爬杆作业机器人设计-攀爬-爬树机器人【三维SW模型】【含10张CAD图纸+PDF图】
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爬杆作业机器人设计42摘要在市政工程中，有大量的安装及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。因此本文设计了一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行，对人工攀爬较难的作业具有较大的现实意义。本文设计的爬杆机器人由曲柄滑块机构、并联盘形凸轮机构、移动凸轮机构以及上下机械手爪等组成，通过弹簧的预紧力来实现机器人手爪对杆的抱紧，通过曲柄滑块机构、凸轮机构等实现攀爬动作，同时机器人只需一个驱动源就能带动整个机器人的运动，能攀爬变直径的杆，工作简单可靠，运动灵活，可以广泛应用于各种高空作业。 关键字：爬杆机器人，变直径杆，夹紧，攀爬 ABSTRACTIn the municipal engineering, there are a large number of installation and repair work needed to climb rod operation, For the coarse bar, artificial climbing and vehicle operation is convenient, artificial climbing is difficultfor for some small diameter low strength member such as a road lamp pole,so this paper designs a pole climbing robot,which can crawl on no obstacle bar,it has great practical significance for artificial climbingThe pole climbing robot consist of songCrank slider mechanism, parallel plate cam mechanism.moving cam mechanism, the robot tight the wallHold by the spring pretightening force.so as to realize Climbing action. at the same time the robot can drive by a robot motion and at the same time all devices were designed perfectl. In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of high-altitude operation.Key words：pole-climbing robot， variable-diameter pole sepal， pole-climbing目录1绪论11.1研究目的11.2国内外研究现状11.3研究内容31.4设计要求42爬杆作业机器人总体方案设计52.1机械方案设计52.2电气控制系统设计72.3小结83机械系统设计93.1减速机构设计93.2曲柄滑块机构设计173.3凸轮机构的设计233.4机械手爪设计243.5电动机选择264电气控制284.1系统论述284.2直流电机单元电路设计与分析294.3直流电机PWM控制系统的实现365结论与展望43参考文献44致谢451绪论1.1研究目的目前全国日益加快的现代化建设步伐随着我国经济的快速增长、人民生活水平日益不断提高，城镇中随之矗立起无数的高层建筑，各类集实用性 与美观性一体的市政、商业工程诸如电灯杆、路灯杆、大桥斜拉钢索、广告牌立柱等，它们的直径通常在530米，有的甚至高达百米，壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等，由于常年裸露在大气之中，风沙长年累月的积累会因此而形成灰尘层，酸类物质污染从而影响城市的美观，同时空气中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是金属杆件造成损坏，加快它们的生锈过程，并缩短它们的使用寿命，因此需要定期进行壁面维护工作 。在市政工作中，主要是通过人工工作的因此，存在着很多问题，特别市政工作中的清洗工作许多都要人工清洗，在一些高空建筑上的清洗如果人工清洗就会造成很大的危险性，而在一些具有化学试剂或者有毒物质的工作环境中，就会对人产生很大的危险性，这无形中增大了市政工作的成本，而且有可能对坏境造成二次污染，对周边环境造成影响，而如果使用高压水枪，其成本更加高，而其使用范围也不宽，只局限于一些高空无遮挡的物体，同时水枪必须安置在空旷的位置否则会影响周边的日常生活。另外，对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便，但是对于一些直径较细，强度较小的杆件比如路灯杆等，人工攀爬较为困难。应用带升降机的工程车进行作业，作业成本较高，而且对于狭窄的胡同，工程车难以进入，造成作业困难，因此本课题拟设计一爬杆机器人，可以在没有障碍的光杆上爬行。对人工攀爬较难的作业具有较大的实际意义。