迎宾机器人总体设计.doc

北华航天工业学院毕业论文摘 要 服务机器人系统是集机械工程、电子技术、计算机技术、传感技术、智能控制技术等技术的综合系统,在服务行业使用机器人,要求机器人服务技术含量高,对用户具有使用价值。 首先从机器人发展现状出发,重点介绍了服务机器人国内外研究与应用现状。在分析现有服务机器人的基础上,提出利用新型数据处理芯片对迎宾机器人控制系统进行改进,能进行一定的人员与语音识别,实现人机交互,提高控制精度和响应速度。本文讨论了迎宾机器人的机械系统结构,对迎宾机器人从控制到驱动执行机构进行了研究,并设计了迎宾机器人的机械结构。同时还对机器人驱动系统进行了分析与设计,主要包括执行电机的选择以及选择相配的驱动器。采用性价比高,控制简单的步进电机驱动,通过混合式步进电机驱动器,以采用外部控制模式,控制了步进电机的脉冲与方向,从而带动机械本体完成行走运动。 最后,本文设计出迎宾机器人眼部传感器设置,制作了热释电红外传感器装置,并进行了机器人胸前LED液晶显示器字幕显示,并对结果进行了对比分析。实验表明,所设计的机器人的机械系统和手部执行机构能够较好地满足迎宾机器人的运动控制要求。 关键字：迎宾机器人 控制系统 机械结构 Abstract Service robot system is the same set of mechanical engineering, electronics technology, computer technology, sensor technology, intelligent control technology and other technology system, using robots, robots with high technical content, the user has a use value in the service sector. First, starting from the robot development status, focusing on domestic and foreign research and application of service robots. Based on analysis of existing service robots, the new data processing chip to improve the welcome robot control system, certain officers and speech recognition, to achieve human-computer interaction, and improve the control accuracy and response speed. This paper discusses the mechanical system structure of the welcome robot, welcome robot from the control to the actuator has been studied, and to design the mechanical structure of the robot Welcome. The robot drive system analysis and design, including the motor selection and select the drive to match. Cost-effective, simple control of the stepper motor drive, hybrid stepping motor drive to the external control mode, control of the stepper motor pulse and direction, so as to drive a mechanical body to complete the walking program. Finally, we design a welcome robot eye sensor set, produced a pyroelectric infrared sensor device, and the robot chest LED LCD display subtitles, and the results were compared. The experiments show that the design of the robots mechanical systems and hand the implementing agencies to better meet the welcome robot motion