王雷外文文献翻译

2020-03-03 03:25:36 来源：范文大全收藏下载本文

三连杆铰接式机器手臂的设计控制和实施

毕业论文提交

阿克伦大学研究生学院

申请学位理学硕士

Donald R.Dentler II

2008.8月

摘要

在自动进行的最重复的和最复杂的任务范围和生产环境中，机器人已成为司空见惯的了。随着技术的进步，机器人技术的发展，需要更精确和实用。本研究的目的是通过使用三杆铰接式机器手臂来研究机器人系统的行为。在深入介绍各种包括执行器，控制器和驱动程序后。机械手臂设计将遵循物理定理满足静态和动态需求。设计过程包括两个检查结构的要求和控件实现。组件选择必须优化性能和物理性能设计。通过使用机器人手臂和模拟运动的程序，协调解决出现的关于前进后退的（动力）传输问题。

第一章

简介

机器人已经成为平常在生产环境中，使得从重复性最高的任务到最复杂的实现自动化。随着科技的发展，机器人需要发展成更精确和实用。这项研究的目的有两个。第一，此文本应作为机器人和用于控制的机器人系统的力学的概述。第二，本文介绍的机器人技术原则和一般在设计中所涉及的工程知识应用和操作的机器人手臂类似。第二章概述的机器人系统的元素。详细地介绍了执行器、控制器和驱动电路，以及计算机接口。更详细的是联系这些组件于一体的物理准则。

第二章

机器人系统概述

通常，机器人用于执行困难、危险或对人类来说单调的作业。他们举起重物、油漆、焊接、处理化学品，其长时间执行工作而不会疲劳。机器人由各自的运动性质所决定。本节介绍机器人有以下的分类： • 笛卡尔

• 圆柱

• 极地

• 铰接式

笛卡儿机器人

笛卡尔或龙门机器人由三棱柱形接头（图 1）受限制的运动来定义。由矩形造成的重合的轴定义工作区圆柱机器人：

如果直角坐标机器人的棱柱形接头之一交换的关节型，形成了一个圆柱的机器人。圆柱机器人的运动是由圆柱的坐标系定义的。图 2 说明了带壳圆柱工作区

旋转接头球机器人：

两棱柱形节点形式球形机器人。球形、或极性，机器人是其轴构成极坐标系统的设备。这个机器人手臂工程工作在带壳球区中，图 3 所示。

铰接式机器人：

代以关节型最终棱柱形接头变成机械臂的手臂。任何其手臂已至少三个旋转接头的机器人被认为是一种铰接式的机器人（图 4）。工作区是一套复杂的交叉领域。

在机器人领域的最常用作动器的电动马达，其分为步进或伺服的类型。步进电机开环系统中的最佳表现和伺服电动机非常适合封闭的环的应用程序。将随开放和封闭环路系统详细讨论这些两个具体的执行机构。

步进电机步：

步进电机是简单的机械，相比其他电机在内部没有复杂设计。电枢转动是通过按顺序切换磁场中实现的。步进电机的类型，基于永久磁铁和/或铁转子的使用与叠层钢定子的不同可以分为三个类别：

• 永磁

• 变磁阻

• 混合。电机绕组：

混合步进电机定子，可以以两种方式，unifilar 和双线绕组。线圈影响当前电流如何流经电机，和马达又如何执行。

Unifilar绕组：

Unifilar 有只有一个定子磁极线圈。图10阐释了典型的 unifilar 电机的接线原理图：双线绕组：

双线绕组电动机有两个一模一样的绕组对每个定子极点来说。图 11 演示了这两个 6 和 8 铅配线图。

步进电机可能会加强取决于如何以及何时定子电压式三种方式之一。步进模式有：

• 全步模式

• 半步模式

• 斯达微步模式

驱动程序功能确定哪些步进模式是用户可用的。完整步进：

标准混合步进电动机有 200 转子牙齿或 200 每电机轴的革命的全部步骤。200 的步骤分为 360 度旋转，等于 1.8º 全步的角度。通常情况下，完整步骤模式被通过交替倒车当前时断电两个线圈。本质上，从驱动程序的一个数字输入是等效的一步。半步进：

