电动机控制系统的设计毕业设计Word文件下载.docx
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美国
图1-1
图1-1所示是美国斯坦福大学的一个研究小组在2006年开发的一种仿壁虎机器人，称为Stickybot。
Stickybot具有4只粘性脚足，每个脚足有4个脚趾，趾底长着数百万个极其微小的用于粘附的人造毛发（由人造橡胶制成），每个脚趾都有脚筋，脚筋可以实现脚趾的外翻与展平。
每个脚足上的4个脚筋可以联动，从而轻松实现脚足与附着面的最大接触以及脚足粘附材料与附着面的吸附于脱附。
从图上分析，壁虎的腿是个四杆机构，依靠一个电机实现腿的前后移动，并借助另外一个电机实现四杆机构平面的转动从而实现抬腿动作。
此外，应该另有一个马达实现壁虎脚趾的驱动。
Stickybot从吸附原理、运动形式、机器人外形上都比较接近真实的壁虎。
CMU（CarnegieMellonUniversity）微小型机器人实验室研制了两种结构形式的爬壁机器人。
一种是具有两个行走轮、每个行走轮上具有3个吸附足的爬壁机器人，吸附足采用特殊的粘性材料粘附在墙面上。
其移动方式本质上是轮式移动，前进和倒退通过改变两个轮子的转动方向即可实现。
支撑足与轮毂是球销副连接，既可以在行进时围绕足踝轴转动，也可在转弯时围绕足中心轴旋转。
转弯的时候一边的轮子不转，通过另一边的轮子转动来实现机器人的转弯。
由于采用滚动方式，因而可以实现不同法向面的过渡，即从地面可自主爬到竖直面上。
它的机构比较巧妙，用两个足式轮子实现了爬行、转弯等运动，还可以实现墙面过渡。
缺点是采用的是粘性材料对壁面的要求较高，稳定性不是很好，吸附面积有限，载重能力不强。
另一种是CMU开发的履带式壁虎机器人，其履带是由特殊的粘性材料制作的，可以粘在墙面上，使得机器人在墙面上的行走有如履带机器人在地面上的行走。
其移动就是履带传动，通过两头动力轮的转动实现履带在墙面上的移动，在前端的履带被压在墙面上实现粘附的同时后面的履带被拉起。
履带式机器人粘附面积较大，可以承受较大的负载，也可从地面过渡到竖直面上，但由于履带机器人转弯时存在滑动摩擦，会破坏吸附，因而不能实现转弯。
加州大学伯克利分校与iRobot合作开发了Mecho-Gecko壁虎机器人。
Mecho-Gecko是两轮驱动的四轮式机器人，驱动轮上长有三足，通过在足上预装粘合剂和剥离粘合剂来实现对壁面的吸附，其结构相对比较复杂。
美国克利夫兰CaseWesternReserveUniversity设计了一种轮腿式爬壁机器人，其机构就像一辆汽车有4个车轮，每个车轮上面装有由具有粘性的聚合物材料制成的叶片。
同一条轴上的两个轮子的步调是错开的，以保证在行动的时候有一边的轮子能够粘在墙面上。
但它只能向前爬行，不能实现后退、转弯等动作，所以它只是作为一种爬行材料的验证机器人，要实现实际的用途还有待改进。
日本
为了实现各种法向面的灵活过渡，东京工艺研究院和Isikawajima-Harima重工业有限公司联合设计开发了“忍者”机器人。
“忍者”机器人的吸附方式采用的是一种被称为VM（汽门复合管理）的高功效真空吸盘，褶皱或者粗糙的墙壁都可以吸附。
它有4条腿，每条腿上装有一个真空吸盘的足，每条腿都有3个自由度，可以往3个方向挪动。
该机器人可以很方便地实现前进后退，也可以横向移动，也很容易实现墙面过渡。
它的移动方式是与移动方向同侧的两条腿吸附在墙上，另外两条腿移动，然后交换，如此交替实现移动。
日本三菱重工业公司正在销售的一种磁性爬壁喷涂机器人，可以吸附在20mm以上厚度的建筑物上，磁力可达2000kgf左右，并能沿各种磁性结构运动，如钢筋墙壁、天花板，甚至在潮湿的壁面运动，速度可达10m/min。
日本应用技术研究所研制出一种车轮式磁吸附爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。
这种爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：
行走稳定，速度快，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。
1989年，日本东京工业大学的宏油茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，每个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。
