探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計
探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計,探測,機器人,系統(tǒng),設(shè)計
控制界面源程序
// wl.cpp : Defines the class behaviors for the application.
//
#include "stdafx.h"
#include "wl.h"
#include "wlDlg.h"
#ifdef _DEBUG
#define new DEBUG_NEW
#undef THIS_FILE
static char THIS_FILE[] = __FILE__;
#endif
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// CWlApp
BEGIN_MESSAGE_MAP(CWlApp, CWinApp)
//{{AFX_MSG_MAP(CWlApp)
// NOTE - the ClassWizard will add and remove mapping macros here.
// DO NOT EDIT what you see in these blocks of generated code!
//}}AFX_MSG
ON_COMMAND(ID_HELP, CWinApp::OnHelp)
END_MESSAGE_MAP()
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// CWlApp construction
CWlApp::CWlApp()
{
// TODO: add construction code here,
// Place all significant initialization in InitInstance
}
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// The one and only CWlApp object
CWlApp theApp;
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// CWlApp initialization
BOOL CWlApp::InitInstance()
{
AfxEnableControlContainer();
// Standard initialization
// If you are not using these features and wish to reduce the size
// of your final executable, you should remove from the following
// the specific initialization routines you do not need.
#ifdef _AFXDLL
Enable3dControls(); // Call this when using MFC in a shared DLL
#else
Enable3dControlsStatic(); // Call this when linking to MFC statically
#endif
CWlDlg dlg;
m_pMainWnd = &dlg;
int nResponse = dlg.DoModal();
if (nResponse == IDOK)
{
// TODO: Place code here to handle when the dialog is
// dismissed with OK
}
else if (nResponse == IDCANCEL)
{
// TODO: Place code here to handle when the dialog is
// dismissed with Cancel
}
// Since the dialog has been closed, return FALSE so that we exit the
// application, rather than start the application's message pump.
return FALSE;
}
電機控制程序
org 00h
ajmp start
org 30h
START：? ；??檢測鍵盤狀態(tài)的程序
mov p0,#0ffh????? ?? ；置p0為輸入口，將P0口置為1，用于檢查按鍵是否按下
jnb p0.0,QIDONG????? ；按鍵S2按下，p0.0為0，進入啟動（正轉(zhuǎn)）程序
jnb p0.1,FANZHUAN?? ；按鍵S3按下，p0.1為0，進入反轉(zhuǎn)程序
jnb p0.2,JITING??????? ；按鍵S4按下，p0.2為0，進入急停程序
jnb p0.3,JIASU???????? ；按鍵S5按下，p0.3為0，進入加速程序
jnb p0.4,JIANSU??????? ；按鍵S6按下，p0.4為0，進入減速程序
jnb p0.5,TINGZHI????? ? ；按鍵S7按下，P0.5為0，進入停止程序
ajmp start
QIDONG. ；啟動程序，默認為順時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為2000RPM
LCALL YANSHI?? ；調(diào)用延時子程序，目的：軟件消除按鍵抖動
JNB P0.0,QI
LJMP START ；軟件消抖后，若p0.0為1，則認為按鍵未按下，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
QI:???
clr p0.6????? ；p0.6接電機R/S端，將其清零表示電機可以運行?????????
setb p0.7???? ；p0.7接DIR端，為1，則與COM端斷開，電機正轉(zhuǎn)
mov p2,#0Bh ；p2.0接CH1，p2.1接CH2，p2.2接CH3，將速度設(shè)定為2000RPM
lcall XIANSHI? ；顯示設(shè)定速度
LJMP START ；執(zhí)行完啟動程序后，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
FANZHUAN: ；反轉(zhuǎn)程序，也即逆時針轉(zhuǎn)動
LCALL YANSHI?? ；調(diào)用延時子程序，目的：軟件消除按鍵抖動
JNB P0.1,FAN
LJMP START??? ；軟件消抖后，若p0.0為1，則認為按鍵未按下，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
FAN:????
clr p2.3???????????? ；接通BRK端，使電機急停
lcall PANTING?? ；調(diào)用判停程序,能從判停程序中返回，說明機已停
setb p2.3??????? ?? ；斷開BRK端，解除急停狀態(tài)
clr p0.7?????????? ? ；接通DIR端，使電機逆時針轉(zhuǎn)動
lcall XIANSHI??? ?? ；顯示設(shè)定速度
LJMP START??? ；執(zhí)行完啟動程序后，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
；急停程序
LCALL YANSHI?? ；調(diào)用延時子程序，目的：軟件消除按鍵抖動
JNB P0.2,JI
LJMP START ；軟件消抖后，若p0.0為1，則認為按鍵未按下，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
JI:???