control requirements.Keywords： welcome robot control system mechanical structureII北华航天工业学院毕业论文目 录摘 要IAbstractII目 录1第1章 绪论11.1 迎宾机器人的定义和分类11.2 迎宾机器人的设计前景11.3 迎宾机器人的设计原理21.4 结论2第2章 总体结构的设计32.1 开发目标和原则3 2.1.1 机器人达到的目标动作3 2.1.2 设计原则32.2 参考方案42.3 迎宾机器人整体的三维设计模型42.4 运动手臂的三维设计模型5第3章 方案详细设计63.1 手臂的详细设计6 3.1.1 基本要求的确定7 3.1.2 手臂动作的基本参数73.2 机器人驱动装置的一般要求73.3 迎宾服务机器人的驱动方式83.4 电机的选择8 3.4.1 臂部直流电动机的选择8 3.4.2 肘关节电动机的选择9 3.4.3 腕部电机的选择10第4章 机器人机械传动件的设计114.1 传动轴的设计11 4.1.1 主轴材料的确定11 4.1.2 初步估算轴的直径11 4.1.3 各轴段直径的确定114.2 锥齿轮的设计124.3 大齿轮的设计与校核13 4.3.1 设计参数14 4.3.2 布置与结构14 4.3.3 材料及热处理14 4.3.4 检查项目参数14 4.3.5 强度校核数据154.4 蜗轮蜗杆的设计16 4.4.1 设计校核16 4.4.2 蜗轮工作图17第5章 壳体的设计185.1 箱盒的设计185.2 肩部连接板185.3 联轴器的选用19第六章 控制部分设计206.1 控制方案概述206.2 手臂硬件需求分析216.3 控制系统结构216.4 控制芯片及I/O接口芯片的选型22 6.4.1 8051单片机介绍22 6.4.2 编码器24 6.4.3 零位开关24 6.4.4 电机驱动装置24 6.4.5 热释电红外传感器25 6.4.6 HD44780液晶显示器266.5 控制软件设计29 6.5.1 主程序流程29 6.5.2 迎宾动作子程序31 6.5.3 目标点控制子程序32 6.5.4 关节归零子程序346.6 控制回路整体测试36致谢37参考文献38第1章 绪论1.1 迎宾机器人的定义和分类 工业机器人。工业机器人主要应用于飞工业生产当中，是现阶段应用最为广泛，技术最为成熟的一类机器人，据不完全统计，世界范围内装备生产的工业机器人己经超过了120万台。其中，日本和美国是工业机器人的生产和应用大国，尽管日本曾因上世纪的金融危机一度丧失了机器人霸主地位，但随着近年来日本经济的迅速发展，在新安装的机器人台数方面，日本己经超过了美国。中国由于飞各种原因的影响，对于工业机器人的研究起步较晚，虽然己经研制出一系列的工业机器人样机，但只获得了小规模的生产和应用，尖端领域的机器人仍以进口为主。服务机器人。服务机器人主要指那此在能够代替人们完成一定工作，或提供社会及家庭服务的机器人。目前，对于非制造领域的服务机器人的研究己经取得了丰硕的成果，各类收割机器人、除草机器人、嫁接机器人己经在日常的生产和生活中获得了非常广泛的应用外，代替人们完成高空及恶劣工作环境的焊接、涂覆、测量、检查的机器人也己经获得了一定程度的应用，并在不断的改进和完善当中1.2 迎宾机器人的设计前景 感觉功能:在机器人的感觉功能方面将会通过多种传感器功能的融合来实现对复杂多变的外部环境的检测、判断和决策，这与人类的五官功能以及身体的综合感觉功能类似。需要研究的内容主要包括传感驱动一体化技术以及信息的采集与融合技术 智能化控制:随着集成化、系统化生产的不断发展，人工神经网络技术、模糊控制技术以及基于PC的开放式控制系统将在对车间级机器人的控制中获得更多的应用，这种趋势在国内外举办的各类机器人展会和对抗赛中己经有了明显的体现 智能化移动:为了满足极限作业、多作业对象、大作业对象以及长距离搬运作业对于飞机器人的需求，世界各国都在积极开展对机器人智能化移动(如自动飞行、跳跃、爬行、行走、滚动和滑动)的研究。美国宇航局位于飞加利福尼亚州实验室的研究人员于飞近日表示，他们己经能够使机器人在模拟出的火星环境中完成搬运重物以及一些简单的施工，这意味着在不久的将来，人类的火星之旅将由这此机器人迈出那“一小步”。人机合作:通过建立相应的生产系统来实现生产线上全部机器人的相互协调、群智和多机协作能力，并通过开发能够理解人类思想的“同事机器人”来实现人们对机器人的直接控制 自我修复:由于机器人的工作环境大多存在着许多不可预见的不稳定囚素，因此想要实现其智能化，首先就是要确保机器人的安全可靠，需要其具有对外界各种情况的应变能力以及对自身软件的智能升级和智能诊断、修复微型化:随着技术的不断进步，机器人必然会向着微型化方向发展，毫米级、甚至是纳米级的机器人将会泛的应用于医学、微加工、海洋和宇宙开发等领域。