智能电子创新制作机器人机械.docx
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智能电子创新制作机器人机械
智能电子创新制作----机器人制作入门
机器人机械
2.1机械设计原则
机器人竞赛活动中的机器人制作包含机械、电子、软件等许多方面。
刚接触此项比赛的选手常会特别重视电路及软件编程,而忽视机械。
其实,机械部分才是机器人设计中最关键的部分。
因为,任何动作的设计,最终都要通过机械去完成。
如果机器人出现问题而需要修改的话,机械部分也是最耗费时间和资金的。
因此,刚开始策划参赛时,最重要的是把实现目的动作的机械设计构思完善。
如果有拿不准的地方,可先制作木模或纸膜作一个简单的实验。
在送工厂加工前,要确保设计无误,图纸正确。
总之,对机械部分投入更多的时间和精力是非常必要的。
机器人的机械设计是一种随意性很大的创新工作。
实现一个相同的动作,会有很多完全不同的机械设计。
到底什么样的设计方案最好,很难有一个明确的答案。
原则上讲,在机械设计中,应该以简单为第一准则。
在设计的全过程中,要时刻贯穿尽量使用最简单、明了、直接的结构去实现所需功能的设计理念。
可以肯定地说,在实现相同功能的前提下,最简单的机械结构,就是最好的机械设计。
当前的机器人竞赛,大多要求机器人在运动中现在所要求的动作,进而达到比赛的目的。
因此,对装配后的机器人要反复训练、调整、改进,不断地加以完善。
故而对每一个参赛者提出如下要求:
①在总体结构上,保证机器人稳定可靠地工作。
②提高机器人的工作效率。
③尽可能简化机器人的结构。
④在赛前,模拟真实比赛环境条件,反复进行演练,不断发现问题,不断调整、修改并加以改进,是机器人更加稳定可靠,效率更高。
只有如此,方可有胜出的希望。
2.2常用机械零件
▪齿轮
机器人常用的齿轮有:
①直齿轮:
直齿轮是机器人制作结构中最常使用的一种齿轮,呈圆柱形,轮齿均匀分布于外圆柱面,轮吃面垂直于轴,轮齿平行于轴线。
②斜齿轮:
斜齿轮也呈圆柱状,轮齿和轴线成一定角度。
相对直齿轮、斜齿轮转动更安静,可以传递更大载荷,承受最高转速。
③涡轮:
涡轮由蜗杆和涡轮两部分组成,可以视为用两个斜齿轮以适当角度配对传动。
其中蜗杆样子像螺栓,轮齿具有很小的螺旋角。
蜗杆的从动轮使用斜齿轮或直齿轮。
涡轮工作安静,可以获得极高的减速比,并具有自锁功能。
自锁功能意味着当没有功率输入的时候,涡轮依然能够保持在原位置,不会因重力或其他原因出现反向移动。
对于机器人竞赛来说,在某些情况下,特别需要自锁功能。
蜗杆和从动轮分别在垂直平面和水平平面上转动,可作垂直方向转动。
④锥齿轮:
又称伞齿轮,其外形呈圆锥状。
它的轮齿可以使直齿,并和旋转方向垂直。
也有少量伞齿轮的齿轮是弯曲的。
伞齿轮可承载的能力比较大,而且和涡轮一样,可以作垂直方向旋转力转动。
⑤行星齿轮:
行星齿轮其实是直齿轮的组合,主要用于承载能力很强而空间却有限的场合,例如直流电机的变速箱部分。
▪齿条
齿条是在一个矩形长条上,所有齿平行排列成直线的机械零件。
它可以固定带有小齿轮轴转动的部件,既可以将旋转运动转换成直线运动;或者固定齿条部分,当小齿轮转动时,带有小齿轮的部件则会在齿条上产生平行运动。
▪同步轮、同步带
同步轮是一种特殊的齿轮,它与同步带配合使用。
作为力的传动,同步轮上的齿形、齿距等参数必须和使用同步带严格一致。
经同步带连动的两个轴的转动参数则完全同步。
当需要多个零件动作完全一致地同步进行时,应采用同步带机构。
同步带机构必须利用配套的齿形带轮和同步带
▪皮带轮和皮带
通过传动皮带,将2个皮带轮相连,在改变转速情况下进行动力传送。
皮带轮的主要参数有轮的外径以及轮上的皮带槽。
常见的有矩形、半圆、梯形几种,皮带槽的形状则根据传送带的形状来决定。
机器人竞赛常先选用合适的传送带,再决定皮带轮的加工。
▪轴承
为减少摩擦力,提高机械效率,轴承是常采用的部件。
机器人竞赛中使用的是微型轴承,轴承内径为4~6mm,外径为13~20mm。
轴承加装单盖或双盖,以防止灰尘进入。
轴承内径中的轴以及外径安装孔都要精确加工成紧配合。
对微型轴承的安装过程,要特别小心,防止去变型或损坏。
▪轴
机器人结构中常使用各种直径的轴。
由于轴相对比较细长,加工困难,价格又高,因此可在金属构件店购买各种直径的轴销来代替,效果很好。
直径分别为3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm的轴销都能购买到,可用钢锯或其他方法加工成合适的长度来使用。
▪螺杆
螺杆也是机器人装配中常用到的,在家庭装潢商店可以购买到吊顶用的6-8mm的螺杆。
在金属构件商店,还可以买到不锈钢或黄铜螺杆。
对于所需螺杆的长度小于10mm的情况,可直接购买长螺丝钉来代替。
▪车轮
目前,竞赛机器人大多采用轮式或履带式移动机构,少数双足机器人也并非真正意义上的双足。