clr p2.3????????? ；接通BRK端，使電機急停
lcall PANTING???? ? ；調(diào)用判停程序，若能從中返回，說明電機已停
LJMP START? ? ；執(zhí)行完啟動程序后，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
JIASU: ；加速程序，每按一次鍵，加速500rpm
LCALL YANSHI? ；調(diào)用延時子程序，目的：軟件消除按鍵抖動
JNB P0.3,JIA
LJMP START? ? ；軟件消抖后，若p0.0為1，則認為按鍵未按下，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
JIA:?
mov a,p2???? ；將p2的值復制到累加器a中
anl a,#07h?? ?? ；取ch3ch2ch1的值，并放到累加器a中???
jz START??? ?? ；若a中值為0，則速度已經(jīng)最大，不再加速，回到檢測按鍵狀態(tài)程序??????
mov r0,p2
dec r0
mov p2,r0?????????? ；加速500rpm（參考電機驅(qū)動器說明中的多段速度選擇部分）
lcall XIANSHI???? ?? ；顯示設(shè)定的速度
LJMP START????? ；執(zhí)行完啟動程序后，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
JIANSU: ；減速程序，每按一次鍵，減速500rpm
LCALL YANSHI? ；調(diào)用延時子程序，目的：軟件消除按鍵抖動
JNB P0.4,JIAN
LJMP START??? ；軟件消抖后，若p0.0為1，則認為按鍵未按下，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
JIAN:?
mov a,p2??
anl a,#07h?????????? ；取ch3ch2ch1的值???
cjne a,#07h,JS???? ；若a中數(shù)值為07h，則速度已為0，
ljmp START????? ?? ；若速度為0，則程序回到開始程序，不再減速，以防出錯
JS:
mov a,P2
inc a???
mov P2,a?? ? ；減速500rpm（參考電機驅(qū)動器說明中的多段速度選擇部分）
lcall XIANSHI?????? ；顯示設(shè)定的速度
ljmp START?? ；執(zhí)行完啟動程序后，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
TINGZHI: ；?停止程序
LCALL YANSHI? ；調(diào)用延時子程序，目的：軟件消除按鍵抖動
JNB P0.5,TING
LJMP START??? ；軟件消抖后，若p0.0為1，則認為按鍵未按下，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
TING:??
setb p0.6??????? ；p0.6接R/S端，為1，則與COM端斷開
lcall PANTING??? ? ；調(diào)用判停程序，若能從中返回，說明電機已停
LJMP START???? ；執(zhí)行完啟動程序后，回到檢測按鍵狀態(tài)程序
YANSHI: ；延時10ms,這是一個子程序，功能是延時10毫秒
mov a,#0????????? ；對累加器a置零，延時用
y:???
mov r1,#00h????? ? ；對寄存器r1置零，延時用
inc r1
cjne r1,#0ffh,y??? ；延時1ms
inc a
cjne a,#10,y????? ；延時10×1=10ms
ret
PANTING: ；判停程序，這是一個子程序，若能從判停程序中返回，則說明電機已停
jnb p2.4,yanshi250ms ；若speed端為0，則進入延時程序
ajmp PANTING?? ；若speed端為1，則返回PANTING，等待speed端出現(xiàn)0電平
yanshi250ms:
clr p2.6??????????? ；允許對計數(shù)器置數(shù)
mov p3,#08h???????? ?? ；對計數(shù)器置入數(shù)8
setb p2.6??????? ??? ；計數(shù)器開始計數(shù)
mov a,#0?????????? ? ；對累加器a置零，延時用
y250:???
mov r1,#00h???????? ；對寄存器r1置零，延時用
inc r1
jb p2.5,PANTING??? ? ；若期間Tc為1，則電機未停，返回PANTING，繼續(xù)判斷
cjne r1,#0ffh,y250???? ；延時1ms
inc a
cjne a,#250,y250????? ；延時250ms，
ret???