微型化的机器人能够适应价道、建筑废墟等复杂环境，并在其中自由移动。如果能对其运动进行更加精确的控制，还能将其应用到化工及核工业的价道以及人体器官中进行移动和作业1.3 迎宾机器人的设计原理迎宾机器人由机械结构和控制系统两大部分组成。机器人语音识别系统是迎宾机器人头部的重要组成部分，迎宾机器人在应用上讲属于服务机器人，在技术进步角度上讲，属于智能机器人的一种。一个智能机器人应该具备三大要素：感知、决策、行动。感知就是机器人具有能够感觉内部、外部的状态和变化，理解这些变化的某种内在含义的能力。决策要求机器人具有能够依据某种条件、状态、约束的限制自主目标，规划实现目标的具体方案、步骤的能力。行动需要机器人具备完成一些基本工作、基本动作的能力。在这三大要素的基础上，智能机器人通过感知辅助产生决策，并将决策付诸行动，在复杂的环境下自主的完成任务，形成各种智能行动。在实际应用中，迎宾机器人根据不同环境可能放置在大门内或外、左或右等不同的位置，因采用了单片机软硬控制相结合的方法，机器人的硬件不需做任何变动，只要对软件程序进行简单的修改。机器人即可适应不同的环境，使用方便。另外， 当迎宾机器人更换放置地方后，需要通过简单调节热释电红外探测电路的灵敏度电位器达到最佳接收效果。采用伺服电机作为动力源并以脉宽调制信号(PWM)控制电机的动作，可使控制更为平稳。经过实践检验，设计的迎宾机器人结构简单、成本较低，可靠性和稳定性较好，具有一定的实际应用价值。1.4 结论机器人的时代已经来临， 随着社会的发展, 科学技术的进步, 机器人技术的发展速度越来越快, 机器人产业也将逐步进入我们生活的每一个角落。工业机器人将继续占据机器人的主要市场。特殊机器人越来越收到重视, 市场份额将逐步增长。可以说，我们已经跨入了机器人时代！第2章 总体结构的设计2.1 开发目标和原则2.1.1 机器人达到的目标动作本设计中的迎宾机器人具有以下功能：1）外形与人手相似，包括肩、上臂、下臂、手腕及手等几部分；2)双手可以做出各种简单的动作，如挥动、握手、鼓掌等动作；3)根据不同场合，可以做出几套不同的迎宾动作；在实现上面的基本功能之后，还可以给机器人加上以下扩展功能：1)给机器人加上语音模块，使其能够接受语音指令的指挥，并根据不同的动作和情况发出不同的声音：可以接受语音指令，按照不同的指令执行不同的动作。2)给机器人手臂加上视觉、触觉、温度、避障等各类传感器，使机器人具备一定的环境适应能力和各种特定的能力。2.1.2 设计原则本项目中的迎宾机器人，它不但具有人类的外形特征，手臂能实现各种不同的动作，它目前的设计目标还不能移动，它定位在迎宾服务上面，要求成本低廉，功能相对来说也比较单一，因此在保证性能的情况下，我们尽量不要采用高档的材料和元器件。基于以上的考虑，我们有下面几条设计原则：1)经济性：在满足功能的前提下尽可能采用简单的方案，使用常见的、供应丰富的材料和元器件，以降低生产成本：2)可靠性：机器人的使用环境比较恶劣，有电机启制动火花对无线通讯及控制系统的干扰，有可能遇到的碰撞以及关节被卡住造成电机堵转等各种情况，对机器人控制系统提出了一定的要求。3)易维护性；包括机械维护和控制系统软硬件维护。机械上尽可能采用模块化设计方法，减少零部件种类，提高通用性，便于安装拆卸，同时也可以提高可靠性和经济性。控制系统软硬件设计同样采用模块化设计，便于检测调试。4)强壮性：机器人的手臂都是由各个关节链接起来的，对刚性的要求比较高。在机械设计上，机器人应具有较好的刚性和较小的传动间隙，不至于发生严重的机械变形，各种接插件不能松动、脱落。22.2 参考方案本设计主要运动部分在手臂，本实用新型涉及一种适用于服务场所的塔式机器人手臂和手爪，包括手臂和手爪，手臂和手爪相连接，手臂由前臂、后臂、肩部和腰部组成，前臂、后臂、肩部依次连接，腰部上端穿过肩部并与其连接;手爪由腕部、爪部和指部组成，爪部和指部上下并列设置，并分别与腕部连接，腕部与手臂的前臂连接。通过机械手臂和机械手爪的一系列配合动作可以对家庭等服务环境中的多种物品通过相应的操作方式完成抓取、传递和操控等动作。如下参考图片图2-1 迎宾机器人 图2-2 机器人手臂2.3 迎宾机器人整体的三维设计模型本设计的迎宾机器人为垂直关节型机器人，综合考虑了降低成本与功能灵活性方面的要求，设计了一种机械结构简单而实用、成本低廉和控制灵活的迎宾机器人，为减轻整体重量，零件所选材料均为硬铝。图2-3 迎宾机器人2.4 运动手臂的三维设计模型手臂的设计完全是按照人体的比例进行设计，是主要的运动部位，要有多个运动自由度。 图2-4 迎宾机器人手臂第3章 方案详细设计3.1 手臂的详细设计经简化后手臂拥有4个自由度，分别由4个舵机驱动，如表3-1机器人手臂自由度所示。分别是： 肩部向前抬手臂、肩部侧向抬手臂、肘部弯曲、腕部转动。