中国
国内仿壁虎机器人技术的研究主要针对爬壁机器人展开，沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、上海大学、上海交通大学、北京航空航天大学等研究单位都已经对爬壁机器人做了大量研究，部分技术已经产品化，这些机器人主要采用了真空吸附和电磁吸附原理，其中用于非导磁壁面如高层建筑壁面清洗的机器人一般采用真空吸附方式，导磁壁面如大型锅炉的壁面清洗以及具有放射性废液储罐焊缝的检测和修复的机器人主要采用电磁吸附方式。
哈尔滨工业大学时我国较早开展爬壁机器人研究的单位之一，他们开发的CLR-2型壁面清洗爬壁机器人2000年在北京国贸大厦正式投入使用。
CLR-2采用圆形的吸盘进行吸附。
上海大学谈力士等人设计开发了面向球形存储罐检修的球面移动爬壁机器人，它采用真空吸附方式和腿足式移动机构，可以适应不同曲率半价的曲面，并可跨越300mm高的障碍。
北京航空航天大学机器人研究所也是国内较早开展爬壁机器人技术研究的单位之一，其研制开发的“蓝天洁士”系列爬壁清洗机器人已向上海大学图书馆、国家大剧院、北京西站等单位销售多台。
“蓝天洁士”以2个紧密相连的、成十字交叉状的无杆气缸构成其主体。
机器人可以再X、Y两个方向运动。
在X和Y气缸的顶端有4个Z向气缸用以支持和升降机器人的主体。
各个Z向气缸下端分别固连有2个真空吸盘，使得机器人能够吸附于附着面。
该机器人机构简单，可自主运动，但缺点是气缸位置的精确定位比较困难。
2005年北京航空航天大学机器人所研制出了微小型爬壁机器人，大小只有270mm*270mm，自重3.2kg，吸附力可达15kgf。
该机器人采用负压吸附方式，由中央高速旋转电机将内腔抽成真空，用弹性橡胶作裙边密封，可以适应具有不超过2cm宽浅沟的粗糙壁面。
采用轮式移动，通过调节两侧车轮的转速实现机器人的前进、后退和转弯。
2006年研制的正压贴附爬壁机器人，它基于直升机原理，将螺旋桨总距设成负值从而产生压力，将机器人压附在墙面上，这种正压机器人由于采用空气压力贴附在壁面上，所以对壁面粗糙度和材料均无要求。
国内其它一些研究机构还研究了抡腿轮换式负压爬壁机器人、磁吸附履带式爬壁机器人、被动负压履带式爬壁机器人等。
1.1.2壁虎机器人关键技术
目前，仿生机器人研究的两个主要方向是运动机理的研究和行为方式的研究。
壁虎机器人应该是能在各种壁面与天花板上灵活运动的机器人，它主要模仿的是壁虎的吸附能力和运动能力。
●吸附技术
传统爬壁机器人有真空吸附和磁吸附两种吸附形式，真空吸附方式具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凹凸不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力和承载能力明显下降。
磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。
永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。
磁吸附方式对壁面的凹凸适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。
近年来，科学家研究较多的是一种叫作干性粘合剂的吸附技术并己获得较大进展。
干性粘合剂实际是一种人造仿生壁虎脚。
生物科学家发现，壁虎每个脚趾上有许许多多褶襞，每个褶上密布着无数根刚毛，而每一根刚毛的尖端又都分布着数千个更加微小的衬垫，使壁虎脚掌和物体间的接触几乎接近分子水平，于是两种不同分子之间的吸引力被壁虎巧妙充分地利用，这种特殊的黏着力是由壁虎脚底大量的刚毛与物体表面分子之间产生的“范德瓦尔斯力”累积而成的。
根据计算，一只大壁虎的四只脚产生的总作用力压强相当于10个大气压。
壁虎就是通过“范德瓦尔斯力”牢牢地吸附在墙面上。
科学家在生物壁虎原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，探索出一种与壁虎趾表面结构相近的、经物理改性的极性高分子材料（人造仿生壁虎脚干性粘合剂），并应用MEMS加工技术，设计制作出模拟壁虎脚趾的吸附装置，该吸附装置能适应各种材质（如玻璃、粉墙和金属等）和任意形状的表面（如平面、柱面、弧面、和拐角等）。
但目前干性粘合剂的附着能力比起真实壁虎还相差很多，加工不易但易损耗。
此外还有正压吸附方式，它能适应各种表面，但还有待于进一步深入研究。