1.2国内外研究现状从功能上讲，爬杆机器人无非包含基本的行走功能和辅助的作业功能 (例：喷涂、检测、缠绕和修复等)，纵观这些国内外管道外机器人的行走工作原理，不外乎以下几种：基于自锁或静摩擦原理的气动蠕动式机构；基于滚动摩擦原理的螺旋爬升机构；基于克服动摩擦直线行走的机构；基于移动副和转动副的关节式爬行机构；基于并联机构的并联式爬行机构。下面将介绍几种典型的爬杆机器人 。图1-1螺旋式爬杆机器人图1-2自动喷涂爬杆机器人(1)螺旋式爬杆机器人如图1-1所示机器人抱紧在管壁上，通过驱动导轮实现在管壁上的运动，其抱紧力即预紧力是通过用专用螺母扳手调节螺母，从而实现调节抱紧弹簧的压力，使机器人获得足够的抱紧力，如果机器人的工作坏境发生了变化，可以根据不同的管径，选择支撑架上不同的连接孔，从而可以得到要求的抱紧力 。该机器人的载荷量比较大，运行也较为平稳，同时可以适合不同的管径，但他的不足之处就在于，只能够运行在连续性的管道上，而对于非连续性的管道，该机器人就无法工作。(2)自动喷涂爬杆机器人工作时，先必须调节机器人的下体位置，把机器人全部放在要进行工作的管道上，当完成了机器人的连接固定后启动机器人行走机构，机器人在管道上开始行走，同时配合喷枪的往复运动，实现对管道的自动化喷涂 。该机器人的特点：结构较为简单，而且可靠性较高，能够代替人工操作，这样可以实现对管道的自动化喷涂，但由于其结构的局限性，并适合变直径的管道。1.3研究内容经过仔细研究分析后认为，人在爬杆或爬树的过程中，人的运动具有很好的参考价值，如图1-3所示，人在爬升的过程中，一般是先两脚夹紧，然后身体上移，再收腿，整体上移，往复动作，从而爬升的过程 。图1-3人爬树的姿势本文设计的爬杆机器人就是仿照人爬树的原理，其结构组成包括夹持机构，由上下机械手爪组成，实现对杆的抱紧，通过上、下机械手爪的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动；移动机构，由连杆机构，凸轮机构，实现攀爬动作；驱动机构，整个机器人采用一个电机驱动，既减轻了重量，又满足了运动要求。结构示意图如图1-4所示。图1-4 爬杆机器人结构示意图1.4设计要求该机器人攀爬直径为100140mm变直径杆，载重5kg，机器人在全负载情况下应该能够保持 100mm/s 的运行速度，且直立爬行机器人的传动系统应该具有自锁机构以克服重力的影响。2爬杆作业机器人总体方案设计2.1机械方案设计本文设计的爬杆机器人攀爬的是100140mm的变直径杆，本文设计的机器人仿照人爬树的原理，其结构组成包括夹持机构，由上下机械手爪组成，实现对杆的抱紧，通过上、下机械手爪的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动；移动机构，由连杆机构，凸轮机构，实现攀爬动作；驱动机构，整个机器人采用一个电机驱动，既减轻了重量，又满足了运动要求。结构示意图如图2-1所示。整个机体长约250mm，宽约150mm，高约400mm，总重不超过5kg（包括电机重3kg），爬行部分主体结构为2根长为400mm的铝合金钢管（可以用硬塑料管或者其他轻型材料代替），作为机架和机器人上部滑动的导轨，同时作为旋转部分的轴，结构紧凑、零件的功能得到了扩展。在导轨和固定支架，分别设置有上、下机械手连接臂，两对机械臂以导轨为转动轴，其上装有上、下机械手爪。在上、下机械臂的另一端分别设置有弹簧，弹簧的作用是使机械手产生足够的摩擦力抱紧立柱。在导轨的下部安装电动机，在减速机构的输出轴上安装有并联盘形凸轮和曲柄，曲柄通过连杆与移动凸轮相连，通过曲柄连杆机构带动机器人上部和移动凸轮机构运动，来实现机构的上升和相对运动。凸轮联动机构由两套凸轮摆杆机构构成，其中一套由上机械臂和移动凸轮构成另一套由下机械臂和并联盘形凸轮构成，它们分别装在导轨的上、下部。通过曲柄、连杆将并联盘形凸轮、移动凸轮连接起来，使整个机构形成一个整体，上部的摆杆机构在曲柄连杆机构的作用下可以沿导杆上下移动。在电机的驱动下，上、下部机械臂摆动并带动机械手依次实现夹紧和放松的联动。图2-1机构图以及机器人简图机器人的运动原理可分为以下几个部分：1) 在初始状态1时，机器人下机械手夹紧，同时上机械手松开；2) 电机回转，驱带动曲柄及和曲柄固接在一起的下并联盘形凸轮顺时钟转动，并推动下机械臂摆动，当下并联盘形凸轮转过升程角时，下机械手松开；与此同时上移动凸轮向下走过空行程，在此过程上机械手抓紧，即状态2.；3) 电机继续回转，此时机器人上机械手夹紧，下机械手开始松开，机器人下部被运动到极限位置，即状态3.；4) 电机继续回转，当下并联盘形凸轮转过回程角时，下机械手夹紧；与此同时上移动凸轮向上走过空行程，在此过程上机械手开始松开，即状态4.；5) 电机继续回转，因为下机械手夹紧，上机械手松开，所以机器人上部在电机的提升推力下向上移动，当曲柄和连杆拉直共线时，机器人上部提升到极限位置，即状态5；从图中可以看出机器人每运行一周上升一次。图2-2机器人运动周期图2.2电气控制系统设计考虑到机器人的驱动部分只有一个电机，而机器人的在运动过程中只有加速，减速，停止，启动几个状态，因此只需对电动机进行控制即可。控制部分拟采用直流电机PWM控制方案，在设计中采用AT89C51单片机作为整个控制系统的核心，单片机在程序控制下不断给光电隔离电路发送PWM波形在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比来改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速 。