表3-1 机器人手臂的自由度部位运动机能自由度选用电机/数量肩部肩部向前抬手臂1 1 台大臂侧向抬手臂1DynamixelRX64 1 台小臂肘部弯曲1Futaba-S9156 1 台腕部腕部转动1MG-995 1 台各关节传动原理 如图3-1各关节传动原理图所示图3-1 各关节传动原理图表3-2传动路线关节传动路线1关节电机1-行星齿轮箱-传动轴1-Z1/Z2-传动套筒2关节电机2-行星齿轮箱-Z3/Z4-传动轴2-Z5/Z6-传动轴43关节电机3-行星齿轮箱-z8/Z7-轴5 4关节电机4-行星齿轮箱-轴-键-传动件5关节电机5-行星齿轮箱-蜗杆-蜗轮-手抓各级齿轮的传动比 Z1/Z2=1:2 Z3:Z4=1:2 Z5:Z6=1:1 Z8:Z7=1:1 蜗杆/蜗轮=14.53.1.1 基本要求的确定四个自由度包括大臂回转、外展和小臂俯仰、旋腕。为了使机器人的手臂转动，所需要的最大转矩是当手臂呈水平状态，设各部分的尺寸如图3-2关节位置示意图所示。图3-2 关节位置示意图3.1.2 手臂动作的基本参数表3-2 迎宾机器人的基本参数动作范围基座回转 1320肩关节俯仰 225030/s肘关节俯仰 327060/s转腕 43603.2 机器人驱动装置的一般要求对机器人驱动装置的一般要求如下:a.驱动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高；b.反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大；c.动作平滑，不产生冲击；d.控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；e.安全可靠；f.操作和维护方便；g.对环境无污染，噪声要小；h.经济上合理，尤其是要尽量减少占地面积。3.3 迎宾服务机器人的驱动方式电动机驱动是利用各种类型的电动机经过机械传动驱动机器人操作机以获得各种运动。电力驱动因有不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、启动力矩大等优点而在机器人中广泛选用。3.4 电机的选择3.4.1 臂部直流电动机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为: (3-1),前面已经说明，分别为3kg、2kg、2kg。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为100mm、250mm、500mm，在式中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： (3-2)J1 =30.12 + 20.252 +20.52 =1.155kg.m2同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量:=20.12 +20.252=0.145 kg.m2式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离 。 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。 设大臂速度为/s，则旋转开始时的转矩可表示如下 (3-3)式中：旋转开始的转矩 角加速度 使机器人大臂从到/s所需时间为0.1s则T1=J1=1.1553.14/6=12.09Nm若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为13Nm 电动机的功率可按下式估算 根据 (3-4)式中： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 传动装置的效率，初步估算取0.8； 系数1.52.5为经验数据，取2.5 Pm2.5133.14/60.821.45W估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式： 选择RE-Max 29 石墨电刷电机 见表 3-3直流电动机技术数据表3-3 直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定转速（r/min）额定转矩6024768026.9 选择行星齿轮箱 GP32A 直径32mm 0.75-4.5 减数比为 411：1。