爬杆作业机器人设计-攀爬-爬树机器人

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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 1 1.1研究目的 1 1.2国内外研究现状 1 1.3研究内容 3 1.4设计要求 4 2爬杆作业机器人总体方案设计 5 2.1机械方案设计 5 2.2电气控制系统设计 7 2.3小结 8 3机械系统设计 9 3.1减速机构设计 9 3.2曲柄滑块机构设计 17 3.3凸轮机构的设计 23 3.4机械手爪设计 24 3.5电动机选择 26 4电气控制 28 4.1系统论述 28 4.2直流电机单元电路设计与分析 29 4.3直流电机PWM控制系统的实现 36 5结论与展望 43 参考文献 44 致谢 45 上海电机学院 毕业设计（论文）开题报告 课 题 爬杆作业机器人设计 学 院（系） 机械学院 专 业 机械电子工程 年 级 BJ0807 学 号 BJ080725 姓 名 周益 导 师 定稿日期： 2012 年 1 月 6 日 爬杆作业机器人设计 1．选题背景及其意义 随着国民经济的飞速增长，人民生活水平的提高，城镇中随之矗立起无数电线杆、路灯杆、大桥斜拉钢索等高层建筑。这些高层建筑壁面多采用油漆、电镀、玻璃铜结构等，长期以来会形成灰尘层，酸污染影响城市的美观，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，并缩短它们的使用寿命，需要定期进行壁面维护工作。它们通常高5-30米，有的甚至高达百米，会给操作人员带来不便和危险。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，代替人工进行这些高空危险作业，从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。具有良好的经济效益和社会效益。 2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 机器人技术是近30年来迅速发展起来的一门综合学科。它综合了力学、机构学、机械设计学、计算机工程、自动控制、传感技术、电液驱动技术、人工智能、仿生学等学科的有关知识和最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。尤其是进入80年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高新技术发展计划。移动机器人作为机器人学的一个重要分枝，其研究工作始于20世纪60年代。移动机器人的最成功应用是自动化生产系统中的物料搬运，用于完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件工具传送。移动机器人的运动灵活性能，大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。现在，移动式机器人的研究开发除上述应用外，还涉及许多其他应用领。如在建筑领域完成混凝土的铺平、壁面的装修、检查和清洗：采矿业中行隧道的掘进和矿藏的开采、农林业中从事水果采摘、树枝修剪、圆木搬运；军事上用于探测侦察、爆炸物处理。福利方面进行盲人引导，病员护理等。 爬行机器人是机器人大家族中的一员，爬升机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动，完成特定条件下的作业，区别于平面移动机器人，故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支，从运动方式上来表征的一种机器人，形式是多种多样的。从动力源进行划分，主要分为机械式和气动式两大类。从有无控制系统的层面进行划分，主要分为普通型和智能型两大类。普通型就是只有动力源、执行机构，智能型相比普通型还有(反馈)控制机构。 最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人，适于高层建筑、水力发电大坝等垂直壁面和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面，已有车轮移动形、姿态可变形、尺蠖形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵引力较小。 爬行机器人并不少见，但是通常来说，这类规器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。更主要的是，平常的机器人，因为体积或行动方式的影响，不能到一些特殊的地方进行工作，比如说管道，壁面等等特种用途的领域。 国内外很早就对爬行机器人进行研究工作，获得了丰硕的成果。目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器入、电动液压式爬秆机器入和气动蠕行式爬杆机器人。电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬升器沿杆体上升下降。螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定角度，这样轮子转动时它在杆体上形成的是螺旋轨迹，沿此轨迹通过电动机的正反转，该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部汽缸夹紧，上部汽缸松开，提升汽缸活塞杆伸出，上部上升；上部汽缸夹紧，下部汽缸松开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动由实现由气压控制，需要气源和气动控铡系统，因此其设备成本较高。日本是机器人制造王国，它拥有世界上最多的机器人。在2005年5月10日展出的日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO技术开发机构)机器人周(2005年6月9日～19日)期间，在长久会场内的Morizo kiccoro会展中心举办的“机器人样机展”，其中实机演示的5种机器人中有三种是移动机器人：分别是移动跳跃机器人、脚轮式移动机器人和水陆两用蛇形机器人。 国内有苏州工业职业技术学院的曹建东等发明的气动爬杆机器人（如图1、2所示），其工作台上分别设有左，右轨道固定支架，固定支架之间设有运行轨道杆，其特点是：运行轨道杆上穿设有左，右滑动导向固定块，两滑动导向固定块上各安装双杆伸缩爬行气缸，由此可实现机器人在轨道上自动来回爬行运动。 图1 气动爬杆机器人的构造示意图 图2 气动爬杆机器人的俯视图。 