仿人型机器人总体及腰腿部结构设计开题报告

上海 大学 毕业设计开题报告 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 学 号 学 生 指 导 教 师 张超 题 目 仿人型机器人总体及腰腿部结构设计 1 1 综述综述 1 1 课题题目的背景和意义课题题目的背景和意义 随着我国铁路事业的快速发展 高速重载的趋势已成大局 速度 的提升 载货量加大的同时也给火车轮对带来了负面影响 车轮踏面 磨损加快 缩短了火车轮对的使用寿命 作为铁路系统中一个关键的 组成部分 火车轮对的几何尺寸直接影响到火车的平稳性和安全性 准确而快速地测量出火车轮对直径的大小 从而计算出轮对磨损量是 非常必要的 所以研发一种专门用于检测火车车轮几何尺寸测量系统 具有很大的现实意义 二维敏捷式位移伺服测量系统一种专门用于对火车车轮几何尺 寸进行检测的在线检测系统 它是列车 火车 重工业等行业提高产 品质量 提升企业经济效益的理想设备 这台检测系统的设计内容包 括 系统工作台设计 导轨的设计 滚珠丝杠 电机的选用 编码器 传感器和单片机的选用等 目前 在车轮动态检测方面 国内没有功能完善 切合铁路实际 的实用产品 而铁路的高速 重载发展对轮对的质量状况提出了更高 要求 迫切需要开发车轮在线动态自动检测装置 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 2 1 国外情况国外情况 国外发达国家对于火车轮对几何尺寸的检测研发早在八十年代 初期就己经开始了 经过三十多年的深入研究 已经具备了较为成熟 的车轮检测技术和设备 在 80 年代末期 日本研制成功轮对自动检测装置 该装置由两 只平行光源 2台CCD 摄像机 控制处理机构和外设组成 当轮对沿 垂直方向以较低的速度匀速升高时 摄像机可以拍摄左右车轮的外形 轮廓 经计算机进行图像处理后 可以得到相关参数 测量误差小于 0 2mm 测量时间约20 分钟 对 在 90 年代中期 俄罗斯采用超声波遥测方法研制出轮对参数自 动化检测装置 7 当机车车辆以不大于5km h 的速度运行时 遥测传 感器组可以测出车轮各个特征面的距离 经分析处理后 可得到车轮 直径 轮缘厚度 踏面磨耗和垂直磨耗等参数 其测量误差分别为 轮径误差不大于1mm 轮缘厚度误差不大于0 5mm 踏面磨耗误差不 大于0 3mm 整套装置由传感器组 地面测量装置 数据传输线路 操作控制单元和外设等组成 该装置具有很高的稳定性 可以保证车 轮外形参数测量所必须的精度 检测作业均自动完成 无需操作人员 干预 美国Loram公司于90 年代中期研制成功2 种形式的车轮自动检 测系统 8 低速检测型和高速检测型 低速检测型可在列车运行速度 不超过 8km h 的情况下输出图像 图表和统计数据 高速检测型可在 火车运行速度不超过 72km h 的情况下打印出测量数据和报告 该套 系统可以自动测量列车的通过速度 具有连续图像采集 连续数据处 理和车轮计数等功能 可测量轮缘厚度 踏面磨耗和车轮直径等参数 同时在精确度以及方便性和安全性等方面均能满足使用要求 日本的一家铁道技术研究所开发出了一种在车轮部门自动检测 车轮踏面擦伤的地面式踏面擦伤检测装置 该系统将振动加速度计直 接安装在钢轨底座处 当有擦伤的车通过该钢轨时 振动的加速度变 化较大 可由振动加速计测出并输入计算机进行处理 从而判定擦伤 程度 该系统经过一年多的现场试验 证明可以大太缩短从检出擦伤 到进行检修所需的时间 原来需要 35 天 现在只需 5 天 9 前联邦德国铁路研制了一种 SK22O 型超声波检测装置 该装置 将超声波探头置于特制的钢轨凹槽中 采用充水耦合 当车轮经过时 与计算机相连的传感器能检测出其中埋藏的缺陷 德国联邦铁路还采 用模块化设计方法 开发了一种轮对检测系统 INSPECTOMAT 该 系统有三种模块 分别用于裂纹检测 断面检测 径向跳动及擦伤检 测 10 匈牙利布达佩斯工业大学铁路机车车辆系研制了一种机车车辆 走行部测量诊断台 不过该装置是在火车静止的情况下进行检测的 它可以测定踏面形状和车轮直径 并精确测量和记录擦伤等缺陷 11 也有一些发达国家已经开发出了车载式检测系统 可以时刻监视 火车运行状态 比如英国不列颠铁路 丹麦国铁 德国 DB 铁路 法 国国铁 12 等 1 2 21 2 2国内情况国内情况 