肩关节外展电机的选择 选择RE-Max 29 石墨电刷电机 见表3-4表3-4 直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定转速（r/min）额定转矩6024768026.9选择行星齿轮箱 GP32A 直径32mm 0.75-4.5 减数比为913:13.4.2 肘关节电动机的选择使机器人小臂从到/s所需时间为0.05秒则：T1=J1=1.533.14/30.05=1.6NmPm1.50.1453.14/60.8=1.57w 根据式 选择RE25 稀有金属电刷CLL 118746号 见表 3-5表3-5 直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定转速（r/min）额定转矩1024415028.8行星齿轮箱 GP32A 减数比为706 ：13.4.3 腕部电机的选择 RE 13 稀有金属电刷 2.5Watt 见表4-6直流电动机技术数据3-6直流电动机技术数据功率（W）额定电压（V）额定转速（r/min）额定转矩2.52477902.84行星齿轮箱 GP13k 减数比为275 ：1第4章 机器人机械传动件的设计4.1 传动轴的设计4.1.1 主轴材料的确定由于主轴传递的功率不大，对其重量和尺寸也无特殊要求，故选常用材料45钢，调质处理。4.1.2 初步估算轴的直径轴受转矩作用时，其强度条件为 (4-1)写成设计公式，轴的直径为:现确定肩传动轴的设计 如下图4-1肩关节传动轴示意图所示图4-1 肩关节传动轴4.1.3 各轴段直径的确定初估轴径后，就可按轴上零件的安装顺序，从dmin处开始逐段确定直径。轴段1通过轴承轴承端盖来确定，轴段2由实际安装空间来确定，轴段3是通过键和齿轮宽确定，轴段4根据选用轴承和所需轴承端盖来确定，轴段5根据安装实际空间来确定，轴段六通过所选圆锥滚子轴承的宽度来确定，轴段7是安装轴承挡圈和套筒定位，轴承8 通过齿轮宽确定。肩关节的传动轴轴端有螺纹孔用于锥齿轮的轴向定位。轴段上有一个的键用于锥齿轮的周向定位。为保证轴承内圈端面紧靠定位轴肩的端面，根据轴承手册推荐，取轴肩圆角半径为0.6mm。为方便加工，其它轴肩圆角半径均取1mm。根据标准GB6403.4-1986，轴的左右端倒角均为145。其它各部分的轴也如此确定。4.2 锥齿轮的设计如图4-2大锥齿轮示意图所示4-2 大锥齿轮肩关节大锥齿轮的参数如下：表4-1 肩关节大锥齿轮名称代号计算公式分度圆直径dd=mz=236=72齿顶高齿根高齿顶圆直径齿根圆直径分度圆锥角分度圆齿厚锥距=40.25齿宽b 取12与此相啮合得小锥齿轮 传动比为1：2如下图4-3小锥齿轮示意图所示图4-3 小锥齿轮4.3 大齿轮的设计与校核 大齿轮工作示意图如下图4-4大齿轮工作示意图所示图4-4 大齿轮用机械设计手册（软件版）v3.0 中的渐开线圆柱齿轮传动设计程序 设计结果输出如下：4.3.1 设计参数 传递功率 P=0.05(kW)，传递转矩 T=12(Nm)，齿轮1转速 n1=40(r/min)，齿轮2转速 n2=20.00(r/min) ，传动比 i=2，原预定寿命 H=10000(小时)。4.3.2 布置与结构 结构形式ConS=开式，齿轮1布置形式 ConS1=对称布置，齿轮2布置形式ConS2=对称布置。4.3.3 材料及热处理 齿面啮合类型：GFace=软齿面热处理质量级别 Q=ML齿轮1材料及热处理 Met1=34CrNi3Mo 齿轮1硬度取值范围 HBSP1=269341 齿轮1硬度 HBS1=305 齿轮1材料类别 MetN1=0 齿轮1极限应力类别 MetType1=5齿轮2材料及热处理 Met2=45齿轮2硬度取值范围 HBSP2=162217 齿轮2硬度 HBS2=190齿轮2材料类别 MetN2=0齿轮2极限应力类别 MetType2=74.3.4 检查项目参数齿轮1齿距累积公差 Fp1=0.03783齿轮1齿圈径向跳动公差 Fr1=0.03250齿轮1公法线长度变动公差 Fw1=0.02731齿轮1齿距极限偏差 fpt()1=0.01446齿轮1齿形公差 ff1=0.01053齿轮1一齿切向综合公差 fi1=0.01499齿轮1一齿径向综合公差 fi1=0齿轮1齿向公差 F1=0.01160齿轮1切向综合公差 Fi1=0.04836齿轮1径向综合公差 Fi1=0.04550齿轮1基节极限偏差 fpb()1=0.01359齿轮1螺旋线波度公差 ff1=0.01499齿轮1轴向齿距极限偏差 Fpx()1=0.01160齿轮1齿向公差 Fb1=0.01160齿轮1x方向轴向平行度公差 fx1=0.0116齿轮1y方向轴向平行度公差 fy1=0.00580齿轮1齿厚上偏差 Eup1=-0.05783齿轮1齿厚下偏差 Edn1=-0.23133齿轮2齿距累积公差 Fp2=0.04978齿轮2齿圈径向跳动公差 Fr2=0.03776齿轮2公法线长度变动公差 Fw2=0.03058齿轮2齿距极限偏差 fpt()2=0.01506齿轮2齿形公差 ff2=0.01105齿轮2一齿切向综合公差 fi2=0.01567齿轮2一齿径向综合公差 fi2=0 齿轮2齿向公差 F2=0.00630齿轮2切向综合公差 