；若至延時結(jié)束Tc一直不改變狀態(tài)，則說明speed端口無脈沖輸出，認為電機停轉(zhuǎn)，程序
；返回。
；在電機停轉(zhuǎn)之前，單片機不響應按鍵狀態(tài)的改變。
XIANSHI: ；顯示程序，這是一個子程序
mov a,p2??????????? ? ；將當前的速度設(shè)定值讀入a中
anl a,#07h???????? ? ；取ch3ch2ch1的值，存入a中
mov b,#4
mul ab????? ；取得低位速度值對應的相對地址，存入a中
add a,r3???????????? ；得到低位字符地址，放在a中
mov scon,#00h????? ? ；初始化串行口方式0
mov r2,#0?????????? ；利用r2來控制顯示字符數(shù)
mov dptr,#tab???? ?? ；字形表的入口地址
mov r3,a??????????? ；低位速度值地址存入r3
?x:????? add a,r2??? ；利用a與r2的和獲得字符地址
???????? movc a,@a+dptr??? ；查表獲得字型碼，放在a中
???????? mov sbuf,a????????? ；串口顯示
???? l:? jnb ti,l??? ；等待發(fā)送完畢
???????? clr ti???? ；發(fā)送標志ti清零
???????? inc r2
???????? mov a,r3
???????? cjne? r2,#4,x??? ；發(fā)送四個字符
???????? ret
tab:?? db 03h,03h,49h,0dh
????? db 03h,03h,03h,0dh
????? db 03h,03h,49h,27h
????? db 03h,03h,03h,27h
????? db 03h,03h,49h,9fh
????? db 03h,03h,03h,9fh
????? db 03h,03h,49h,0ffh
????? db 03h,0ffh,0ffh,0ffh
END
單片機通信程序開發(fā)
ORG 0000H
AJMP START ;轉(zhuǎn)到初始化程序
ORG 0023H
AJMP PGUART ;轉(zhuǎn)到串行中斷服務子程序
START: MOV SP,#60H ;堆棧指針初始化
MOV P0,#0FFH ;P0端口初始化
MOV P1,#0FFH ;P1端口初始化
MOV P2,#0FFH ;P2端口初始化
MOV P3,#0FFH ;P3端口初始化
MOV TMOD,#20H ;定時器T1工作于模式2,自動重裝載
MOV TH1,#0FDH ;TH1初值為"0FDH",9600bps
MOV TL1,#0FDH ;TL1初值為"0FDH",9600bps
MOV SCON,#50H ;串行口工作于方式1,允許接收
SETB TR1 ;啟動定時器T1
SETB ES ;允許串行口中斷
SETB EA ;開總中斷
CLR UABIT
輕量級絲杠作動器設(shè)計在便攜的機器人的應用
機械設(shè)計報
凱文·W.霍蘭德·托馬斯G.唐
一個便攜機器人是直接與它的用戶聯(lián)系的一個受控和開動的設(shè)備。同樣，也要求這個設(shè)備必須也是便攜的，輕量級的，最重要的是安全的。為了達到這些目標。標準絲杠的設(shè)計通常不能很好的按要求執(zhí)行這些。典型的絲杠有很低投球角度和大的半徑，從而產(chǎn)生很低的機械效率和很大的重量?？墒?，使用文本中的設(shè)計程序，效率和重量是被改進的; 因而可以產(chǎn)生一種與人的肌肉相似的絲杠系統(tǒng)。例子中的問題說明一個可行性的絲杠設(shè)計應該是277 的功率質(zhì)量比，接近驅(qū)動它的馬達，即312W/kg，并且機械效率為0.74和最大動能到11.3 kN/kg的絲杠設(shè)計。
