【《空间模块机器人结构设计案例》2700字】

空间模块机器人结构设计案例1.1空间模块机器人基本结构模块机器人系统的基本工作方式是通过系统形变实现目标构型。模块机器人系统的形变模式分为三种：通过模块单元之间连接关系变化引发的系统几何形状重构。在模块单元间连接关系不变的前提下系统整体发生位移。通过改变系统中模块单元规模数量使系统膨胀或收缩。选择不同形变模式的判断依据主要基于任务需求和工作环境要求。为了达到机器人自主判断当前工作环境并选取合适的形变模式以达成任务，模块机器人需要考虑结构整体稳定性、活动关节自由度、替换损坏零件的鲁棒性、驱动电机响应信号的灵敏度等要求。本节主要针对模块机器人结构稳定性、驱动电机，活动关节自由度进行硬件分析，为后续软件设计做准备。1.1.1空间模块机器人各关节介绍图2-1空间模块机器臂图2-2空间模块机器臂爆炸图连接关节如图2-1，A为本空间模块机器人连接关节，如图2-3空间模块机器臂连接关节内部图，导套上集成着a接触块、b弹簧柱塞、c卡盘、d驱动电机。接触块和弹簧柱塞上都连接着接线端子，当两个机器臂的对接机构对准时双方的弹簧柱塞会嵌入对方的接触块中使控制线路导通，这会提供一个信号给单片机提示连接关节已就位，可以进行下一个步骤，之后单片机发送信号给驱动电机带动卡盘旋转，使两条机器臂的卡盘相互锁死，完成对接步骤。图2-3空间模块机器臂连接关节内部图摆动关节如图2-1，B为本空间模块机器人摆动关节。在对接过程中，摆动关节可以调节摆动角度帮助连接关节对准；对接后，通过摆动关节的摆动，可以使一个模块机器人相对另一个模块机器人发生相对位置上的摆动。如图2-4是摆动关节的两个极限位置，为了防止碰撞对结构上造成的破坏，影响模块机器人的寿命及使用安全，摆动关节的摆动范围设定为不会发生碰撞的150°，在此范围内不会发生碰撞的情况下电机可正常运行。图2-4空间模块机器臂摆动关节自由度空间转动关节如图2-1，C为本空间模块机器人空间转动关节。在对接过程中，空间转动关节通过改变转动幅度大小帮助连接关节对准以及弹簧柱塞对准接触块；对接后，通过转动空间转动关节，使一个模块机器人相对另一个模块机器人发生相对位置上的转动。如图2-5，空间转动关节旋转时不会发生碰撞，故空间转动关节转动范围为360°。图2-5空间模块机器臂空间转动关节自由度伸缩关节如图2-1，D为本空间模块机器人伸缩关节，该关节是由直线导轨以及导轨滑块组成，通过直线电机驱动控制伸缩。伸缩关节作用是在对接前收缩，使两模块连接关节对准过程中不发生碰撞；在连接关节对准后伸出使连接模块接触，卡盘能够互相卡紧；对接完成后一个模块机器人可以通过伸缩关节相对另一个模块机器人接近或远离。如图2-6伸缩关节受所使用直线舵机的影响伸缩范围为30cm。伸缩关节对本空间模块机器人十分重要，在模块机器人运动时，同一个模块单元的两个机器臂之间、不同模块单元的各个机器臂之间都会在运动时发生互相运动干涉，影响运动自由度，加入了伸缩关节可以使机器臂在运动时获得更多的活动范围。图2-6空间模块机器臂伸缩关节自由度底座如图2-1，E为本空间模块机器人底座，用于集成各关节组成完整的空间模块机器人。如图2-7，四个椎体面板在锥体连接块和十字螺钉的帮助下构成一个三角锥体，锥体中通过铜柱包围着控制电路板，锥体对电路板起到保护作用。四条机器臂通过底座相接的方式构成一个完整的空间模块机器单元，电路板处于中心，对周围机器臂各关节电机可以快速控制。