Fi2=0.06083齿轮2径向综合公差 Fi2=0.05287齿轮2基节极限偏差 fpb()2=0.01415齿轮2螺旋线波度公差 ff2=0.01567齿轮2轴向齿距极限偏差 Fpx()2=0.00630齿轮2齿向公差 Fb2=0.00630齿轮2x方向轴向平行度公差 fx2=0.00630齿轮2y方向轴向平行度公差 fy2=0.0031齿轮2齿厚上偏差 Eup2=-0.06025齿轮2齿厚下偏差 Edn2=-0.24099中心距极限偏差 fa()=0.021024.3.5 强度校核数据齿轮1接触强度极限应力 Hlim1=594.4(MPa)齿轮1抗弯疲劳基本值 FE1=465.6(MPa)齿轮1接触疲劳强度许用值 H1=734.1(MPa)齿轮1弯曲疲劳强度许用值 F1=831.4(MPa)齿轮2接触强度极限应力 Hlim2=427.1(MPa)齿轮2抗弯疲劳基本值 FE2=311.1(MPa)齿轮2接触疲劳强度许用值 H2=527.5(MPa)齿轮2弯曲疲劳强度许用值 F2=555.5(MPa)接触强度用安全系数 SHmin=1.00弯曲强度用安全系数 SFmin=1.40接触强度计算应力 H=581.3(MPa)接触疲劳强度校核 HH=不满足齿轮1弯曲疲劳强度计算应力 F1=76.7(MPa)齿轮2弯曲疲劳强度计算应力 F2=71.2(MPa)齿轮1弯曲疲劳强度校核 F1F1=满足齿轮2弯曲疲劳强度校核 F2F2=满足4.4 蜗轮蜗杆的设计4.4.1 设计校核用机械设计手册（软件版）v3.0 中的普通圆柱蜗杆传动计算设计程序，设计结果输出如下：蜗杆输入功率：0.025kW，蜗杆类型：阿基米德蜗杆(ZA型)，蜗杆转速n1：145r/min， 蜗轮转速n2：10r/min ，使用寿命：8000小时， 理论传动比：14.5， 蜗杆头数z1：2， 蜗轮齿数z2：29， 实际传动比i：14.5。蜗杆材料：45蜗杆热处理类型：淬火 蜗轮材料：ZCuSn10P1蜗轮铸造方法：离心铸造疲劳接触强度最小安全系数SHmin：1.1 弯曲疲劳强度最小安全系数SFmin：1.2 转速系数Zn：0.904 寿命系数Zh：1.21 材料弹性系数Ze：147N0.5/mm 蜗轮材料接触疲劳极限应力Hlim：425N/mm2蜗轮材料许用接触应力H：422.293N/mm2蜗轮材料弯曲疲劳极限应力Flim：190N/mm2蜗轮材料许用弯曲应力F：158.333N/mm2蜗轮材料强度计算轮轴转矩T2:19.1N.m 蜗轮轴接触强度要求:m2d134.385mm3 模数m:2mm 蜗杆分度圆直径d1:22.4mm蜗轮材料强度校核：蜗轮使用环境：平稳 蜗轮载荷分布情况：平稳载荷 蜗轮使用系数Ka：1 蜗轮动载系数Kv：1 蜗轮动载系数Kv：1 导程角系数Y：0.916 蜗轮齿面接触强度H:226.906N/mm2，通过接触强度验算！蜗轮齿根弯曲强度F:19.095N/mm2，通过弯曲强度计算。几何尺寸计算结果：实际中心距a：40.2mm，齿根高系数ha*:1，齿根高系数c*:0.2，蜗杆分度圆直径d1：22.4mm，蜗杆齿顶圆直径da1：26.4mm，蜗杆齿根圆直径df1：17.6mm，蜗轮分度圆直径d2：58mm，蜗轮变位系数x2：0，法面模数mn：1.969mm，蜗轮喉圆直径da2：62mm， 蜗轮齿根圆直径df2：53.2mm，蜗轮齿顶圆弧半径Ra2：9.2mm，蜗轮齿根圆弧半径Rf2：13.6mm，蜗轮顶圆直径de2：63mm，蜗杆导程角：10.125，轴向齿形角x：20，法向齿形角n：19.713，蜗杆轴向齿厚sx1：3.142mm，蜗杆法向齿厚sn1：3.093mm，蜗杆分度圆齿厚s2：3.142mm， 蜗杆螺纹长b1：25.48mm，蜗轮齿宽b2：19.8mm ，齿面滑动速度vs：0.173m/s。54.4.2 蜗轮工作图如图4-5蜗轮工作示意图所示图4-5 蜗轮工作示意图第5章 壳体的设计大臂和小臂的外壳是支承整个传动系统的框架，采用铸铝材料，质量轻，刚度大，大臂的底板厚度为20mm，外框体结构的厚度为12mm。小臂的外框结构的厚度为12mm，电机座的后盖厚度为6mm。大臂的前后盖板和小臂的盖板材料为铝。厚度取2mm。其他部分的具体尺寸由结构定。5.1 箱盒的设计机身内部是一个山字形的箱盒，易于安装零件。并在右侧箱壁上设有四个孔与机身法兰连接具体如下图5-1，5-2所示。 图5-1 箱盒主视图 图5-2 箱盒俯视图5.2 肩部连接板肩部连接板用于连接机身内部出来的轴套并固定和支撑肩部外展轴。其示意图如图5-3,5-4所示。 图5-3连接板主视图 图5-4连接板俯视图5.3 联轴器的选用本设计中采用两种不同型号的波纹管联轴器：大臂传动轴与电机轴之间采用DKN 8/8，手抓部分采用AKD18 12-16。