进半步只是意味着一电机的 200 牙齿旋转在革命每 400 步骤。在此模式中，一个线圈通电，然后两个线圈激发交替，导致在半的距离或 0.9º 旋转转子。半步进是更实际的解决办法不过，在工业应用中。尽管它提供了稍差一些的扭矩（约 70%的电机额定的控股扭矩），半步模式增加全步模式的决议，并增加位置精度。扭矩减少可以通过相应地调整大小马达来抵销该应用程序。

微步：

细分是相对较新的步进电机技术，用于控制当前在电机绕组进一步细分的两极之间的职位数目的程度。目前，斯达微步驱动程序都可以旋转，1/256 的一步（每步）或超过 50,000 每革命的步骤。这提供电机手术非常顺利，为减少机械噪声和系统共振。这种增强的性能与权衡下跌电机扭矩。图 12 海图的扭矩减少单步是划分。每步电机 256 步骤只生产 0.61%的全部持有扭矩。在某些情况下，这不可能甚至是足够的扭矩，旋转的轴，这将影响电机的准确性。

伺服电动机：

"伺服电机"一词没有指向一个单一种电动机。相反，它是指任何类型的命令信号接收从控制器的电机。在这同一方面，任何闭环系统可以被称为伺服系统。图 13 关系图一种典型的伺服系统的运作。

这种灵活性允许的几种适合类型的电动马达在伺服系统中使用。这些电动马达包括：

• 永磁直流电动机

• 无刷直流电机

• 异步交流电机

电磁电机运行基于原则上带电导体在磁场中的磁场力是垂直于该字段。这是由定义：

F =qv *B

（1）

其中：

• F 是描述磁力

• q 的向量是电荷

• v 的严重程度是带电粒子速度

• B 的矢量幅度是描述磁场的矢量

不过，电动马达的情况下，可作为标量量化力：

F = I * L * B

(2) 其中：

• F 是线圈的磁力

• i是线圈中的电流 • L是线圈的长度 • B是磁场强度

永磁直流电动机: 直流永磁电机基于永磁步进电机，一个类似的概念，但它是机械逆。PM 步进依赖固定线圈和附加到转子动产的磁铁，直流永磁电机却平稳的电磁铁。线圈缠在转子和换向器，这可以切换当前的方向，并导致电机顺时针旋转或逆时针方向通过电刷耦合（图 14）。因为当电流在时，电机轴将可以自由旋转，编码器必须用于向控制器提供反馈。直流永磁电机较为常见，但是很多的马达问题与相关的电刷和通勤之间的接口，可以是成本效益。这两个组件之间的接触导致摩擦，并可以打乱了较高的速度。无刷直流电机解决了这些问题。

无刷直流电动机 [17] : 一个无刷直流电机换向器替换电子控制器的电刷。此控制器保持固定线圈中适当的电流。图 15 显示基本图的无刷直流电机。

应当指出的是无刷直流电机的内部布局看上去非常类似于永磁步进，然而依赖反馈装置如霍尔效应来跟踪的转子位置传感器直流无刷电机。这提供了精确的速度控制。无刷直流电机有更高得初始成本比传统的直流电机，但这些费用通常由提高了性能和消除的替换电刷所需的维修费用。

电机驱动电路：

通常诱使电机旋转的必要扭矩产生的控制电路的电流不足够高。为此，受雇驱动电路。他们管理由电动机电流较高和数字控制信号从控制器转换由电动机的运动。驱动程序还管理的电流产生顺时针或逆时针旋转运动的方向。步进电机驱动程序的类型

一般，有三种基本类型的步进驱动程序技术，它们是：

• 单极

• 电阻/有限驱动器电阻

• 双极斩波

所有驱动程序利用"翻译"的步骤和方向的信号从索引器转换到电动机的电脉冲。"交换机设置"或瘳电机绕组的电路的驱动程序选项的本质区别。图 21 显示从控制器步进电机的信息的流动。

单极驱动器：

一个单极驱动器由与中心抽头绕组的或两个单独的绕组每相，这限制了当前指向一个方向流动。将反向，从一个移动当前使用每个相位，两个交换机，如图 22 所示的另一半绕组的一半。因此，单极的交换机集是驱动器的简单又便宜。然而，单极驱动器利用只有一半可用导电线上的卷清。因此，单极的驱动程序的输出扭矩被减少了将近40%相比其他技术。单极的驱动程序的速度相对较低的一步操作的应用程序中有用。