表1-1吸附方式优缺点比较
吸附方式
优点
缺点
负压吸附
对壁面材料无要求，负载能力较强，技术相对成熟
壁面粗糙度要求高，需要真空泵，有噪音，太空中不适用
正压贴附
适应各种壁面
技术尚不成熟，有噪音，太空中不适用
电磁吸附
控制方便，负载能力强，无噪音
壁面需导磁，耗电
永磁吸附
不耗电，负载能力强，无噪音
壁面需导磁，控制较繁琐
干性粘剂
适应各种壁面，无噪音
加工较难，易耗损，技术尚不成熟
●移动技术
目前，壁虎机器人的移动方式主要是车轮式、履带式、导轨式、腿足式和混合式。
车轮式移动速度快、控制灵活，但维持一定的吸附力较困难，越障碍能力差；
履带式对壁面适应性强，着地面积大，但不易转弯，越障碍能力差。
导轨式移动也较快，具有一定的越障碍能力，但不能转向。
腿足式移动灵活，地面适应能力强，具有较高的越障碍能力和不同平面之间的过渡能力，但移动速度慢、控制复杂。
混合式一般采用轮足混合，兼具车轮式移动和腿足式移动的优点，但控制和结构也更为复杂。
目前，常见的腿足式机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。
结构主要为缩放型机构、四连杆机构、多关节串联机构、平行杆机构、并联机构和摆动缩放机构。
在微型爬壁机器人中以四连杆机构和并联机构应用较多。
●能源供给
常规机器人能源供给一般采用有缆方式或者采用电池供电。
有缆方式的优点是电力供应充足，缺点是电缆会对机器人的移动范围形成约束，并且电缆重力会对机器人形成一定影响。
电池供电可以省去电缆，但其能量有限，而且电池随着体积的缩小供电性能急剧下降，能量密度有待进一步提高。
此外，新的能源供给方式也在积极探索之中。
比如，通过微波对微机器人提供能量和控制信号就是一种较为理想的方法，日本DENSO公司已经较为成功地将微波技术应用到一台由8层PZT驱动的无线微型腿足式管内机器人上。
●驱动方式
目前，常规的壁虎机器人驱动装置主要是气泵和电机。
对于微小型壁虎机器人，传统驱动方式其性能随体积减小而迅速降低，且导致传动系统复杂化，引起结构复杂、传动误差增加、摩擦增大、重量加大等一系列问题，因而难以适用。
针对微小型机器人，要采用新材料、新工艺开发出新型的微驱动器，如目前已有直线驱动电机、压电陶瓷（PZT）、超声电机、形状记忆合金（SMA）等新型驱动器出现，其中以形状记忆合金、超声电机驱动器最引人注目。
（1）SMA驱动器
SMA的主要特征是具有形状记忆效应，即某些被变形的金属具有受热后恢复其原来形状的能力。
SMA驱动器具有以下优点：
①功率/质量比大；
②结构紧凑、轻巧，可直接输出直线运动；
③动作柔顺、适应性强，可感知温度和位移的变化；
④无噪音、无污染；
⑤易于控制，可通过控制电压或通电时间来实现加热控制。
SMA的缺点是响应慢、位移小、寿命短、退化和费电。
但目前这些不足已基本上得打了很好的解决。
如美国NanoMuscle公司开发的SMA驱动器，每秒钟可以往复运动数次，最大行程可达到自身长度的13%，可连续往复运动数百万个周期，仅仅需要几百毫安的供电。
所以SMA驱动器在微型爬壁机器人上将具有较好的应用前景。
（2）超声电机
超声电机又称电压马达，是采用压电材料驱动的一种新型微持电机，它利用逆压电效应使定子机体产生柔性波动，进而在定子表面质点的振动摩擦作用下将振动能耦合成转子的力矩输出。
超声电机具有体积小、质量轻、结构简单紧凑、定位精度高、响应速度快、低转速、大力距输出等特点。
由于超声电机具有众多的优点，使得它将在微型机器人上具有很好的应用前景，但由于超声电机对于驱动信号有较高的要求，所以控制相对复杂。
1.1.3壁虎机器人发展趋势
经过对壁虎机器人国内外现状的分析和壁虎机器人各类关键技术优缺点的比较，结合机器人技术发展的总体趋势，我们认为壁虎机器人的发展有如下趋势：
⏹吸附方式将越来越多地采用干性粘合剂
负压吸附方式和磁吸附方式技术发展已经相对成熟，并已有商用化产品出现。
但它们的缺点也是显而易见的。
干性粘合剂作为一种仿生智能材料，能够适应各种材质壁面，并且没有噪音。
虽然目前其吸附能力还比较差，但相信随着MEMS加工技术和新材料的发展，人造壁虎脚掌的性能将会有明显提升。
目前，西方发达国家都很重视对壁虎脚掌仿生材料的研究，我国南京航空航天大学也已经开展相关方面的研究。
⏹向微小型化发展
科学家预言，21世纪的尖端技术之一是微型机器人。