柔性联轴器的特点是圆周方向刚度大而轴向，弯曲方向柔度较大，既能起到可靠的传动又适合调整和补偿轴之间的偏差。如图5-5波纹管联轴器所示。图5-5 波纹管联轴器第六章 控制部分设计手臂控制系统是机器人实现舞蹈动作的核心部分，决定了机器人动作功能的实现和性能优劣。控制系统接收上位机的输入命令，对命令进行识别后执行相应的动作，也就是控制各个关节实现其预期的关节轨迹，从而形成连贯的动作。对于本机器人项目，采用易于实现、成本不高的单片机系统来搭建控制平台是合适的。控制系统的硬件平台由单片机控制板和电机驱动板组成。在进行硬件电路的具体设计之前，必须先确定控制系统的总体方案。6.1 控制方案概述计算机控制系统是机器人的核心部分，它决定着控制性能的优劣，也决定着机器人使用的灵活程度。当今的机器人计算机控制系统有三种结构：集中控制、主从控制和分布式控制。集中控制方式即单CPU结构，全部控制功能由一台功能较强的计算机实现，计算负担较重，故这种方式的速度较慢。早期的机器人以及一些较简单的机器人常采用这种结构。主从控制方式即二级CPU结构，其一级CPU为主机，担当系统管理，完成机器人语言编译和人机接口功能，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级CPU完成全部关节位置数字控制。这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据，是一个松耦合的关系。分级控制方式，即多CPU结构。目前普遍采用这种上、下位机的二级分布结构。上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多CPU控制一个关节运动，这些CPU分工明确。只需承担固定任务，负担较轻，实时性较好，使控制系统的工作速度和控制性能明显提高。且结构相对开放，易于扩展。目前，世界上大多数商品化机器人控制器都采用这种结构。本项目中，机器人手臂需要满足机构简单巧妙、控制系统复杂度低、实时性好的要求。因此，我们选择了单CPU结构的集中控制方式作为机器人的控制方式。控制系统的结构框如图6-1。由于此机器人的动作事先已规划好，每个动作相应的关节轨迹已经计算出来并存入程序的数据表，使用时只需查询表格即可，勿需动态计算轨迹，所以机器人手臂的任务规划工作很轻。机器人手臂控制器负担最重的工作是按照动作规划的要求控制众多的电机，实现事先确定的关节轨迹，从而实现各种动作功能。6 驱动器Cpu核心 控制 机械系统执行单元 编码器 图6-1 控制系统结构框图6.2 手臂硬件需求分析在考虑总体控制方案的时候，首先要明确系统的所有输入和输出情况，以便考虑系统接口如何配置，需要哪些接口资源。然后根据系统对速度、实时性等方面的要求和机器人手臂多关节同时运动的特点，选择合适的单片机和控制结构。机器人手臂部采用两相直流电机作为动力，关节位置反馈采用编码器作为位置编码器。现有的驱动电路内虽然有简单的速度闭环，但是其速度闭环还不能满足要求。机器人手臂的控制首要任务就是主要控制电路于电机驱动电路接口，完成电机转动角度位置闭环控制。各个电机都要在机器人手臂控制系统的统一指挥下协调运动。编码器的作用就是返回关节自由度日前的位置和速度状态4。机器人每条胳膊上部位：肩关节、大臂、小臂、腕关节，每个部位由一个电机带动，腕关节上的一个自由度由舵机带动，这样每条胳膊上有四个电机和一个舵机。机器人为真人大小的机器人，所有的电机、传动机构、电路板等都必须安装到机器人体内。臂部电机及电机驱动电路按照总体空间规划只能直接安装到机器人的胳膊内，然而机器人胳膊的物理尺寸与170cm左右高的成年人的胳膊尺寸相当，去除电机及传动机构占用的空间后，留给控制电路及驱动电路的空间极为有限，而且还要保证在胳膊内安装电路板后还有足够的空间给电源线及信号线。因此机器人臂部电路设计要遵循如下原则：在保证性能的同时，尽量减小电路板的面积，尽量减小空间布线难度。每个电机的控制都需要多条信号线，必须要考虑节约空间又可以减少布线。6.3 控制系统结构机器人手臂控制系统以PICl6F76单片机为核心，由外部输入、并口扩展、电机驱动、电位器位置反馈检测等单元电路构成。单片机接受由外部输入传来的控制命令，从数据表格中依次取出关节目标数据，进行电机控制，完成命令规定的动作。若在动作朗间接收到新的命令，则在完成动作之后再执行新的命令。关节位置由连接在关节轴上的编码器取得经放大电路送入单片机AD转换接口，作为电机控制反馈信号。12单片机上位机编码器5直流电机5编码器6直流电机6直流电机7编码器7直流电机8编码器8驱动电路编码器1直流电机1编码器2直流电机2直流电机3编码器3直流电机4编码器4驱动电路腰部电机舵机1舵机2零位开关 1、29图6-2 机器人手臂控制系统6.4 控制芯片及I/O接口芯片的选型设控制系统的CPU为英特尔公司的8051单片机，扩展8255A芯片作为回转刀架的收信与发信控制芯片。