图2-7空间模块机器人锥体模型1.1.2关节电机本空间模块机器人所用电机均为舵机，连接关节卡盘、摆动关节、空间转动关节均使用飞特SM40BL舵机，伸缩关节使用直线舵机LAF30-024D。舵机的主要组成部分是伺服电机，即服从信号的要求而动作。在信号到来之前，转子不动；当信号到来之后，转子立即响应运动。我们可以通过给舵机输入不同的信号来控制转子旋转到不同的角度。舵机接收的是PWM信号，当信号进入内部电路产生一个偏置电压，触发电机通过减速齿轮带动电位器移动，使电压差为零，电机停转，从而达到伺服的效果。简单来说就是给舵机一个特定的PWM信号，舵机就可以旋转到指定的位置。一般来说，舵机接收的PWM信号频率为50HZ，即周期为20ms。当高电平的脉宽在0.5ms-1.5ms之间时舵机就可以对应旋转到不同的角度，具体角度见图2-10。图2-8飞特SM40BL舵机图2-9直线舵机LAF30-024D图2-10不同脉宽PWM信号对应转子转动角度飞特SM40BL舵机正式名称是12V40kgRS485串行机管机，使用齿轮比为353：1的钢齿轮、二球轴承，无负载时速度为0.153秒/60度，信号传输通道为总包线通信RS485，为半复式异步串行通信，ID范围0-253。图2-11飞特SM40BL舵机工程图因时机器人LAF30-024D是一种微型伺服电动推杆，内部集成了微型电机、减速器、丝杆机构、传感器以及驱动控制系统，可以实现行程范围内任意位置精确伺服控制。具有LVTTL3.3V串口（D型）和PWM（P型）两种接口。D型接口的驱动器可以配置地址编号（ID），多个不同ID的驱动器可以通过串口总线控制。P型接口的驱动器兼容标准舵机接口，支持50hz和333hz两种频率的PWM控制信号。LAF30-024D是螺杆接口，使用LVTTL串口，最大推拉力50N，空载速度17mm/s，工作电压在6-8.4V。图2-12直线舵机LAF30-024D伸缩状态工程图1.1.3空间模块机器人三维建模使用solidworks对空间模块机器人进行三维建模。如图2-14，此空间模块机器人由四条机器臂（图2-13）组成，每条机器臂有连接关节、空间转动关节、摆动关节、伸缩关节、舵机以及底座通过各种壳体、螺钉拼接构成。四条机器臂通过锥体连接块将四个底座构成锥体，单片机固定在锥体内。图2-13机器臂建模图图2-14模块机器人建模图1.1.4空间模块机器人结构简化及建模为了便于后续运动学分析，对空间模块机器人进行结构简化。伸缩关节对模块机器人的连接的运动轨迹规划无影响故可简化不考虑，将连接关节、摆动关节、空间转动关节、壳体、底座简化。使用solidworks对简化后的模块机器人建模（图2-15）。图2-15简化模块机器人建模图1.2空间模块机器人拓扑结构分析模块机器人系统是由大量模块单元组成的复杂系统，机器人各模块之间的连接关系和相对位置关系决定了整个机器人系统的拓扑结构，拓扑结构会随着工作任务不断变化。相比本文所研究的三模块单元系统，多个模块机器人单元也可以构成更大的模块机器人系统，如图2-16中15个模块机器人单元组成的半球形机器人拓扑结构、图2-17中25个模块机器人单元组成的双半球形机器人拓扑结构。面对不同的工作需求，模块机器人系统可以改变自身拓扑结构来满足任务需求，例如图2-17中的25模块单元系统为了进入更狭小的空间可以通过减少自身系统中模块单元的数量来缩小自身系统结构大小，当完成任务后又可以重新吸收模块单元恢复25模块单元系统，不会