图中标记为：1左轨道固定支架；2缓冲块；3左推紧气缸；4压紧块；5左滑动导向块；6方形固定块；7双杆伸缩爬行气缸；8右滑动导向固定块；9推紧缸固定块；10方形运行轨道杆；11固定三角件；12左限位固定块；13滚轮式行程开关；14导条；15传感器固定块；16定位传感器；17右限位固定块；18电磁阀组合；19 I/O信号接口；20工作台；21导线传输链；22导条固定块；23右推紧气缸；24右轨道固定支架 此外还有山东建筑大学机电学院于复生的“一种气动爬杆机器人”（如图3所示）。这种气动机器人，属于机械制造领域。该爬杆机器人是由水平夹紧气缸，汇流板和电磁阀组件，加强支架，连接块，后顶杆，侧杆，前顶杆，垂直气缸，支架组成。水平夹紧气缸其外筒的前端牢靠地安装在支架上，其活塞的前端通过联接块与后顶杆相连，后顶杆的两端有销子插在侧杆的中间，在水平夹紧气缸的带动下，后顶杆可前后移动。前顶杆通过螺钉和销钉与侧杆联接，其一端可方便地拆卸，以把机器人要爬的杆件包揽入内。加强支架通过螺钉与上下四根侧杆。汇流板及电磁阀组件，支架紧固地联接起来，构成了机器人的整体结构。这种气动爬杆机器人具有结构简单，可爬杆直径适用范围大，使用方便等优点。 图3 爬杆机器人结构图 1-水平夹紧气缸 2-汇流板及电磁阀组件 3-加强支架 4-联接块 5-后顶杆6-侧杆 7-前顶杆 8-垂直气缸 9-支架 3 研究内容 该课题主要针对直径150mm左右的杆，且保证在全负载情况下应该能够保持 100mm/s 左右的运行速度，除此之外总重应该不得超过5kg，同时得以保证最大的灵活性和最底的能量消耗。而且机器人的传动系统应该具有自锁机构以克服重力的影响。 该机器人包括夹持机构、移动机构、驱动机构等组成。夹持部分有上、下两个机械手组成。通过上、下机械手的交替夹紧来实现爬杆机器人的支点定位和蠕动。移动部分采用连杆机构，驱动部分采用电气驱动。结构示意图如图4所示。 图4 爬杆机器人结构示意图 4．研究方案 4.1方案分析 欲使机器人在杆上自由移动，必须具备两种功能：贴附功能与移动功能。贴附方式有吸附式和夹持式两种，运动方式有轮式、履带式、腿式及蠕动式。这些不同的方式可以进行多种组合，构成多种风格的机器人。 4.1.1吸附方案 吸附式是通过面接触方式紧贴于壁面上，夹持式是靠点夹紧在杆上。吸附方式又有真空吸附和电磁吸附之分，其中真空吸附式用的比较多，因为它对壁面的要求不十分严格；电磁吸附承载能力大，有很强的适应能力，但其应用范围窄，需要杆件壁面含有电磁场可吸附的含铁、钴、镶等材料。各种贴附方式的优缺点和比较如表1所示。 表1 爬行机器人贴附方案的比较 贴附方式 概要 特点 夹持式 机械手 由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上 能适应任何壁面 吸 附 式 真 空 吸 附 真 空 泵 设置许多吸盘，由真空泵装置产生吸附力，使机器人吸附在壁面上 可实现小型、轻量化，无需附加供气装置，但要求壁面有一定平滑度 喷 射 器 在本体上安装喷嘴，由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出。其周围形成真空，吸附在壁面上 能效低、噪音大，且需要供气装置，但可以达到高真空度，对壁面适应性强 电 磁 吸 附 永 磁 体 由永磁体产生吸附力，吸在壁面上 吸附时不需终部能量，但只适用于导磁性壁面的吸附 电 磁 体 电磁铁通电将其吸附在壁面上 吸附时需要电能，也只适用于导磁性壁面的吸附 4.1.2移动方案 在设计移动机器人系统时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，移动机器人的移动机构是不同的。此外，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外型尺寸及制作费用等。作为杆件爬行机器人，根据现有的技术方案，有很多种移动方式可供选择。各种移动方案的比较如表2所示。 表2 爬行机器人移动方案比较 移动方式 优点 缺点 轮 式 移动速度快，控制方便，转弯容易 接触面积小，越障能力差，易打滑。 履 带 式 接触面积大，承载能力大，移动速度快，适应能力强。 履带磨损大，结构复杂，机动性差。 腿 式 越障能力强，承载能力大，机动性好，具有很强的壁面适应能力。 结构复杂，间歇移动，速度慢，关节和足数多，控制复杂。 蠕 动 式 承载能力大，运动平稳，控制简便，适应能力比较强。 运动速度慢，结构复杂。 4.1.3动力系统比较 目前对于机器人的动力系统可以采用电气驱动、液压驱动、气压驱动等不同的方式。不同的动力系统其有不同的特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照具体的要求来选择最适合的动力系统可以达到预定的目标。 气压驱动的优点是响应速度快，结构简单，控制方便；缺点是功率质量比较小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器入在任意定位时，位姿精度不高。气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本爬行机器人的工作空间的要求，不适合在本系统中使用 电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，反应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动己经成为最普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。所以选择电气驱动的方案。 4.2 方案选择 综合上述几种方案的优缺点。本课题拟设计一种爬杆机器人，它的工作对象为城市杆状建筑，要求承载能力大、接触面积小、速度适中，适应能力强，能越障碍物。通过比较各种方案，本设计采用仿生尺蠖式蠕动爬行结构形式，这是一种新颖的变直径杆仿生爬行机构设计方案，该方案能基本满足我们设定的工作状况。尺蠖蠕动式爬行具有很多优点，可实现在运动方向上任意长的距离提升重物，能获得更大的锁紧力，从而可传送较重的物体，结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，具有较高的技术经济效果。 4.2.1机器人爬行原理分析 既然是仿生尺蠖式蠕动，那么在本机器人的设计中，将以实现机器人躯干的伸缩往复运动的主要动作为目标。往复运动的实现有很多种，常见的机构有：不完全齿轮齿条双侧停歇机构、曲柄连杆机构、圆柱齿轮齿条机构、螺旋丝杆机构等。这几种机构各有自己的优缺点，曲柄连杆机构可以很好地协调好机器人的整体工作。从图5、6中可以看出，机器人的爬行动作原理可分为以下5步： 1) 在初始状态1时，下机械手夹紧、上机械手松开； 2) 电机回转，驱动曲柄及和曲柄固接在一起的下并联盘形凸轮顺时针转动，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移动过空行程，上机械手抓紧，及状态2.