国内在轮对外形尺寸的自动检测研究还处于起步阶段 在CCD 成像测量技术上取得了一些进展 例如石家庄铁龙电子计量有限公司 合作开发的火车车轮外形尺寸自动检测仪 实现了计算机自动测量火 车车轮的多项外形尺寸 检测仪采用CCD探测头作为测量的传感器对 火车车轮进行综合测量 利用计算机处理采集数据和图像 提取边沿 检测数据 实现了高速 连续的自动测量 人为因素的影响也降至最 低 从而提高了工厂的自动化程度和工人的劳动效率 这套方案的研 制成功对于实际的工厂检测是一个创新 具有很大的实际应用价值和 广泛的应用前景 传统的超声波检测或涡流检测结果评定与操作人员的经验丰富 程度有很大关系 因此会主观上造成一定误差 数字电子技术的出现 和发展则给信号处理提供了可靠的保证 随着计算机技术的飞速发 展 计算机完全有能力对车轮进行快速 高教的检测 作为核心的分 析处理软件的性能直接影响检测结论的判定 因此结合人工智能技术 开发功能强大的检测软件 是研究开发工作必不可少的一部分 我国在轮对外形尺寸方面 目前主要还是以手工机械式的卡尺测量为 主 工作效率低 劳动强度大 卡尺与车轮接触日渐产生磨损 以及 人为读数的误差 使得轮对几何尺寸的测量数据产生不必要的误差 精度不高 1 3 解决问题解决问题 总体设计用于火车车轮半径测量的二维敏捷式位移伺服测量系 统 包括 单片机系统模块 传感器测头 滚珠丝杠 工作台 交流 伺服电机模块 设计要解决的主要问题有 1 单片机如何正确反映传感器测得的信号而不失真 2 传感器测头如何敏捷地跟随车轮外径的变化 3 如何选用电机和驱动器来驱动整个系统工作 4 如何设计传感器和滚珠丝杠来控制测头运动 5 如何设计合理的工作台和机身来装载整个系统 2 方案论证方案论证 2 12 1 驱动部分初选步进电机或者交流伺服电机驱动部分初选步进电机或者交流伺服电机 步进电机和伺服电机的主要区别 1 矩频特性不同 步进电机的输出力矩会随转速升高而下降 交 流伺服电机为恒力矩输出 2 过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力 而交流电机具 有较强的过载能力 3 运行性能不同 步进电机的控制为开环控制 启动频率过高或 负载过大易丢步或堵转的现象 停止时转速过高易出现过冲现象 交 流伺服驱动系统为闭环控制 驱动器可直接对电机编码器反馈信号进 行采样 内部构成位置环和速度环 一般不会出现步进电机的丢步或 过冲的现象 控制性能更为可靠 4 速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速需要上百 毫秒 而交流伺服系统的加速性能较好 一般只需几毫秒 可用于要 求快速启停的控制场合 2 22 2 传动部分初选同步带或者滚珠丝杠传动部分初选同步带或者滚珠丝杠 1 同步带 同步带传动一般是由主动轮 从动轮和紧套在两轮上的传动带组 成 同步带的传动面上有与带轮啮合的梯形齿 同步带传动时无滑动 初始张力小 被动轴的轴承不易过载 因无滑动 它除了用做动力传 动外还适用于定位 柔性好 价格低廉 2 滚珠丝杠 优点 1 传动效率高 达 85 98 2 灵敏度高 无颤动 无爬行 同步性好 3 定位精度高 可以实现无间隙传动 刚度强 温升小 4 使用寿命长 是普通滑动丝杠的 4 倍以上 磨损小 精度 保持期长 5 使用 润滑和维修方便 可靠 6 可逆向传动 不自锁 垂直使用或需急停时 应附加自锁 或制动装置 2 32 3 非接触传感器初选霍尔位移传感器或电涡流位移传感器非接触传感器初选霍尔位移传感器或电涡流位移传感器 1 霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器 由于半导体比 金属有高得多的霍尔系数 故用半导体制成的霍尔传感器具有对磁场 敏感度高 结构简单 使用方便等特点 不仅用于测量电流 电压 功率和磁感应强度等电磁参数 在非电量测量技术中还广泛用于测量 直线位移 角位移与压力等非电量 当控制电流不变时 霍尔输出的 电压与磁场大小成正比 可用来测定传感器周围的磁场 当磁场强度 固定时 则可测量霍尔片的电流 电压等电参 利用霍尔电动势来控 制电流与磁场大小的乘积则可制成各种运算器 对非电量测量则是通 过改变霍尔片在磁场中的位置来改变参量 从而改变输出霍尔电动 势来测量位移 压力 加速度等 2 