1引言
在美國，有五分之一的人有不同形式的殘疾，這些人當中，61％的人患有感覺或身體殘疾。在老年人中，8％到19 ％是步態(tài)失調(diào)。許多殘疾人可以獨立的受益于某種形式機器人的協(xié)助。一個便攜機器人是一個被計算機控制和驅(qū)動的裝置，是直接接觸用戶的。這種裝置的目的是增強用戶的行為能力。在病人治療期間，它可以用于訓練，或是僅僅當作一種協(xié)助病人完成日常生活的裝置。"便攜"的含義是指機器人必須攜帶方便，重量輕，而且安全是最重要的。相比之下，工廠車間的機器人是沒有這些功能的，因此，要簡單修改現(xiàn)有的技術(shù)是不可能實現(xiàn)的。設(shè)計便攜機器人的標準方法有三大局限性;
1低電池功率密度；
2電機的低強度質(zhì)量比；
3重量和安全性的機械傳動系統(tǒng)。
這些工作的目的是審查絲杠驅(qū)動器的設(shè)計過程;結(jié)果顯示在局限性第三項方面有了重大改進，即，重量和安全性的機械傳動系統(tǒng)。
2 背景
有趣的是，在便攜機器人學領(lǐng)域的研究已經(jīng)超過了過去十年的增長。最近，浪涌的利益可以歸因于電子小型化、微處理器能力和無線技術(shù)擴散的推進。提高便攜計算機控制設(shè)備的能力的可行性是可以實現(xiàn)的。
然而，除便攜式的計算平臺的可及性之外，必須談及物理機制的問題。在便攜機器人發(fā)展中，主要的問題是強度質(zhì)量比、重量和安全。有多少可利用的動力可完成機械功？機器人設(shè)備有多少額外的力給人？還有，如何轉(zhuǎn)移這些動力和怎么一直維護安全等？用戶和開動的機器人之間的安全互作用在便攜機器人設(shè)計中是一個首要問題。
一個便攜的機器人系統(tǒng)的目的是將操作員通過存貯設(shè)備獲得的努力和能量抵消，即，電池、燃料電池和空氣坦克。作動器的效率和整個系統(tǒng)的重量沉重影響分享在操作員和機器人之間的工作負擔。在很多情況下，機器人加給用戶的額外力量，能多完成一項測量任務。這意味著機器人不僅必須增添操作員的能力，也必須補嘗它自己另外的重量。
2.1 作動器的比較。
很多機器人作動器被比作成人的骨骼肌的標準。設(shè)計師了解他們好的功率強度比和優(yōu)秀的強制生產(chǎn)能力就是為了動作器與骨骼肌相比擬。為了匹配骨骼肌的性能，重要的是知道其中一些措施。不幸地是，生物文學中的普遍性是:被測量的肌肉參數(shù)是變化繁多的。雖然報告參數(shù)有一個寬的變化，這些參數(shù)一直能給生物材料行為標度的感覺。制成表的數(shù)據(jù)和幾個原始估計數(shù)據(jù)被用于描述人的肌肉表現(xiàn)屬性和結(jié)果如表1所示。
表1：作動器比較：通過機械效率，勢能，和校正動能對各種各樣的作動器類型進行比較：
允許與有效能的運用直接進行比較。然而，在便攜機器人作動器的發(fā)展中這兩個參量需要得到審查?？紤]到所有作動器在100%效率中運行，然后整個小組能直接地由他們各自的功率強度比進行比較?？墒?，如果勢能中的動力被提供給每臺作動器，由于他們各自的效率僅僅是輸出一小部分動力。所以，適當?shù)乇容^上面被描述的作動器，他們校正的勢能必須計算,即：
(1)
機械效率和Pwt是原始的功率質(zhì)量比。對各種動作器演算的結(jié)果如表1所示