仿生微型机器人可用于小型管道检测作业，可进入人体肠道进行检查和实施治疗而不伤害人体，也可以进入狭小的复杂环境进行各种作业。
因此，壁虎机器人的小型化和微型化是一个发展趋势。
⏹移动方式用腿足式
在移动机器人中，轮式和履带式移动方式已获得广泛的应用，但是腿足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。
腿足式移动方式的机器人可以相对较容易地跨过比较大的障碍，并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形适应能力更强。
正是由于腿足式移动结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上，尤其是在微小型爬壁机器人上，有着较好的应用前景。
⏹生物壁虎机器人
生物机器人是借助于电子信息技术刺激来控制动物神经信号，从而达到对动物的运动或某些行为的人为控制目的的技术。
日本和美国DARPA都已设立了生物机器人研究计划，而我国南京航空航天大学也已经展开了生物壁虎机器人技术研究并已取得初步的成果。
通过在壁虎上安装载荷并控制壁虎来完成任务将在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面较仿生壁虎机器人具有更明显的优势。
1.2课题的基本内容
设计一个电动机控制系统，通过控制机器人关节电动机，实现仿壁虎型机器人的行走控制。
用FutabaS3107舵机作为驱动电动机；
采用电磁铁作为吸附装置代替仿壁虎脚掌材料。
1.3课题的研究方法、技术路线、研究方案
研究方法：
在网上和图书馆查阅课题相关资料参考文献、同学间的讨论和请教指导老师
技术路线：
分为机器人控制系统硬件电路、C语言软件编程、模拟仿真。
硬件电路可包括电源电路、控制系统电路、通信电路、舵机等。
设计方案：
主控部分使用PIC16F877A单片机；
供电分两部分供电，分别为舵机供电和控制电路供电；
通信部分选用MAX232和MC55；
舵机用FutabaS3107舵机；
采用电磁铁作为吸附装置代替仿壁虎脚掌材料；
CAD模型进行仿真测试。
1.4课题的效果预测
通过分析仿真，设计的仿壁虎机器人能够模仿壁虎爬行行为，并且满足应用人工壁虎脚掌材料对爬行运动的要求，而采用的对角线步态可以完成壁虎直线行走以及原地转弯动作。
第二章电动机控制系统设计
2.1电动机种类
在各类机电系统中，由于直流电动机具有良好的启动、制动和调速性能，直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。
随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）直流调速技术成为一种常用的直流调速方法，它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。
PWM驱动装置与传统晶闸驱动装置比较，具有下列优点：
需用的大功率可控器件少，线路简单；
调速范围宽；
电流波形系数好，附加损耗小；
功率因数高；
可以广泛应用于现代直流电动机伺服系统中。
2.1.1步进电动机
步进电动机是一种将数字信号转换为位移的几点执行元件，每当输入一个脉冲时，转轴变转过一个固定的机械角度，可以通过控制脉冲的个数来控制电动机的角位移量，从而达到精确定位的目的；
同时还可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
目前，比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）和单相式步进电动机等。
它具有结构简单、可靠性高、成本低、快速启停、精确步进、没有积累误差且能直接接收数字信号的特点，在数字控制系统中得到了广泛地应用。
2.1.2舵机
最近几年国内机器人开始起步发展，很多高校、中小学都开始进行机器人技术教学。
小型的机器人、模块化的机器人、组件式的机器人是教学机器人的首选。
在这些机器人产品中，舵机是最关键，使用最多的部件。
根据控制方式，舵机应该称为微型伺服马达。
早期在模型上使用最多，主要用于控制模型的舵面，所以俗称舵机。
舵机接受一个简单的控制指令就可以自动转动到一个比较精确的角度，所以非常适合在关节型机器人产品使用。
仿人型机器人就是舵机运用的最高境界。
1）舵机的结构
舵机简单的说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等，并封装在一个便于安装的外壳里伺服单元。