电涡流式位移传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的 电涡流效应来进行工作的 它的工作原理是 被测表面置于测头线圈 的附近 相互间距为 当测头中有一高频交变电流通过时 便产生 电磁通 此交变磁通通过邻近的车轮表面 车轮表面上便产生感应 电流 i 这种电流在被测表面上是闭合的 称之为 涡流 这种涡 电流也将产生交变磁通 1 根据楞次定律 涡电流的交变磁场与线 圈的磁场变化方向相反 1 总是抵抗 的变化 由于涡流磁场的作 用使原磁场的作用等效阻抗 Z 发生变化 变化程度与距离 有关 2 4 2 4 方案论述方案论述 考虑到传感器测头需要敏捷地跟随车轮外径的变化 并且火车轮 磨损改变量的分辨要到达毫米级 步进电机和同步带不能满足要求 传感器部分的选择目前来看都能满足精度上的要求 有待在以后文献 调查中再进一步筛选 大致测量思路如下 我们把一火车轮水平安装在一对支架上 火 车轮的轴能够在电机的带动下以一定的速率转动 这里采用带传动来 控制转速 先设定传感器离开轴的初始距离为 A 伺服电机驱动滚珠 丝杠使传感器向火车踏面靠近 当传感器测量到与踏面的距离读数为 5mm 时 给伺服电机一个暂停转动信号 通过旋转编码器的换算可 以得知传感器前进位移 即传感器离开初始位置的距离 B 那么火车 轮的直径大小 C 2 A B 5 测量示意图如图 2 1 设标准火车轮 的直径为 D 则该点火车轮的磨损量 E D C 接下来使火车轮以一 定的速率转动 通过单片机控制保证传感器与踏面的距离始终为 5mm 由于火车轮踏面表面磨损情况不一 车轮转动时 传感器离开 初始位置的距离 B 会有一个改变量 火车轮旋转一圈完毕后 可以通 过显示输出得知火车轮一圈踏面的磨损量 E 的曲线图 如果某点上磨 损量 E 超过超过允许最大磨损量 那么判定火车轮不能继续使用 标 准型踏面如图 2 3 系统工作测量示意图如图 2 2 A 传感器离开垂直刚轴的初始距离 B 传感器移动的距离 C 实际测得 车轮的直径 D 车轮的标准直径 图 2 1 测量示意图 图 2 2 系统工作示意图 图 2 3 标准型踏面 3 参考文献参考文献 1 黄长艺 严普强 机械工程测试技术基础 M 北京 机械工业出版社 1996 7 2 潘新民 王燕芳 微型计算机控制技术实用教程 M 北京 电子工业出版 社 2006 3 冯奇斌 一种用于尺寸测量的数控二维测量装置 J 合肥工业大学学报 自 然科学版 2000 6 1071 1072 4 李国厚 伺服驱动技术及其发展 J 电工技术 2000 12 4 5 5 刘 平 吕国强 洪占勇 一种新型全自动二维测量系统 J 工具技 术 2000 10 29 31 6 陶红艳 余成波 传感器与现代检测技术 M 北京 清华大学出版社 2009 3 7 宋又杰 轮箍的无接触式测量 J 国外内燃机车 1977 6 8 周贤全译 用 EMAT 装置检测铁路车轮 J 国外机车车辆工艺 1999 5 9 小田博基等 车轮踏面擦伤检测装置 J 国外内燃机车 1997 6 10 孙国平 沈志坚编译 国外机车车辆走行部无损检测的现状和发展 J 国外 车辆工艺 1988 6 11 刘国庆译 机车车辆走行部件自动化诊断 J 铁道部车辆 1994 3 12 王宪译 机车车辆检修经济性的优化 J 国外内燃机机车 1993 5 13 Shanxi Deng Zhanyong Hong Guoqiang Lv and Yongyue Yang On line inspection system for train wheel dimensions Journal of Physics Conference Series 13 2005 14 Kaihua WU Zhengjie LI Tao BAN Online measurement for geometrical parameters of locomotive wheel set 2009 International Conference on Optical Instruments and Technology 15 Zhi Feng Zhang Zhan Gao Yuan Yuan Liu Feng Chun Jiang Yan Li Yang Yu Fen Ren Hong Jun Yang Kun Y