表1的內(nèi)容是從文獻或基于那些文獻的估計中獲得的。dc馬達的參數(shù)是:Maxon RE40馬達。 傳動箱組合的參數(shù)在Maxon 2004編目中能夠找到。一臺電系列有彈性作動器的參數(shù)用于估計這些參數(shù)。然而，一個一般大小的絲杠系統(tǒng)可能有更好的強度質(zhì)量比，因為它有很高的負載能力，并且有很低的重量。對于McKibben樣式的空氣肌肉，從各種各樣文獻中發(fā)現(xiàn)了描述它的相關(guān)方法。
比較中顯然顯示的是校正功率質(zhì)量比，cP，dc馬達的參數(shù)，空氣肌肉和人的骨骼肌是都是簡單匹配的。然而，馬達上一旦加上額外的硬件，它的執(zhí)行力會極大減小。基于動作器的重量，如果能修改一個不是很大的dc馬達重量的機械傳動系統(tǒng)，則它接近于人的骨骼肌的功能可能會實現(xiàn)。
3絲杠設(shè)計
如上所見，當一個典型絲杠系統(tǒng)與其他便攜機器人作動器在概念上進行比較時，它的性能是有限的。產(chǎn)生這種低性能的主要原因是它的機械效率很低。如果在一個標準絲杠系統(tǒng)中使用大約是=0.36的摩擦系數(shù)，會有更好的潤滑效果。
相反，典型的球螺絲系統(tǒng)有非常好機械效率。 滾珠軸承的滾動接觸對這個系統(tǒng)的摩擦作用會保持很低。然而，效率雖然有了改進，球螺絲作動器的cPt參數(shù)仍然低于那骨骼肌，這是因為球螺絲系統(tǒng)的重量很大。如果改進球螺絲的cP性能，那么重量的減少就可以實現(xiàn)了。
機械設(shè)計學報
圖1 絲杠外形; 主角l…在一個單一螺旋螺絲中是等效的
用于設(shè)計圍攏絲杠的基本數(shù)學也適用于球螺絲系統(tǒng)。這兩個機械傳輸之間的主要差別是他們的摩擦系數(shù)。在以下部分會考慮影響絲杠重量和機械效率的設(shè)計參數(shù)，并且對它的cP進行改進。
3.1絲杠外形
在圖1顯示的是普通絲杠的基本外形。絲杠的關(guān)鍵參量是主角l，螺絲半徑r和前置角。主角l是螺絲每次改進達到的位移數(shù)量，一個高精度螺絲有非常小或非常好的主角。在圖1的正三角形顯示的螺絲的唯一一次改進被剝開的構(gòu)造。前置角代表螺紋的斜面或傾斜度。 三角的基礎(chǔ)是螺絲軸的圓周，三角形的右腿是它的主角，螺線螺紋的弦代表路徑長度。
并且在正三角形中看出使螺母舉起負載的強大的力。負載的力量顯示為F，螺絲的扭矩強度是F,在螺絲螺紋上的正常反作用力是N，并且摩擦力是N。從這張圖中，舉起的扭矩的等式就可以是：
(2)
3.2 對R。
還考慮，絲杠的外形在圖1可以顯示主角 l是由螺絲半徑r和前置角描述的。這些可改變量之間的關(guān)系是：
(3)
(4)
公式4的意思是r、螺絲半徑和，前置角，都是需要螺絲主角l的。這意味著在r和之間存在一個連續(xù)的關(guān)系。雖然存在這個連續(xù)的關(guān)系，多數(shù)螺絲系統(tǒng)還是被設(shè)計成非常小的前置角。從首選螺絲大小的經(jīng)驗來看，雖然各自的直徑都在變化，但前置角都小于3°。
在公式4種顯示對所有螺絲主角的需求，各種各樣的半徑都可以使用。這個意義在于螺絲半徑 r的變小，螺絲的重量是通過r2減小的。因此，要補嘗小螺絲半徑，必須考慮前置角這個參數(shù)。
前角，
圖2絲杠系統(tǒng)機械效率：遮蔽一部分的圖表多數(shù)是絲杠的典型設(shè)計區(qū)域。是小的，半徑大，重量大，并且效率是較低的。在圖表的未遮住的區(qū)域設(shè)計，是大的，暗示更小的半徑、更低的重量和更高的效率。
3.3效率對阿爾法。
對于一個便攜機器人的設(shè)計，不僅絲杠作動器的重量是一個重要問題，而且作動器的效率也是非常關(guān)鍵的。如上所述，螺絲半徑的減小可以使動作器的重量大大減小。然而，要減小螺絲半徑，必須增加前置角 ，以保持恒定的主角。當看公式2時，可以看出要求承受負載的力矩Fw，取決于兩前置角和摩擦系數(shù).
