜、制造方便、维修容易等优点，但是它的速度 控制精度不高，若由单片机采用p w m ( 脉冲控制) 控制，它的速度不能连续性可 调。 直流伺服电机具有直流电机的一般特点，它也有自己的特点，主要是它的快 速响应性好以及机械特性线度好，因而它在快速响应系统中一般作为伺服执行元 件。 步进电机具有快速启动，精确步进以及能够直接接收数字量的特点，并且控 制线路简单，使用方便、可靠，很容易和其它数字器件进行接口。所以使其在定 位场合中得到了广泛的运用【l ”。 通过上述比较分析，根据本系统的实际应用情况，它可以用脉冲信号直接进 行开环定位控制，而无需位置或速度传感器，步进电机的工作特点恰好符合此要 求。所以本课题决定选用步进电机。 1 6 北京交通大学硕士学位论文 3 机械运动系统设计 ( 2 ) 步进电机型号确定 1 ) 计算控制x 、y 轴的负载： 对控制y 轴的电机比较好计算，只需要考虑悬挂重物的重力以及机械传动比， 这里的机械传动比很高，因为电机轴与带动悬挂物的轮是紧密配合的，经过计算 f y 吃5 n 。对x 轴的计算要相对复杂一些，因为它的机械传动比需要做较为精确的 估计，最后参考了机械手册和一些经验，确定了传动比为o 6 ，这样对摩擦力和柔 性牵引索索的拉力进行计算，最后得到了f x _ 1 3 7 n 的结果。 2 ) 选型 步进电机有步距角( 涉及到相数) 、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三 大要素确定，步进电机的型号便也确定 a 、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率( 当量) 换算到 电机轴上，每个当量电机应走多少角度( 包括减速) 电机的步距角应等于或小 于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有o 3 6 度o 7 2 度( 五相电机) 、o 9 度1 8 度( 二、四相电机) 、1 5 度3 度( 三相电机) 等。根据本系统运动精度的要 求，可以将步距角选的较大，o 9 1 8 的度数都比较合适，最后选用了1 8 度的步距 角，即使用四相电机。 b 、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，必须先确定电机的静力矩。静力矩选 择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯 性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时( 一般由低速) 时二种负载均 要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行中只要考虑摩擦负载。一般情 况下，静力矩应为摩擦负载的2 3 倍内比较好，静力矩一旦选定，电机的机座及长 度便能确定下来( 几何尺寸) 电机的负载已经经过了计算，惯性负载不容易计 算，对其选择是使用摩擦负载，在上文中已经得到了负载了，将它的值放大2 倍作 为摩擦负载，再把摩擦负载放大2 5 倍作为静力矩，将结果对照电机产品型号表进 行选型，选用了混合子式4 2 系列步进电机【b l 。 c 、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可以依据矩 频特性曲线图，判断电机的电流。因为静力矩已经算好，所以对比已有的电机型 号可以发现可以选择的电流不是太多，这个选择的过程不再详细叙述。 2 驱动控制器的确定 步进电机作为常用的数字化执行元件，其控制结果的优劣绝大程度上取决于 其驱动电源的性能。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运 1 7 北京交遥大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 行平稳性的一种行之有效的方法。由于步进电机驱动电源技术的逐步提高，步进 电机的运行性能也因此得到很大的改善，它的应用范围也就越来越广泛，在精度 上已经达到能和伺服系统相媲美的效果。并且由于步进电机无需反馈，其控制方 式相对简单，位置误差不会累加。本系统确定选用的是8 细分驱动控制裂姗 3 4 牵引索张紧机构设计 该实验平台机械运动系统的动力传动采用的是柔性牵引装置钢丝索，在 使用过程中会出现柔性牵引索磨损而逐渐伸长，使得松边垂度增大，发生振跳、 打滑甚至空转等现象为了调节柔性牵引索松边的垂度，增加从动轮的啮合包角， 补偿磨损产生的伸长，应把柔性牵引索适当的张紧。