直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速和电机的正转和反转，并且同时可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。同时，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成; LED数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。图2-3机器人电气控制图2.3小结该机器人在电机的驱动下能够实现上升和下降以及停止，同时也能够在运转过程中实现机器人的加速和减速的控制，机器人的整体结构主要通过曲柄滑块机构来实现联动，上下机械手通过曲柄滑块机构的联动来控制上下机械手的加紧和松开，同时直流电机通过单片机的控制转速，单片机与电机通过电机的驱动芯片连接，单片机控制驱动芯片输出的电枢电压来控制电机的转速。3机械系统设计3.1减速机构设计 根据已有条件确定传动方案为圆锥圆柱齿轮减速，原有条件为为保证机器人的移动速度100mm/s，减速箱输出转速为50r/min，电机的额定转速为710r/min，因此减速箱的总传动比为15，其运动简图如下图所示：图3-1运动简图由图可知，原动件为电动机，传动装置为减速器，减速器为展开式圆锥圆柱齿轮的二级传动3.1.1传动装置的运动和动力参数计算(1)电机的类型和结构根据选好的电动机可知：该电机使用电压为12v直流电，其具体尺寸如第一部分所示(2)确定传动装置的总传动比和分配传动比总传动比为15，按直齿轮圆柱齿轮传动比=0.25=3，则=5(3)计算传动装置的运动和动力参数a各根轴的转速=710r/min；=236.7r/min；=47.3r/min；b各轴的输入输出转矩：=0.336N.m传动效率为1=0.331N.m传动效率为0.985=0.954N.m传动效率为0.96=0.94N.m传动效率为0.985=4.56N.m传动效率为0.97=4.492N.m传动效率为0.9853.1.2传动零件的设计计算圆锥齿轮传动的设计计算A由已知可知小齿轮的转速为710r/min，大齿轮的的转速为236.67r/min，传动比为3，选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数(1)按传动方案，选用直齿圆锥齿轮传动，齿形角 ，齿顶高系数 =1，顶隙系数 =0.2，螺旋角 =0，不变位。(2)本机器人为一般工作机器，速度不高，故选用8级精度。(3)材料选择，考虑到齿轮的重量齿轮轮芯材料选用聚苯醚（又称PPO），该材料具有较高机械性能，尺寸稳定性好，高温下耐蠕变性是所有工程材料中最优异的，此外，聚苯醚还具有耐磨，无毒，耐污染等优点。轮缘采用45钢，小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，二者材料硬度差为40HBS(4)选小齿轮齿数 =17，大锥齿轮齿数 =51B按齿面接触强度设计：公式： （3-1）确定公式内的各计算值(1)试选载荷系数 =1.3。(2)计算小齿轮传递的转矩。=336N.mm(3)由表10-7选取齿宽系数 =1。(4)由表10-6查得材料的弹性影响系数 =189.8 。(5)由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 =600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限 =550MPa。(6)由式10-13计算应力循环次数。=60=4.147(7)由图10-19取接触疲劳寿命系数 =0.91； 0.95。(8)计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S1，由机械设计书（10-12）得： （3-2） （3-3）(9)试选 1.2，查得1.0， 1， 1.5*1.251.875所以， =2.25(10)(11)计算小齿轮的分度圆，代入 中的较小值得：mm(12)计算圆周速度V0.567m/s （3-4）(13)计算载荷系数根据 =0.567m/s，8级精度，可查得动载荷系数 =1.01，所以 =1.894(14)按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径：14.4mm （3-5）(15)模数 （3-6）C.按齿根弯曲疲劳强度设计：公式： （3-7）(1)确定公式内的各计算值查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 =500MPa，大齿轮弯曲疲劳强度 =380MPa。(2)查得弯曲疲劳寿命系数， (3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则， （3-8） （3-9）(4)载荷系数K=2.31(5)节圆锥角 （3-10）(6)当量齿数 （3-11）161.28 （3-12）(7)查取齿形系数： ， ；(8)查取应力校正系数 ， (9)计算大小齿轮的，并加以比较。=0.0145 （3-13）=0.016 （3-14）大齿轮的数值大。(10)设计计算1.50综合分析考虑，取m=1.5mm, =25.5mm,(11)几何尺寸计算计算大端分度圆直径=25.5mm, 计算节锥顶距R=40.3mm （3-15）大端齿顶圆直径28.35mm （3-16）77.45mm （3-17）齿宽：b= 13.4mm取.