影響螺絲效率的是前置角和摩擦系數(shù)，圖2顯示對摩擦系數(shù)_和前置角_的沖擊在于絲杠系統(tǒng)的效率
(5)
在圖2的每條線是基于摩擦系數(shù)不同的參數(shù)。幾份普通的工程材料作為例子給讀者一個在絲杠系統(tǒng)中能有不同物質(zhì)或涂層的作用的感覺。這個圖表示，當前置角增加，機械效率就增加; 或者至少到達一個峰值。
理論上，選擇最大效率采摘角度是有利的。一個絲杠系統(tǒng)在高效率運行時需要使負載力矩達到最小Fw。在高峰值效率發(fā)生的角度可以取決于與角度效率有關(guān)的參數(shù)，結(jié)果是可以看到的。
(6)
雖然一個高前置角可能提高效率，但它也可能導致反驅(qū)動系統(tǒng)。一個反驅(qū)動系統(tǒng)是一種負載力矩，沒有力矩協(xié)助的情況下，螺絲可能自轉(zhuǎn)，因而允許負載自我降低。反驅(qū)動絲杠不適合應用于汽車起重器，但是可以應用于便攜機器人當中。因此反驅(qū)動的前置角是：
(7)
不管產(chǎn)生多么高的負載力量，多么低的摩擦系數(shù)系統(tǒng)，前置角和摩擦系數(shù)總是影響這些條件的，例如球螺絲，反驅(qū)動是一個必然結(jié)果。
4 實用考慮
理論上，如先前的文獻所顯示，是希望螺絲半徑 r減小的，甚至到一個幾乎微觀尺度。然而，從設(shè)計和制造業(yè)方面來講，這不是一種實用的解決方案。雖然從重量和效率的角度來講小螺絲的直徑和高前置角是極其重要的，但他們可能不允許設(shè)計師適應物理系統(tǒng)的力量需要。例如軸向產(chǎn)生，壓縮折和機制困境都需要被考慮。考慮到單一的超薄的螺絲也許是輕量級的，它可能沒有一個系統(tǒng)所需要足夠的負載能力。但可以使用單一的，或幾個螺絲，就會有足夠大的負載能力。用幾個小螺絲承受大載荷是沒有重量優(yōu)勢的，作為因計算一個螺絲斷面產(chǎn)生的重量和壓強。然而，使用幾個小螺絲承受載荷可能允許對高前置角的持續(xù)使用和在高效率中運行，甚至在很高負載。通過推擠絲杠原材料物產(chǎn)極限，可以達到軸向很高的負載。這種工作方法的好處在于一個緊張系統(tǒng)比它壓縮軸承更好運作的系統(tǒng)。當考慮到減小一個既長又細的螺絲的負載時，類似于McKibben作動器甚至人的肌肉，（絲杠作動器能被設(shè)計負擔僅緊張裝載），因而消除共折的考慮。在一個便攜機器人中創(chuàng)建緊張驅(qū)動系統(tǒng)不一定意味著需要一個對抗性。實際上，與一個協(xié)助機器人相比，殘疾人在做單一的直接動作時，肌肉存在弱點，因此，這些人是非常需要動作器幫助的。
對于那些推擠螺絲半徑和因此導致前置角的極限超過最大效率的設(shè)計師，摩擦極限角度多少是可以傾斜的。所有這些的物理解釋是系統(tǒng)捆綁或鎖，由導出的公式2可以看見。一個由公式（2）導出，可以產(chǎn)生以下關(guān)系
(8)
除被列出的實用考慮之外，還可能存在著許多其他問題。包括扭轉(zhuǎn)力僵硬或屈服力甚至熱擴散等。這些因素中的每一個都是重要的并且都需要我們考慮?？墒?，這個練習的目的是展示選擇一個設(shè)計或選擇螺絲系統(tǒng)的典型方法。這個選擇方法的好處是可直接適用于一個便攜機器人系統(tǒng)的設(shè)計。
5 例子中的問題
展示一份粗糙設(shè)計報告，考慮高峰距小腿關(guān)節(jié)扭矩在到一個有能力裝載80 kg的個體并且是0.8 Hz的跨步頻率期間的連接扭矩。在步態(tài)期間的腳腕扭矩峰值大約是100毫微米。這個峰值大致發(fā)生在45%的步態(tài)周期。步態(tài)周期是指一只腳跟的停止到這支腳跟下一次停止的時間。腳趾是承受另一只腿重力和開始搖擺的點。 搖擺階段的判斷是步態(tài)再次安置腳回到腳跟停止位置時，然后下一個步態(tài)周期開始。
例如，讓我們考慮修造一個腳腕步態(tài)協(xié)助絲杠作動器。我們假設(shè)協(xié)助水平在30%左右和到小腿關(guān)節(jié)是12厘米的力矩臂。
表2作動器問題比較：絲杠設(shè)計I和II與人的肌肉的效率比較，對勢能的比較，校正勢能和動能的措施的比較。
這些參數(shù)都可以根據(jù)自己的個人經(jīng)驗并且在合理的范圍內(nèi)進行修改和變化。參數(shù)和可用的參量接近于Maxon馬達，即RE40，這個例子中，主角長度的范圍已經(jīng)確定了;它的范圍可以是
解決設(shè)計兩個絲杠的問題:第一個設(shè)計問題是解決最大效率。假設(shè)是2 mm和=0.05，螺絲在=43.5°、半徑是0.34mm 的地方產(chǎn)生的效率是90%。這樣小的一條半徑，需要多個螺絲承受負載。即使如此，估計作動器的勢能是280 W/kg 。通過馬達重量和預測的傳輸系統(tǒng)，劃分需要的功率峰值就可以得出勢能的大小。我們從以前的工作知道了，輔助組分的重量成比例可以減小螺絲和螺釘?shù)闹亓俊?