对于本系统这样需要反复起 动或逆转以及载荷不稳定、有冲击、振动等使用场合，为了可靠保证动力传动的 顺利进行，设计牵引索弹性张紧装置是十分必要的。 合理的张紧对提高柔性牵引索传动的工作能力和延长使用寿命均有良好的效 果。本装置采用固定调节加运动中的弹性自动张紧原理，在安装时先有牵引索调 整装置对柔性牵引索张紧程度进行预调节，再由弹性张紧装置根据柔性牵引索松 边垂度的大小，对其张紧力的变化自行调节。 一般在实际操作中达到以下几个方面的要求，就能充分发挥柔性牵引索传动 的使用性能： ( 1 ) 传动的通道应保持畅通，应尽量避免柔性牵引索发生扭转甚至打结； ( 2 ) 柔性牵引索松边垂度应保持适当； ( 3 ) 各传动轮应保持良好的工作状态； 该系统中滑车的运行是完全靠柔性牵引索的牵引完成的，柔性牵引索旋绕在 滑轮上，电机带动滑轮运转时，对柔性牵引索的张紧力有很大的要求，张紧力太 小，柔性牵引索太松，会使得电机产生空转现象，柔性牵引索在滑轮上打滑，牵 引运行过程不平稳，达不到预定的速度，位移等指标。张紧力太大，柔性牵引索 太紧，加在电机上的力矩太大，使得电机无力驱动而出现滑车停止现象，此时电 机电流增大，对电机不利，严重时可能导致电机烧坏。 柔性牵引索传动和带传动或者链传动样，正常磨损会使牵引索逐渐伸长， 结果使松边更松，垂度过大【l ”。在经常性的检修设备保养过程中，应注意把它列 为一个重要项目来检查。如果发现太松，在可调或有张紧装置的情况下，就应重 新适当张紧。适当张紧对于传动来说也是防止或减缓柔性牵引索过快磨损的一个 办法，因为让磨损了的柔性牵引索继续使用可能松边剧烈跳动、摩擦，从而促使 轮面也很快损坏【i s 】。 1 8 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 本系统设计的牵引索张紧机构由牵引索调整装置和牵引索弹性张紧装置两部 分组成。牵引索调整装置位于滑车内，在安装或实验前对牵引索的松紧程度进行 大尺寸方面的预调整；牵引索弹性张紧装置安装在运动支架顶梁的下面，在一定 的张力变化范围内，对牵引索的张紧程度进行弹性自动调节，使得柔性牵引索松 边的张力满足要求，以保证滑车运行的可靠性和平稳性。 3 4 1 牵引索调整装置 柔性牵引索通过滑轮组件固连于滑车内的两侧，一端通过设计带有导向深槽 的螺杆连接到滑车内一侧，另一端连接到滑车内的牵引索调整装置上，通过转动 牵引索调整装置的曲轴调整牵引索的松紧 牵引索调整装置体积较大，安装于滑车车体内，其作用一方面可以固定牵引 索，另一方面可以调整牵引索的松紧。调整装置采用螺检联接将底座固定于滑车 底部，其在系统中的布局如图3 6 所示 图3 6 调整装置在系统中的实物布局图 牵引索调整装置主要由底座、定位盘、曲轴轴、曲柄及限位等部件组成，其 实物照片图见图3 7 所示。其作用机理如下： 定位盘固定在底座上，使其不能转动，其上均匀布置6 个定位孔；曲柄通过 曲柄轴可在定位盘上转动，可以调整曲柄的位置，由限位销对正定位盘的某个孔 调整到合适的位置；柔性牵引索固定在曲柄轴上，其随着曲柄轴的旋转而绕紧或 1 9 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 放松，达到调整牵引索的张紧程度 3 4 2 弹性张紧装置 图3 7 牵引索调整装置实物照片图 弹性张紧装置在一定的张力范围内可以自动调节滑车柔性牵引索的张紧程 度，其安装在运动支架的下方，在本实验平台中布局的实物照片如图3 8 所示，组 成结构3 9 所示。 图3 8 弹性张紧装置在实验平台中布局的实物照片图 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 图3 9 弹性张紧装置组成结构实物照片示意图 弹性张紧装置由连接座、导向筒、牵引索张紧座、弹簧和挡套等组成，连接 座用于把弹性张紧装置和运动支架联结到一起，牵引索张紧座上的圆弧槽可以将 牵引索压紧和导向定位，牵引索张紧座能够沿导向筒滑动，使得弹簧推力和牵引 索的张力达到平衡，实现自动调节柔性牵引索松紧程度，保证滑车运动的平稳性。 3 5 线路布局设计 本运动平台在设计要求中明确提出了，运动背景要干净，可是滑车上的电机 必须要电源线使之有足够的动力，那么随着滑车的运动，电源线也必然会跟着滑 车运动，背景就有了一条运动的电源线，显然这是不允许发生的。