圆柱齿轮传动参数设计已知小齿轮的转速为236.7r/min，大齿轮的转速47.3r/min,传动比i=5,A.选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数(1).材料选择，小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮轮缘材料为45钢（调质），轮芯材料选用聚苯醚，轮缘硬度为240HBS，二者材料硬度相差40HBS。(2).选择小齿轮齿数 =17，则 =5*17=85B.按齿面接触疲劳强度设计公式： (3-18)确定公式内的各计算值：(1)试选载荷系数(2)计算小齿轮传递的转矩(3)选取齿宽系数 (4)查得材料弹性影响系数 。(5)按齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ，大齿轮的接触疲劳极限 。(6)计算应力循环次数小齿轮： (3-19)大齿轮： (3-20)(7)查得接触批量寿命系数(8)计算接触疲劳许用应力 (3-21) (3-22)C计算(1)试算小齿轮的分度圆直径，代入中的较小值得=mm=13.9mm(2)计算圆周速度v=0.17m/s (3-23)(3)计算齿宽b=13.9mm(4)计算齿宽与齿高比b/h模数： (3-24)齿高：=1.8mm7.72 (3-25)(5)计算载荷系数根据v=0.17m/s，8级精度，可查得动载荷系数， =1.01,查得 查得使用系数 =1.442由 b/h=7.72, 查得所以。 =1.8648(6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径：=14.95mm (3-26)(7) 计算模数=0.8D按齿根弯曲疲劳强度设计公式：m (3-27)确定公式内的各计算值(1)查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ，大齿轮的弯曲疲劳强度： (2)查得弯曲疲劳寿命系数 (3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则， (3-28) (3-29)(4)计算载荷系数 K =1.865(5)查取齿形系数 (6)查取应力校正系数 (7)计算大、小齿轮的,并加以比较。 ，大齿轮的数值大。(8)设计计算=1.48综合分析考虑，取m=0.8mm, =19，得=15.2mm, =95E几何尺寸计算(1)分度圆直径=15.2mm=76mm(2)中心距a=45.6mm(3)齿宽=15.2mm，取=16mm， =20mmF验算 =125.5N=8.4N/s100N/s (3-30)假设成立，计算有效。3.1.3数据整理.圆锥齿轮齿轮类型：直齿圆锥齿轮（ ,齿形角 ，顶高系数，顶隙系数 ，螺旋角 ，不变位 ）。精度8级，小齿轮材40Cr（调质），大齿轮轮缘材料为45钢（调质），硬度分别为280HBS和240HBS。大端分度圆直径：小齿轮 ，大齿轮 节圆锥顶距：R=40.3mm节圆锥角： ， 大端齿顶圆直径： ， 齿宽： 14mm齿数： ， 51模数m=1.5mm.圆柱齿轮齿轮类型：直齿圆柱齿轮精度8级，小齿轮材40Cr（调质），大齿轮轮缘材料为45钢（调质），硬度分别为280HBS和240HBS。分度圆直径： 15.2mm， =76mm中心距：a=45.6mm 齿宽： 20mm， 16mm 齿数： 19， 95模数：m=0.8mm3.2曲柄滑块机构设计电机带动曲柄转动，曲柄连杆机构又把运动传递到上机械臂，同时下机械臂也要做相应的动作来配合上机械臂的运动。因此曲柄连杆机构作为连接机器人上下机械臂的关键，它所做的运动仅仅是只是曲柄回转、连杆的摆动，在传统的曲柄滑块机构设计中，一般取r+e0.75 ，r+e 时为摇杆滑块机构。当r小大的机构传力特性比较好。其中 曲柄长度连杆长度偏心距本例中无偏心距， =0.，又机器人的机构之间不能有干涉作用，滑块在运动过程中不能触及电动机的顶端，由电机的尺寸图可知，它的前提是：75+85=160mm （3-31）在设计时考虑的一个重要因素就是结构的紧凑性。在这里预选曲柄长为 =60mm、连杆长 =220mm，加上滑块的尺寸补偿，这样可以，满足上式的要求图3-2机器人运转周期图假设曲柄的转速为r/min则转一圈的时间为： （3-32）当曲柄转一圈时机器人上升2r即为120mm。则机器人的移动速度：v=2 mm/s又由要求可知机器人在全负载情况下能够保持100mm/s的运行速度所以 应该保持在50r/min左右。3.2.1曲柄滑块机构对机器人的力学和运动模型进行分析(1).为满足机械在高速度，高能量和高应力状态下工作要求，因此需求结构的速度，以及力学性能分析，而曲柄滑块机构的主要受往复机械惯性力影响，曲柄滑块机构的惯性力包括三部分：曲柄旋转运动产生的离心惯性力；滑块往复运动产生的往复惯性力以及连杆平面运动产生的惯性力。因此本设计中采用双导杆结构(2).