第二個設(shè)計，絲杠II，從商業(yè)供營商得到可利用的維度。 螺絲的=13.6°和0.82的效率。 更大一些的維度也可行，動作器的勢能最好是277 W/kg。為了達到比較的目的，這個例子出現(xiàn)的問題結(jié)果制成了表格。表2顯示兩個絲杠設(shè)計方案的數(shù)字結(jié)果。這些參數(shù)與先前的dc馬達參數(shù)和人的骨骼肌的估計值進行比較。通過例子，動能大小是基于力的峰值進行計算的。
6 討論
在分析解決最大效率的方案上，絲杠設(shè)計I顯示了一個單一小半徑螺絲永遠不會處理所要求的負載。可是，多個螺絲同時平行執(zhí)行那項任務會有同樣高的效率。雖然使用典型的技術(shù)不容易制造出一個0.34 mm半徑的螺絲，但用這種方法是可以實現(xiàn)的（即，使用多個螺絲產(chǎn)生高效率）。要設(shè)計一個特殊的絲杠，效率是沒有極限的。絲杠設(shè)計II顯示，有一種可行的解決方案可以解決腳腕的問題，校正功率質(zhì)量比參數(shù)使其非常接近于人的肌肉。使用一種相似的方法，球形螺絲機制能有益于它的表現(xiàn)，一般方法是創(chuàng)建一個驅(qū)動的背面，低重量和高效率的螺絲系統(tǒng)可以使基于dc馬達的動作器的便攜機器人應用有一種有力解答。
圖3 原型作動器，高效率絲杠
前面提到，一臺便攜機器人作動器不僅要有好的執(zhí)行能力，而且還要對它的用戶有一定的安全性。在考慮安全方面時，（駕駛）是便攜絲杠作動器所需要的。（ 駕駛）允許操作者任意安裝沒有動力的螺釘，因而使它的阻礙減到最小。另一方面，在螺絲的末端設(shè)計一塊閑置的部分以防止馬達和用戶受到損壞。對人的損傷可以通過安置螺絲的末端范圍在用戶的生理安全極限內(nèi)來避免，即一旦遇到危險強度，可以得到短期的脫離。所有這些方法都需要得到重點考慮，并且應該在設(shè)計過程中早期解決。安置機械部件必須包括特別的防備措施。 防備措施必須超出軟件或控制器范圍; 因此，在機械設(shè)計中應該包括他們。保證用戶的安全是在設(shè)計所有協(xié)助機器人時應該是最優(yōu)先考慮的事，我們的實驗室也調(diào)查了便攜作動器的其他類型?？磮D3。這些技術(shù)幫助我們保持設(shè)備的整體大小和重量打到最低。
7 結(jié)論
一臺便攜機器人作動器必須有好的功率勢能比，好的機械效率，好的強度質(zhì)量比，并且一定是安全的。對于一個具有好的功率的dc馬達，改進它力量的唯一方法是增加傳動系統(tǒng)。傳統(tǒng)上，這種方法導致了dc馬達作動器功率質(zhì)量比的增加以至于它的執(zhí)行力筆直下降?？墒?，我們的方法可以用于設(shè)計絲杠和球形絲杠的力，例如一個便攜的協(xié)助機器人。
探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計
開題報告
班級（學號）：機0405-18 姓名：王亮
指導老師： 王會香
一、綜述
1.課題研究的目的和意義
出于重要的戰(zhàn)略意義，資源領(lǐng)域已成為各科技強國相互競爭的一個焦點，出于安全性等因素的考慮，對探測機器人的研究設(shè)計也成為了開發(fā)資源的重要硬件之一，探測機器人可以幫助人類完成一些不能完成的任務，其應用范圍很廣，有幾下幾方面：
1）行星探測移動機器人
行星探測移動機器人的研究對于發(fā)展行星科學、提高國防能力、提高國家的國際地位等方面均有重要意義，因為:①移動機器人是行星科學研究中著陸探測和取回樣品到實驗室分析的有力工具。②人類在太空中停留數(shù)月之久會嚴重丟失鈣和磷，這似乎意味著人類不可能在重力為零的狀態(tài)下飛行6一9個月或更長一點時間。但機器人不存在這個問題。因此，行星探測移動機器人的研究是對行星進行長期實地考察的需要。③大大節(jié)省探測成本。以月球探測為例，根據(jù)粗略的估計，一次有人駕駛的飛行所花費的錢要比無人駕駛飛行多50一100倍。因此，光就科學上的探索來說，用機器人執(zhí)行無人駕駛飛行任務是合算的。④有利于提高國家國防自動化的水平和國際地位。因此，行星探測移動機器人的研究受到世界各國的高度重視。[6]