电阻/有限驱动器电阻：

有限 (R/L) 驱动程序简单又便宜。驱动程序限制供电电压和绕组的电阻电流。通过增加供电电压的高速性能得到改进。此增加的供应电压 R/L 驱动器中必须附有额外的电阻器的限制（图 23）上一级电流线圈系列。此称为滴的电阻器的电阻被添加到保持有用的速度在增加。这种方法的缺点是滴电阻器的功率损失。此过程还会产生过多的热量，必须依靠其当前的源的直流电源。双极斩波两极斩波器：

到目前为止，双极斩波两极斩波器驱动程序用于工业应用最广泛使用的驱动程序。虽然他们通常设计更昂贵，但他们提供高性能和高效率。此驱动程序采用了两种不同的原则，来控制在电机绕组的当前流：双极开关集和截流。本节解释了这两个。双极性的驱动，顾名思义，切换当前方向上单绕组转移跨终端的电压极性。极性开关来实现使用四个交换机配置如图 24 所示。此配置称为 H 桥。

斩波器驱动程序背后的方法是马达的使用是马达的导致显著增加，在当前的标称电压比高出数倍的供电电压。通过控制工作周期的菜刀，创建了平均电压和平均当前平等名义电机电压和电流。此恒流控制的优势是，具有较大的扭矩，无论电源供电电压变动的管理。它还提供了最短可能当前集结和逆转的时间。

此外，这些驱动程序使用与循环二极管和维护反馈电压成正比电机当前的感应电阻器的 H 桥的四个晶体管。电机绕组，使用双极斩波器驱动程序，都要充分供应水平受到打开开关晶体管的一套。感应电阻发展线性上升，直至达到所需的级别比较器由监察的电流与电压。此时的顶尖的开关打开并通过底部的开关和二极管维护电机线圈中的电流。电流衰减发生直到达到预设的位置并重新开始这一进程。这种"劈"效果是供应的什么维护正确的当前电压电机在所有时间（图 25）。

图 26 所示 H 桥配置为恒定电流斩波。取决于如何在关闭期间切换 H 桥，当前要么通过一个晶体管和一个二极管（路径 2）重新分发，给当前的慢衰减，或通过电源（路径 3）重新分发。

伺服电动机[6]：

使用电子脉冲控制伺服驱动程序。通常情况下，使用规管脉冲晶体管。有三个基本的晶体管电路用于伺服电机控制；线性脉冲，脉冲宽度调制和脉冲调制频率。线性驱动程序：

线性驱动程序运行使用晶体管，但在规管的供电量始终处于活动状态。晶体管作为一个阀，，基于输入电压，它从连接的电压源绘制的当前。以这种方式，控制器作为一个水龙头。例如，如果晶体管收到全系列输入电压的一半，然后电机运行在半电源。线性驱动器提供一个稳定的电机转速和控制。脉冲宽度调制驱动程序：

脉宽调制驱动程序通过调整不同的时间周期，它适用于电机调节电源。这种方式，平均功率控制通过脉冲的工作周期。如果脉冲宽（亦即，电源周期）发送到的平均功率电机是高导致其转得更快，等等。图 27 所示脉冲宽度是如何确定的平均电压。这种方法的优点是因为全额功率消耗的晶体管它始终是处于完全在低电压下或短路状态。需要更少的电力意味着晶体管可以小一些，导致可使用较小包装的驱动程序。脉冲频率调制驱动程序：

能控制的不是同脉冲的工作周期，而不是本身的脉冲宽度。这种技术被称为脉冲频率调制。PFM 驱动程序运行在给定的时间段生成高的平均电压和许多生成低的平均电压脉冲应用到几个脉冲。图 28 演示脉冲频率调制的概念。随着 PWM，晶体管要么是完全打开或关闭。由于对调制脉冲频率所需的系统比较复杂，脉冲频率调制的驱动程序并不常用。

计算机接口：通常情况下，设机器人控制器的计算机。计算机可以翻译数据脉冲马达驱动程序所处理的程序的命令。本节概述了其中一个最常见的接口、并行端口和如何跨它传输数据的详细信息。