对机构模型运动的振动和平稳进行评估（机构各部分的速度分析）图3-3机构模型图如上图所示，取O点为坐标原点，P在X轴上的坐标为x，用x表示滑块的位移，利用三角关系有一下式子： （3-33）从而有以下式子： （3-34）代入数据： （3-35）图3-4位移与转角的关系图使用matlab软件可得到该函数的模拟图象又： ，故滑块的速度为 （3-36）进而可以得到滑块的加速度： （3-37）同时又由正玄定理：； （3-38）又摆角的表达式可表示为： （3-39）对式6两次求导： （3-40） （3-41） （3-42）利用已知可以得出关于的关系式： （3-43） （3-44）图3-5位移与摆角的关系图至此，我们得到了滑块位移x有关 的表达式和连杆摆角 运动规律中有关变量的表达式。虽然我们得到了有关变量的解析式，但对于问题的解并没有达到要求，因3-43和3-45比较复杂，不易求解，于是可使用近似方法求解。将位移的表达式4-3改写为： （3-45）一般而言， ，于是利用麦克劳林公式：-11 （3-46）可将滑块位移的模型3-33近似为： （3-47）从而滑块的速度和加速度可近似为如下： （3-48） （3-49）摆角可以利用麦克劳林公式：，-1 1 （3-50）得到摆角的近似模型： （3-51）得到近似角速度： （3-52）近似角加速度： （3-53）图3-6滑块速度与摇杆的角加速度关系图从图中可以看出，在一个周期内，滑块的移动速度和连杆摆角的角速度曲线和加速度曲线都比较平滑、无拐点，没有出现不连续的点，整个机构模拟运动平稳，无抖动3.2.2滑块连杆连接铰点的受力分析电机在旋转过程中，连杆对上连接件的力可分解为水平分力和垂直分力，垂直分力就是电机的提升力，水平分力对整个机构来说是有害的。电机旋转过程中，摇杆在铅垂方向的力即电机的提升力为： （3-54）在上式中，曲柄转角为自变量，摆角的相似模型 sin，由此可以看出，除了 是自变量以外，曲柄，连杆的长度也是影响电机提升力的因素，连杆的长度是由机器人的整体结构所决定，在一定范围内是可以修改曲柄的长度来改变摇杆的提升力，曲柄越小，电机提升力越大。在此设计中必须满足凸轮的压力角 = ，选择凸轮起点为提升力零点，所以这里机器人下并联盘形凸轮的升程角和回程角就很好的避开了提升力的零点问题。在电机旋转过程中，其水平分力公式为： （3-55）从上图中可以看出，在电机的旋转过程中，连杆对上连接件的水平分力对机器人是有害的，进过模拟后拟在上连接件上采用了双导向柱，这样就可以通过过定位的方式来消除这个有害的水平分离力。3.3凸轮机构的设计3.3.1下机械手并联盘形凸轮机构设计根据工作要求选定凸轮机构形式；凸轮机构是含有凸轮的一种高副机构，也是一种常用机构。凸轮式一个具有曲面轮廓的构件，一般多为原动件（有时为机架）；当凸轮为原动件时，通常做等速连续转动或移动，而从动件则按预期输出特性要求作连续或间歇的往复摆动、移动或平面复杂运动。经过建模可得出凸轮轮廓的最大为24mm，同时机械手抓的摆动角度为 ，摆动距离约为7.5mm，摆动距离如下图所示图3-7手抓张开简图对于凸轮机构从动件的最大位移为15mm，凸轮机构的偏距e=0，手抓在机器人的运动中只有夹紧和松弛两种状态，因此选定凸轮形式为等速运动规律，此种运动规律，即从动件在运动过程中速度为常数，即从动件（手抓）相对于机器人机架是静止的。图3-10盘形凸轮3.3.2上机械手移动凸轮设计下面为移动凸轮的具体尺寸：图3-8移动凸轮3.4机械手爪设计在攀爬杆状的城市建筑直径范围D=100-140mm，机械手连接臂绕导杆摆动角度范围在 以内，为了给机器人往城市杆状建筑上的顺利安装设计机械手连接臂导杆摆动角度范围为 ，同时考虑到电机在手抓平面上的尺寸，通过对杆的考察可得出机械手抓的大体尺寸如下图所示。图3-9机械手抓简图机械手的长度大概为216mm,采用铝合金材料厚度为10mm左右，手抓的重量大概为0.2kg3.4.1机械臂非线性分析机器人的关键部分如机械连接臂，对机器人的爬行具有很重要作用，在机器人爬行过程中，当机械手夹紧时，此时受力最大，机械臂变形最大，因此需对机械臂的变形绕度进行评估。通过计算机的模拟可知机械臂在铅垂方向上受力分析可简化为一悬臂梁受力情形。机械手连接臂的截面如图所示为一长方形 （3-56）其中：，。符号意义：长方形截面对X轴的惯性（ ）；长方形截面对X轴的抗弯截面系数（ ）长方形截面对X轴的惯性半径（cm）；a 长（cm）；b 宽(cm)；机械手连接臂横截面经过简化可近似为正方形的细长弯曲杆。长杆几何参数可简化为：=313.58mm；B=10mm；H=10mm；长杆材料参数：弹性模量E=70GPa；泊松比V=0.3；当机器人在杆状物上工作时，特别是在上机械手夹紧，下机械手松开状态时，机械手连接臂受力变形最大。由于机械手连接臂的长度远大于其他方向的尺寸，因此机械臂可简化为一受力悬臂梁。图3-11机器人上机械手简化由于结构的对称性，简化如上图所示，实线和双点划线沿坐标轴对称（实线和双点划线分别代表机械手的左右臂）。虚线（连接件）和它们绞接。这样在分析受力时，我们可以忽略其绕Y轴的铅垂位移，只考虑其绕X轴的铅垂位移。这样机械手臂可简化为一长为315mm的悬臂梁，因机械手成对使用，实际工况中每只机械手连接臂末端载荷为F=25N，应用材料力学公式求端点处的绕度： （3-56）由此可看出机械手连接臂在处于悬臂状态时，当连接臂末端承受最大载荷F=25N时，最大绕度值为=4.404mm，可以忽略不计。3.5电动机选择在机器人的设计中，电机的选择很总重要，对于爬行机器人而言，电机的结构和传动形式都是机构设计所需要考虑的重要方面，从结构紧凑性方面考虑，在电动机传动轴上，直角电机比标注电机占用更小空间。经过比较选用厦门精研自动化元件公司（）生产的直角电机整个机壳有铝合金制作，内部结构比较紧凑、密封性、润滑性都比较好。