； 3) 电机继续回转，此时上机械手夹紧，下机械手松开，机器人下部被提升到极限位置，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滑过空行程，上机械手松开，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5中可以看出，减速电机每转动一圈，机器人整体向上爬行一次。 图5 机器人运动过程图 图 6 机器人结构原理图 4.2.2电气设计 根据设计要求，系统可以划分为几个基本模块，如下图所示。对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案 4.2.3电机驱动调速模块 驱动电路采用H型桥式PWM脉宽调制驱动形式，如图所示。电路主要由大功率三极管B772、D882、三极管8050和光电耦合器等元件组成。该驱动电路可控制电机的正转、反转和停止 5进度计划 2011年12月---- 2012年1月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。 2012年 1月---- 2012年 2月：开始总体设计，完成机械部分，传动部分设计。完成总装配图，A0图纸1张，完成部分零件图A1图纸3张等。 2012年 2月---- 2012年3月：完成电气控制部分设计，完成电气控制系统图，A1图纸1张，撰写说明书。 2012 年 3 月---- 2012年4月：中期答辩 2012 年 4 月---- 2012年5月：编写毕业论文。 2012 年 5 月---- 2012年6月：毕业答辩准备和答辩。 6．参考文献 [1]张海洪，谈士力，龚振邦，等．壁面自动清洗机器人清洗工艺分析[J]．机电一体化，2001．(1)：1-3 [2]王园宇，武利生，李元宗．壁面清洗机器人发展趋势浅析[J]．引进与咨询，2002．(4)：3-4 [3]蒋新松．机器人学导论[M]．辽宁：辽宁科学技术出版社，1994：12．18 [4]郭洪红.工业机器人技术.西安电子科技大学出版社.2005:1-4 [5]濮良贵. 机械设计[J].高等教育出版社,2006. [6]Gordon Macomb Constructing Robot Bases. McGraw-Hill Education (Asia) Co. and China Machine Press.2006.2 [7]杨存智.爬杆（绳）机器人的研制[J].机电一体化，2003.（4）：1-3 [8]方建军 何广平，智能机器人.化学工业出版社.机电一体化.2003.12 [9] 张国平，杨杰，高婧宇．爬壁机器人真空吸附及运动方式探讨[J]．液压气动与密封，2007．(1)：1-3 [10]贾延林主编．模块化设计[M]．北京：机械工业出版社．1993：45-51 [11] Ma S，Araya H，Li L. Development of a creeping snake-robot[A]．IEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation[C]．Banff：2001：77-82 [12]蒋新松.机器人学导论[M]．辽宁：辽宁科学技术出版社，1994：12.18 [13] E. Freund and R. Mayr, Nonlinear path control in automated vehicle guidance, IEEE Trans. Robotics Automat. 13 (1), 49–60 (1997). [14] T. Hongo, H. Arakawa, G. Sugimoto, K. Tange and Y. Yamamoto, An automatic guidance system [15] 纳威.机器人集锦 [M].北京：科学出版社,2003. [16] 龚振邦等编著.机器人机械设计 [M].北京：电子工业出版社,1995. 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 开题答辩小组意见 1、论文选题：□有理论意义；□有工程背景；□有实用价值；□意义不大。 2、论文的难度：□偏高；□适当；□偏低。 3、论文的工作量：□偏大；□适当；□偏小。 4、设计或研究方案的可行性：□好；□较好；□一般；□不可行。 5、学生对文献资料及课题的了解程度：□好；□较好；□一般；□较差。 6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力： □好；□较好；□一般；□较差。 7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力： □好；□较好；□一般；□较差。 8、对论文选题报告的总体评价：□好；□较好；□一般；□较差 （在相应的方块内作记号“√”） 建议结论 评议小组组长签名： 评议小组组员签名： 年 月 日 12 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 ABSTRACT In 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 climbing The 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 1 1.1研究目的 1 1.2国内外研究现状 1 1.3研究内容 3 1.4设计要求 4 2爬杆作业机器人总体方案设计 5 2.1机械方案设计 5 2.2电气控制系统设计 7 2.3小结 8 3机械系统设计 9 3.1减速机构设计 9 3.2曲柄滑块机构设计 17 3.3凸轮机构的设计 23 3.4机械手爪设计 24 3.5电动机选择 26 4电气控制 28 4.1系统论述 28 4.2直流电机单元电路设计与分析 29 4.3直流电机PWM控制系统的实现 36 5结论与展望 43 参考文献 44 致谢 45 1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5—30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100~140mm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100~140mm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0.985 3.1.2传动零件的设计计算 <1>．