日本近年研制出表演型的双足机器人,比较接近真正意义上的双足,其复杂程度和耗费的资金,绝非一般机器人竞赛所能及的。
机器人移动的车轮,一般由硬铝加工而成,车轮的直径根据机器人底盘离地的要求并参考移动速度而定。
直径小,底盘距地低,重心低,稳定性较好。
一般选择车轮的直径为60-80mm。
加工要求同心度高,对于车轮中心的轴孔,要求最好外嵌大于10mm厚的黄铜外套。
轴套上等分钻三个紧固孔,孔内壁攻M3或M4的螺丝,以便将动力轴固定在车轮上。
为增大机器人移动时与地面间的摩擦力,防止打滑,要将车轮外圈加工成矩形槽,以橡胶等摩擦力大的物质包裹在车轮外圈。
比较可行的方法之一,是选择合适内径的橡胶密封圈仅仅套在车轮的矩形槽内。
因此,车轮的最终尺寸要和能得到的橡胶密封圈型号与内经相吻合。
密封圈可在橡胶商店内可买到。
▪万向轮
使用两轮驱动的机器人,常将两轮驱动作为主动轮安装在后部两侧,而在前部正中央位置安装一个万向轮,主要用以支撑。
万向轮在受力情况下可向任何方向移动,将机器人设计成带有万向轮的三轮机构,可以减小转弯半径,由于前部万向轮的灵活性,机器人可以按要求实现运动控制。
▪履带
使用履带也是竞赛机器人常用的移动方式之一。
它比车轮移动惯性小,容易控制,但速度比轮式低。
履带移动机构比较复杂,自制困难,加工造价高,一般从玩具厂选择合适的尺寸,购买全套部件装配使用,或者直接购买履带式玩具加以改装。
使用宽的同步带进行再加工,也可充当履带使用。
▪连轴器
顾名思义,连轴器的功能就是将主动轴和从动轴连接起来,从而使驱动轴随主动轴转动。
连轴器有刚性连轴器和弹性连轴器两类,每类又有两端相同轴径和不同轴径之分。
刚性连轴器要求在安装中,主动轴要和驱动轴完全同心转动,否则因受力不平衡等原因,极易造成相连部件的损坏。
驼机
除直流电机和步进电机外,驼机也是一种很好的选择。
驼机是为航模设计的,可以精确控制飞机,车船模型的驼面,为其提供动力与运动的设备。
在机器人中,可以提供和保持更为精确的角度控制。
1.驼机的工作原理
驼机本质是带有闭环控制的直流伺服电机,驼机由三个部分构成
●小型直流电机:
提供原动力。
●多级减速齿轮:
减速比达180:
1,使输出转矩增大180倍
●和输出轴联动的电位器:
它随时将输出转轴的角度位置转化为电信号。
这三个部分紧凑安装在一个壳体内,有三根输出线,分别是电源正极,负极和角度控制信号输入线,对外还有一个动力输出轴。
驼机的输入信号是周期为20ms,脉宽为0-2.5ms的脉冲位置调制(PPM)。
驼机的控制电路将PPM解调后与电位器的反馈电压相比较,如有差异,直流电机则对转角进行调整,直到两者电压完全一样。
此时,电机准确停止在制定的位置。
实际上,驼机是一种角度位置伺服机构。
2.驼机的主要参数
●转角范围:
一般应为60,也可以找到90,甚至180的驼机
●传出力矩:
驼机驱动能力,用单位N.·m表示,指距驼机轴1M处的力矩,从0.0004—1.98N.·m都有。
●速度:
驼机转动60所需时间单位为S
●电源:
工作电压和工作电流。
●齿轮材料:
对于输出力矩特别大的驼机,常标有黄铜,铝齿等字样。
物理参数:
长、宽、高尺寸和重量。
3·驼机的控制
驼机的转角控制
直流电机的速度和方向控制使用H桥,其中使能端控制转动方向,而PMW端控制转动速度。
而驼机的转角控制使用的是脉冲位置调制,它和PMW容易混淆,但意义完全不同,两者比较如下:
●PMW可在一定范围内选择;而PPM只能是固定的20ms。
●PMW在周期内的脉宽比可以从0—1;而PPM的脉宽只能在20ms周期中的0—2.5ms之间的部分对信息编码。
对应的驼机角度在0—180之间变化。
●为保持直流电机某一转动速度,PMW必须保持脉冲宽度的调试比不变;为保持驼机某一角度不变,必须保持输入驼机的控制信号PPM脉冲的位置调制值不变。
4驼机的驱动电路
对于大转矩的驼机,工作电流相对变大,必须使用功率较大的转换器。
使用直流电机的H驱动桥可以代替驼机驱动器,但要注意H桥的方向控制在PPM中不必使用,再者PWM的周期一定要严格保持20ms,同时PMW的脉冲宽度也是只能在0—2.5ms内变化。
5,驼机的工作电压
通常驼机的额定电压为4.8V,也有用6V的。
工作电压高的驼机功率更强,速度更快。
当短时间工作时,可以将驼机的电压适当提高,但不应该超过原额定电压的1.2倍。
随着使用电压的提高,驼机的转矩明显增大,速度变快,伴随而来的确是驼机的发热。
6,小型驼机测试电路
使用555芯片构建一个驼机测试电路,如图7.40所示。
电阻误差小于0.05,电容误差小于0.1,0.144μF电容可以用0.1μF并联0.047μF来代替,四节碱性电池或者6节可充电电池可接7805输入端。
将电池接好,并将驼机电流和信号线结上,打开电源开关K,LED亮。
此时旋转电位器,驼机应跟随阻值大小而转动。
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