电动机作为机器人攀爬的动力源和主要部件之一，它的结构尺寸同时也影响到机器人其他相关部件的尺寸大小，直角电机相对标准电机特殊的空间结构尺寸也是笔者选择它的一个主要原因。经过查询该电机的总重为1.6Kg，同时还查的电机的各项参数以及转速转矩图。图3-12电动机参数图该电机使用12V直流电，转子为齿轮轴的可逆电机，电机转速为01000r/min范围内，电机的转矩转速近似线性关系。在额定转速情况下电机输出转速为710r/min，电机实物以及相关尺寸如下图所示：图3-13电机实物图4电气控制4.1系统论述4.1.1 基本原理主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。同时，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续等功能。其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。因此该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。显示设计部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。4.1.2 总体设计框图系统组成：直流电机PWM调速方案如图4-1所示：方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知道其转向及一些提示。图 4-1 直流电机PWM调速方案4.2直流电机单元电路设计与分析4.2.1 直流电机驱动模块主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS管、三太门等）组成。现在介绍下直流电机的运行原理(1)直流电机类型直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。下面以直流电动机作为研究对象 。(2) 直流电机结构直流电机由定子和转子两部分共同组成。在定子上装有固定磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片重叠压制而成，儿转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，电枢绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图4-2所示。 (3) 直流电机工作原理直流电机电路模型如图4-2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈会受到电磁力作用，从而产生旋转运动。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将会改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向 。图4-2直流电动机电路模型(4) 直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率 ：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压 ：长期运行的最高电压。 额定电流 ：长期运行的最大电流。额定转速n：单位时间内的电机转动快慢。以r/min为单位。 励磁电流 ：施加到电极线圈上的电流。(5) 直流电机PWM调速原理1）直流电机转速直流电机的数学模型可用图4-3表示，由图可见电机的电枢电动势的 正方向与电枢电流的 方向相反， 为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩 及空载转矩 均与n相反，是制动转矩。图4-3直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式4-1： （4-1）式4-1中， 为电枢回路电阻，电枢回路串联绕阻与电刷接触电阻的总和；是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为： （4-2）式4-2中， 为电动势常数，是磁通量。由4-1式和4-2式得 （4-3）由式4-3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定不变时，它的转速电枢两端的电压 所决定，也就是说电枢电压越高，电机转速就越快，当电枢电压降低到0V时，电机就停止了转动；而改变电枢电压的极性，电机就反转。2）PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为4-5所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变 和 宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。 图4-4施加在电枢两端的脉动电压设电动机接全电压U时，其转速最大为 。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为 ，则电枢的平均电压为：=UD （4-4）由式4-3得到：； （4-5）在假设电枢内阻转小的情况下式中K= U/ Ce，是常数。