6.4.1 8051单片机介绍8051单片机的片内结构如图6-3所示。8051单片机是把那些作为控制应用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成：（1） 微处理器CPU（2） 数据存储器RAM（3） 程序存储器ROM/EPROM（4） 4个8位并行I/O口（P0口P1口P2口P3口）（5） 1个串行口（6） 2个16位定时器、计数器（7） 中断系统（8） 特殊功能寄存器（SFR） 上述各功能部件是通过片内单一总线连接而成， 如图6-3所示。图6-3中各功能部件的功能如下：（1）CPU微处理器 8051单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和微处理器两大部分。只是增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据，也可以进行位变量的控制。（2）数据存储器 片内为128B，片外最多可外扩64KB。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的128B的RAM，以高速RAM形式集成在的单片机内，可以加快单片机的运行速度，而且这种结构还可以降低单片机的功耗。（3）程序存储器 用来存储程序，为4K 的ROM，最多可外扩至64KB。（4）中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。（5）定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。（6）串行口 1个全双工的的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口。（7）P1口、P2口、P3口、P0口 为4个并行8位I/O口。（8）特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。CPU运算器控制器数据存储器RAMP0P2P1P3串行口定时器计数器程序存储器ROM/EPROM特殊功能寄存器SFRXTAL1XTAL2ALEPSENEARESET8888图6-3 8051单片机片内结构6.4.2 编码器为了对手部各个关节进行比较精确的位置控制，需要采用反馈闭环控制方式，且反馈元件采用编码器。编码器按工作原理可分为光学编码器和磁性编码器等，磁性编码器的可靠性比光学的要高。按输出信号的意义可分为绝对式编码器和增量式编码器，绝对式编码器可以记录关节的绝对位置，但是结构复杂、价格较高；增量式编码器只能输出相对位移量，但是结构简单、价格低廉，配合相应的电路可以得到绝对位置和速度以及运动方向编码器输入电压4.5v-16V，输出5V脉冲信号，兼容TTL电平，每转脉冲数为200个。每个编码器提供A、B两个通道的正交信号，相位相差90度。将此两路脉冲经过鉴相电路处理，可提取出电机的转速信息和旋转方向信息，如图6-4。因为编码器与电机同轴，即使关节速度较低，也可以得到较多的脉冲，从而能保证精度。ChAChBDIR电机转向图6-4 正交编码脉冲和编码方向此项目中我们拟选用欧姆龙E6A2-CWSC型，电源电压12-24VDC，开路集电极输出30VDC 30mA，2相，200PR。6.4.3 零位开关为了使机器人手臂使用增量式编码器的关节能够回到自己的零位，必须给关节装上零位开关，供机器人归零动作(回到初始位置)使用。零位开关通过一定的机械结构安装在关节上，当关节回到零位时，要求输出开关信号或脉冲信号8。零位开关可根据具体使用条件选用光学传感器、霍尔磁传感器或接触开关等。此处选用的是光学传感器。6.4.4 电机驱动装置本机器人采用一个电机作为动力源，使用简单控制灵活。直流电动机接在两个结构完全相同驱动器输出端之间，驱动器的控制输入分别接在单片机的P10和P11。电动机驱动电路原理图如图4所示，驱动器是由NE555时基电路构成的单稳态触发器， 暂态脉宽约3s，VT1、VT2分别构成两个反相器，将触发脉冲倒相， 由单片机的P15口和PI6口的电平状态控制单稳态触发器的输出。当P15口由低电平转化为高电平，便有一正触发脉冲经VTl倒相后触发单稳态触发器IC3翻转输出高电平。M1端为+6V； 同时，P16口持低电平不变，单稳态触发器IC4输出不变，M2为0V，电动机M正转。当P16口由低电平转化为高电平便有一正触发脉冲经VT2倒相后触发器IC4翻转输出高电平，M2端为+6V;同时，P1.5口保持低电平不变，单稳态 触发器IC3输出不变，M1为0V，电动机M翻转10。图6-4 电动机驱动电路原理图6.4.5 热释电红外传感器热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