并行端口 [7] [8]：

当 PC 将数据发送到打印机或其他使用并行端口的设备时，它可以同时发送数据（1 字节）的 8 位。这些 8 位在相互平行被传输，相对于同一八位正在传输顺序进行，一次通过串行端口 1 位。标准的并行端口是能够发送的数据，每秒 50 到 100 kb 为单位。图 29 显示的常见的配置并行端口，有 25 针的 DB25 的布局。以下是针脚的说明： • 针 1 — — 维护 2.8 和 5 伏特，称为闪光信号之间的电压。数据发送到打印机时，电压低于 0.5 伏计算机发送一个字节的数据。

• 针脚 2 — —9 通过使用 PC 和接收实体之间交换数据。一种简单方法，用于指示是否有点的值为 1 或 0。每次电平5 伏通过发送特定的针的位值为 1。电平指示值为 0。 • 针 10 — — 在针 1 相似的方式运行。电压降指示到确认收到数据的计算机。这被称为确认信号。·

• 11 — — 通常用作打印机忙的信号时被控销。在打印机准备好接收更多的数据时，电压低于 0.5 伏。

• 针 12 — — 一个被控在打印机缺纸时的 5 伏信号。

• 针 13 — — 打印机联机信号。不断的反应，表明打印机是积极和准备好接收信息。 • 针 14 — — 自动喂给移动通过系统纸打印机的信号。

• 针 15 — — 错误信号，让计算机知道是否有任何问题。它表示错误使用低于 0.5 伏，类似于其他的针脚，电压降。

• 针 16 — — 低于 0.5 伏的电压降初始化打印机.• 针 17 — — 正在充电会使打印机脱机。直到宜使打印机联机.• 针脚 18-25 — — 这些都是要用作低（低于 0.5 伏）电平的参考信号的地面针脚。十六进制转换：

当从一个端口写入或读取，整个字节（8 位）的状态将定义一次。当更新的状态时，二进制数是写入（或从读取）的端口 1 或 0 的每一位。例如，如果要将移动到逻辑状态 1 2 和 7 针的二进制的输入应 0,0,1,0,0,0,0,1。为加快编程，以其十进制等效，33 输入此号码（表 2 显示公约）将转换为二进制与十进制数字十六进制。虽然表在这里被截断，点票可以轻松地继续达 255 （最多可以写入一个字节）使用此方法。例如，十进制的规模 16 对应于 10000 的二进制的规模。此外，应该指出的是添加前导零为二进制数不会增加其十进制值。换句话说，如果逻辑状态设置为 1针上 2 和其他的针脚上 0 二进制输入将 00000001，但它仍会输入 1 作为十进制格式。

第三章

机器人臂的设计

本节讨论具体的假设和有关为这项研究的目的建造的机械臂设计参数。

速度：

一个三角形速度配置文件被假定为这项研究。加速和减速都被假定为 5 秒。峰值 ω 和峰值 α 分别为峰值角速度和加速，并定义：

peak ω= 0.3142 peak ω rad/s α= 0.0628 peak α rad/s2 peak 运动学设计：

机器人由3个完全旋转接头构成。其自由度是3。控制：

使用此设计的控制器三轴，开放环阻力有限 (R/L) 型控制器。

执行器：

步进电机被选为这个机器人手臂的驱动器。

材料：

6061 T6 铝用于这个机器人手臂和加工性能组件的大多数。321 不锈钢建造底座部分。

机械手臂设计：

专为这篇论文使用在南汽软件建模设计的 3 连杆链接的机器人手臂的装配图。图 37 显示装配图，而图 38 给组件的分解视图。

机器人工作区：

工作区是通过图41和39 定义的。深度是 4.5 英寸、高度是 15.0 英寸和总共（链接 0）旋转角度是 90 °，由 [0,90] 的范围定义 (图 40)。链接 1 允许具有一系列变化范围 [-40,70] （图 41 (a)），共有 110 ° 和链接的旋转 2 允许的范围 [-80,90] (图 41 (b))，总的 170 ° 旋转。

翻译：王雷

班级：机自0804

时间：2012/3/20

*以上即为对此文献对应的翻译，其中图片只在原文（英文）文献中标出。