图4-5为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图4-5占空比与电机转速的关系由图看出实际上转速与占空比D并不是完全的线性关系（图中实线），原因是电枢本身也有电阻，但是一般直流电机的内阻都比较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在直流电机电枢两端电压就能改变电机的转速，这就是直流电机PWM调速原理。(6) 电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，从PROTEUS选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地连线，我们参照此设计的直流电机驱动模块电路 2SK1058 : CMOSS管 74L26 : 三太门 1N4006 : 二极管 VSCOURCE : 电源 MOTOR-ENCODER : 直流电机 RES : 电阻 AT89C51 : 单片机 (在此并未显示)然而考虑市场的行情，因为已有专门地为电机驱动而设计的电子芯片，因此就没必要再重新来设计；选用L298芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由L298芯片组装的驱动模块。所用元器件如下所示： 1N4006 ： 二极管； AT89C51 ： 单片机； RES ： 电阻； MOTOR-ENCODER ： 直流电机； L298 ： 电机驱动芯片； RESPACK-8 ：排阻； (7)程序设计流程图图4-6定时中断服务流程图4.2.2直流电机的中断键盘控制模块(1)外部中断设置1） 外部中断允许设置中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。如：开放外部中断0的设置：SETB EX0；SETB EA；开放外部中断0和1的设置：SETB EX0；SETB EX1；SETB EA；2） 外部中断触发方式设置单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON的IT位有关。表4-1TCON的IT位TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0电平触发设置方法：CLR ITX，为低电平触发方式。脉冲触发设置方法：SETB ITX1，为脉冲下降沿触发方式。在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。3） 外部优先级设置 外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器实现的，IP的PX0对应INT0，PX1对应INT1。PX置1为高级中断，PX为0为低级中断。表4-2IP寄存器PSPT1PX1PT0PX0(2) 外部中断扩展方法在图4-10为外部中断扩展方法，设X1、X2、X3、X4、X5为外部警情信号，X1代表是加速信号，X1=0表示加速；X2代表减速信号，X2=0表示减速；X3代表正转信号，X3=0表示正转；X4代表反转信号，X4=0表示反转；X5代表停止信号，X5=0表示停止处理。当系统检测到有中断请求时，响应如下中断服务流程图4-7。图4-7 中断服务流程4.2.3 1602LCD液晶显示模块(1) 引脚分布和接口信号说明1)引脚分布1602液晶显示共有16个引脚。2)引脚功能1602引脚功能如表4-3所示表4-3 1602引脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSSVSS为地电源9D2Data I/O2VDDVDD接5V正电源10D3Data I/O3VEE液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS0输入指令，1输入数据12D5Data I/O5R/W0写入指令或数据，1读信息13D6Data I/O6E1读取信息，10执行指令14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极(2) LCD液晶电路(3) 显示程序流程图如4-8所示图4-8程序流程图4.3直流电机PWM控制系统的实现4.3.1 总电路图图4-9总电路4.3.2 总电路功能介绍直流电机PWM调制控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过LCD液晶显示。振荡、时钟电路和复位电路由80C51单片机内部给出。直流电机转动速度由LCD液晶显示。操作开关状态可由液晶显示器显示。4.3.3 直流电机控制程序ORG 0000HSJMP DISPLAYORG 0003HLJMP BUTTON ；外部0中断入口地址ORG 000BH；LJMP DINGSHI ；定时中断T0入口地址RS EQU P3.0RW EQU P3.1E EQU P3.4ORG 0030H ；此次直流电机的设计以LCD字符夜晶的显示程序为主程序DISPLAY：SETB EA ； 打开中断总开关SETB EX0 ；打开外部中断0开关SETB IT0 ；打开外部中断0下降沿触发MOV TMOD,#01H ；设置定时工作方式MOV TL0,#0FFH ；设置定时初值MOV TH0, #0FFHSETB ET0 ；打开定时中断T0开关 CLR P0.5 CLR P0.6CLR P0.7SETB TR0 ；定时器T0开始定时MOV DPTR,#TAB ；夜晶显示的字符首地址 MOV R0,#00H ；脉宽的初值MOV R1,#16 ；SET SPEED PLEASE的字符个数MOV R3, #00HMOV R4, #00HLP9：LCALL CHUSHILP2：ACALL BUSYMOV A, #00HMOVC A,A+DPTRMOV P1, AACALL DATASINC DPTR DJNZ R1, LP2 LP3： CJNE R3,#00H,LP4CJNE R4,#00H,LP4SJMP LP3 LP4： MOV R7,#00H ；中断的标志 MOV R5,#09H ；CURRENT : 的字符个数ACALL BUSYMOV P1, #0C0HACALL ENABLEMOV DPTR, #MMTABACALL BUSYLP5：MOV A, #00HMOVC A,A+DPTRMOV P1, AINC DPTRACALL DATASACALL BUSYDJNZ R5, LP5 MOV DPTR, #STABMOV A, R2MOV P1, AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R3 ；显示速度的十位MOVC A,A+DPTRMOV P1, AACALL DATASACALL BUSYMOV A,R4 ；显示速度的个位MOVC A,A+DPTRMOV P1, A ACALL DATAS ；使夜晶始终显示当前电机的速度LP8：CJNE R7,#00H,LP7 ；速度不变时等待LJMP LP8 ；速度变时重新读入速度LP7： SJMP LP4CHUSHI：ACALL BUSY ；使夜晶显示的一些初始设置MOV P1,#00000001B ；清屏并光标复位ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00111000B ；设置显示模式:8位2行5x7点阵ACALL ENABLEACALL BUSY MOV P1,#00001111B ；显示器开、光标开、光标允许闪烁ACALL ENABLEACALL BUSYMOV P1,#00000110B ；文字不动，光标自动右移ACALL ENABLEACALL BUSYMOV P1,#80H ；写入显示起始地址ACALL ENABLE RETENABLE: SETB E ；写入控制命令的子程序CLR RSCLR RWCLR ERETDATAS：SETB E ；写入数据子程序SETB RSCLR RWCLR ERETBUSY：CLR E ；准备写入数据MOV P1，#0FFHCLR RSSETB RWSETB EJB P1.7, BUSYRETORG 2000HDINGSHI： CPL P0.7 ；定时中断服务程序JNB P0.7,Z1 ；周期一定MOV A, #0FFHSUBB A, R0 MOV TH0, ASETB TR0RETIZ： MOV TH0,R0 ；脉宽SETB TR0RETI BUTTON: ；从控制键盘中读取操作命令PUSH ACC CLR EX0CLR EAINC R7 MOV A, #0FFHMOV P2, AMOV A, P2JNB ACC.0, AA0 JNB ACC.1, KK0JNB ACC.2, ZZJNB ACC.3, FFJNB ACC.4, WW0AJMP QQAA0： CJNE R0,#0FFH, AA1 ；加速操作AJMP QQ AA1： MOV A, R0ADD A, #5MOV R0, AAJMP QQKK0： CJNE R0,#00,MM ；减速操作AJMP QQ MM： MOV A, R0SUBB A, #5MOV R0, AAJMP QQQQ： MOV A, R0 MOV B, #5 DIV ABMOV B, #10DIV ABMOV R3, AMOV R4, BSETB EX0LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EAPOP ACCRETIZZ： SETB P0.5 ；正转操作CLR P0.6 MOV R2,#2BH ；正转标志 +LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EX0SETB EA POP ACCRETIFF： CLR P0.5 ；反转操作 SETB P0.6 MOV R2,#2DH ；反转标志 -LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EX0SETB EAPOP ACCRETIWW0： CLR P0.5 ；停止操作CLR P0.6LCALL DELAYLCALL DELAYLCALL DELAYSETB EX0SETB EA POP ACCRETIDELAY：MOV R5，#0E0H ；延时子程序MM0： MOV R6, #30H MM1:： DJNZ R6, MM1DJNZ R5, MM0RETTAB： DB 53H, 45H, 54H, 20H DB 53H,50H,45H,45H ；SET SPEED PLEASE 代码DB 44H, 20H, 50H, 4CHDB 45H, 41H, 53H, 45H STAB： DB 30H, 31H, 32H, 33HDB 34H,35H,36H,37H ；0,1,2,3,4,5,6,7 代码DB 38H,39H,41H
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