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。