因此，在这样 的情况下，如何设计线路的布局就成为了本课题急需解决的问题。 需要电源线的有两根电线，分别为两个电机供电，其中在支架上用来控制x 轴运动的电机比较好走线，因为电机是固定的，那么将电源线也固定起来就可以 了。但是如果将它露在支架外面的话，很不美观，也比较容易出问题，所以决定 将线藏在支架用于支撑的槽钢内部，这样既不影响整体的效果，也省去了安全考 量。 而滑车上的电源线就比较难设计：1 电源线要能够随着滑车的运动来回往复， 不能够有太大的速度差；2 电源线在运动中要尽量减少拖曳的运动，以免带来额外 的负载。 解决这个问题时，先提出了一种附加导轨槽的方法，即在支架的横梁旁边再 附加一个专门走线的槽。其结构如下图3 1 0 所示。这样的设计将导线引于槽内， 只要槽深合适就可以保证其在槽内运动而不会探出影响到背景的整洁。因此，此 方案能够满足系统的背景要求，但是也可以发现该方案仍然有很大的问题。首先 是摩擦问题，使用导线槽导线将垂在槽体内，导线与槽体在运动时发生面接触， 2 i 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 摩擦力较大，且对导线本身也有很大的损害其次，导线槽的深浅问题，也很值 得关注。槽浅导线容易探出来，与槽沿发生切割与剧烈摩擦，甚至掉出来使导线 槽完全失效，深了会产生结构重心的偏移，可能使结构发生不稳，对整个系统都 会产生重要的影响。 导线槽 。 厂 + i 支燃 图3 i o 导线槽设计示意图 因此，这个方法需要改进，由此设计出新的方案。该方案是在支架加工完成 后，再设计使用的，更为贴合实际情况。 由系统的从动轮受到启发，使用附加的导线轮来支撑导线、引导导线运动， 导线轮由和从动轮结构一样，由轴承外套轮体，固定于支架上，斜上方有一个金 属片能够防止导线运动时脱离导线轮，主要是起保护作用。见导线轮实物图如图 3 1 l 。这样的情况下，摩擦力相对前一种方案有大幅度的减小，当导线往上升的方 向运动时，由于电机的动力，导线可以运动的很顺畅。但是下降时，导线只受到 自身的重力和电机的一些推力。如果电机运动速度较慢，那么在实践中发现其运 动效果还是比较好的，但是有时候。如果电机运动速度较快，由于导线比较柔软， 受力很容易不均衡，最后的结果往往是电机运动的快，导线运动的慢，在背景中 形成了一个导线弧。这样设计的主要目的就没有完成好。因此，本方案还是需要 再改进的。 其改进的思路如下： 导线能跟随滑车返回的重点就在于，在合理的范围内加大导线的自重，自重 提高后经由自重的拉力，导线就能比较自如的运动往复了。而在加大自重的过程 中，可以发现在o 1 k g 左右，导线能够运动的较好，既不会因为增加了重量导致滑 车拉力过大发生运转不灵的问题，又能够在导线往下运动时提供助力，保证了导 线的运动轨迹不会出现在背景中。 北京交通大学硕士学位论文3 机械运动系统设计 图3 1 1 导线轮的实物图 在这样的条件下设计了一个类似于砝码的悬挂物体，其实物图如图3 1 2 所示。 经过实验检验，导线的运动状态良好。 图3 1 2 悬挂物体实物图 北京交通大学硕士学位论文4 控制系统硬件设计 4 控制系统硬件设计 4 1 主要硬件模块设计 4 1 1 基于单片机的控制中心单元 基于单片机的控制中心单元是该实验平台的控制核心部分，由运算器、控制 器，存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运 算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和 定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上【。 l 单片机的特点 ( 1 ) 小巧灵活、成本低、易于产业化。 ( 2 ) 可靠性好，适用温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设 计的，能适应各种恶劣的环境，是其它机种无法比拟的。 ( 3 ) 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制能力强。单片机的逻辑 控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。 ( 4 ) 以很方便地实现多机和分布式控制。 ( 5 ) 具有掉电保护，为了防止突然断电时某些主要数据丢失，单片机设