能够利用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。
舵机安装了一个电位器（或其它角度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据电位器的信息能比较精确的控制盒保持输出轴的角度。
这样的直流电机控制方式叫闭环控制，所以舵机更准确的说是伺服马达，英文servo。
舵机的主体结构如图2-1所示，主要有几个部分：
外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。
简单的工作原理是控制电路接收信号源的控制信号，并驱动电机转动；
齿轮组将电机的速度成大倍数缩小，并将电机的输出扭矩放大响应倍数，然后输出：
电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动角度；
电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度，然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。
图2-1舵机的结构
舵机的外壳一般是塑料的，特殊的舵机可能会有金属铝合金外壳。
金属外壳能够提供更好的散热，可以让舵机内的电机运行在更高功率下，以提供更高额扭矩输出。
金属外壳也可以提供更牢固的固定位置。
齿轮箱有塑料齿轮、混合齿轮、金属齿轮的差别。
塑料齿轮成本底，噪音小，但强度较低；
金属齿轮强度高，但成本高，在装配精度一般的情况下会有很大的噪音。
2）舵机的规格和选型
当今使用的舵机有模拟舵机和数字舵机之分，不过数字舵机还是相对较少。
下面的技术规格同时适用于两种舵机。
舵机的规格主要有几个方面：
转速、转矩、电压、尺寸、重量、材料等。
我们在做舵机的选型时要对一下几个方面进行综合考虑。
●转速
转速由舵机无负载的情况下转过60°
角所需时间来衡量，常见舵机的速度一般在0.11/60°
～0.21S/60°
之间。
●转矩
舵机扭矩的单位是KG·
CM，这是一个扭矩单位。
可以理解为在舵盘上距舵机轴中心水平距离1CM处，在舵机能够带动的物体重量。
●电压
厂商提供的速度、转矩数据和测试电压有关，在4.8V和6V两种测试电压下这两个参数有比较大的差别。
如FutabaS-9001在4.8V时扭力为3.9kg、速度为0.22秒，在6.0V时扭力为5.2kg、速度为0.18秒。
若无特别注明，JR的舵机都是以4.8V为测试电压，Futaba则是以6.0V作为测试电压。
舵机的工作电压对性能有重大的影响，舵机推荐的电压一般都是4.8V或6V。
当然，有的舵机可以再7V以上工作，比如12V的舵机也不少。
较高的电压可以提高电机的速度和扭矩。
选择舵机还需要看我们的控制卡所能提供的电压。
●尺寸、重量和材质
舵机的功率（速度×
转矩）和舵机的尺寸比值可以理解为该舵机的功率密度，一般同样品牌的舵机，功率密度大的价格高。
塑料齿轮的舵机在超出极限负荷的条件下使用可能会崩齿，金属齿轮的舵机则可能会电机过热损毁或外壳变形。
所以材质的选择并没有绝对的倾向，关键是将舵机使用在设计规格之内。
用户一般都对金属制的物品比较信赖，齿轮箱期望选择全金属的，舵盘期望选择金属舵盘。
但需要注意的是，金属齿轮箱在长时间过载下也不会损毁，最后确是电机过热损坏或外壳变形，而这样的损坏是致命的，不可修复的。
塑料出轴的舵机如果使用金属舵盘是很危险的，舵盘和舵机轴在相互扭转过程中，金属舵盘不会磨损，舵机轴会在一段时间后变得光秃，导致舵机完全不能使用。
综上，选择舵机需要在计算自己所需扭矩和速度，并确定使用电压的条件下，选择有150%左右甚至更大扭矩富余的舵机。
3）舵机的工作原理
FUTABAS3107微型舵机的性能：
①尺寸（mm）：
21.8*11*19.8。
②重量：
9g。
③工作速度：
0.12s/60°
。
④输出功率：
1.2kg/cm。
舵机的基本组成就是三个部分：
一个齿轮减速直流电动机、一个内置减速器和一个位置反馈器。
舵机的连线有三根，以Futaba的舵机为例，红色的为正电源线，黑色的为地线，白色的为控制信号线，如图2-2所示。
图2-2舵机控制线定义
标准舵机电源线和地线用于提供舵机内部的直流电动机和控
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