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 =51 B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S＝1，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*1.25＝1.875 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V 0.567m/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 <2>.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=85 B.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： =1.8mm 7.72 (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 =0.8 D．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, =95 E．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， =20mm F．验算 =125.5N =8.4N/s<100N/s (3-30) 假设成立，计算有效。 3.1.3数据整理 <1>.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 <2>.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=0.8mm 3.2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+e>0.75 ，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： -1<<1 （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0.2kg 3.4.1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（www.jschina.com.cn）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0~1000r/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，Φ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： =U·D （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/ CeΦ，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 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 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 ITX＝1，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 × × × PS PT1 PX1 PT0 PX0 (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 1 VSS VSS为地电源 9 D2 Data I/O 2 VDD VDD接5V正电源 10 D3 Data I/O 3 VEE 液晶显示偏压信号 11 D4 Data I/O 4 RS 0输入指令，1输入数据 12 D5 Data I/O 5 R/W 0写入指令或数据，1读信息 13 D6 Data I/O 6 E 1读取信息，1→0执行指令 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正极 8 D1 Data I/O 16 BLK 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 0000H SJMP DISPLAY ORG 0003H LJMP 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 P3.0 RW EQU P3.1 E EQU P3.4 ORG 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, #0FFH SETB ET0 ；打开定时中断T0开关 CLR P0.5 CLR P0.6 CLR P0.7 SETB 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, #00H MOV R4, #00H LP9：LCALL CHUSHI LP2：ACALL BUSY MOV A, #00H MOVC A,@A+DPTR MOV P1, A ACALL DATAS INC DPTR DJNZ R1, LP2 LP3： CJNE R3,#00H,LP4 CJNE R4,#00H,LP4 SJMP LP3 LP4： MOV R7,#00H ；中断的标志 MOV R5,#09H ；CURRENT : 的字符个数 ACALL BUSY MOV P1, #0C0H ACALL ENABLE MOV DPTR, #MMTAB ACALL BUSY LP5：MOV A, #00H MOVC A,@A+DPTR MOV P1, A INC DPTR ACALL DATAS ACALL BUSY DJNZ R5, LP5 MOV DPTR, #STAB MOV A, R2 MOV P1, A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R3 ；显示速度的十位 MOVC A,@A+DPTR MOV P1, A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R4 ；显示速度的个位 MOVC A,@A+DPTR MOV 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 LP4 CHUSHI：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 ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00001111B ；显示器开、光标开、光标允许闪烁 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00000110B