2）海洋探測機器人
海洋探測機器人人已經(jīng)廣泛應用于海洋開發(fā)的許多領(lǐng)域，隨著海洋開發(fā)的不斷深入，續(xù)航力大、探測范圍廣、能執(zhí)行多種復雜任務的大型機器人需求也越來越大。主要用于海洋石油開發(fā)、海底管道光纜巡查檢修以及其他各種復雜任務。為了使機器人能更好的完成指定任務，水下機器人的運動性能預報就成為了一個重要的研究課題。[1]
3）油井故障探惻機器人
探測儀器的送進是油田上測井、修井等井下作業(yè)中的一項重要技術(shù)。[3]
4) 履帶式井下探測機器人
中國作為世界產(chǎn)煤大國，也是世界煤礦事故高發(fā)國家，需要非常重視煤礦生產(chǎn)的安全。這種探測機器人可在災害發(fā)生前對隱患進行準確及時的檢測與預防，災后進行施救等重要的危險任務。[5]
關(guān)于探測機器人應用范圍比我們想象的要廣泛的多，在軍事方面，已經(jīng)研究出了反坦克雷探測機器人；還有醫(yī)學探測機器人等。
2006年，中國政府制定的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》和《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，將發(fā)展航天事業(yè)置于重要地位。根據(jù)上述兩個規(guī)劃綱要，中國政府制定了新的航天事業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確了未來五年及稍長一段時期的發(fā)展目標和主要任務。按照這一發(fā)展規(guī)劃，國家將啟動并繼續(xù)實施載人航天、月球探測、高分辨率對地觀測系統(tǒng)、新一代運載火箭等重大航天科技工程，以及一批重點領(lǐng)域的優(yōu)先項目，加強基礎(chǔ)研究，超前部署和發(fā)展航天領(lǐng)域的若干前沿技術(shù)，加快航天科技的進步和創(chuàng)新。要發(fā)展航空事業(yè)，對月球進行探索，那么研究設(shè)計探測機器人是必不可少的過程。
2.課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1）在行星探測機器人的研制方面，美國和俄羅斯處于世界領(lǐng)先地位。從20世紀60年代開始，美、蘇向月球以及金、火、水、木、土等星球發(fā)射了許多探測器。格林威治時間1997年7月4日17時07分，美國國家航空航天局困ASA)發(fā)射的火星探路者號宇宙飛船成功地在火星表面著陸。探路者登陸器上帶有各種儀器及“索杰納”火星車團。這是上世紀自動化技術(shù)最高成就之一。[6]
日本對機器人的設(shè)計也處于領(lǐng)先地位。日本京都大學科研人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型機器人,能在強烈地震發(fā)生后到廢墟中探測被埋人員。還專門進行了實用演示。這種機器人外表象是一條粗大的節(jié)足昆蟲,長1·43 m,由7節(jié)組成,有人的小腿一般粗細,每節(jié)周身都纏滿縱向履帶。它可以在遙控下從瓦礫的夾縫中蜿蜒穿行,裝在頭部的攝像機鏡頭會隨時傳輸觀察到的影像和搜集到的聲音,從而供控制者判斷里面是否有需要救助的存活人員。
未來的空間探測任務要求機器人系統(tǒng)能夠在預先未知或非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行變化的任務，機器人移動平臺應具備良好的幾何通過性、越障性、抗傾覆性、行駛平順性、牽引控制特性和能耗特性?；诓煌脑砗托阅軅?cè)重點，國內(nèi)外提出并試驗了多種類型的空間探測機器人移動機構(gòu)。
2）探測機器人移動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下:
(1)輪腿式，履腿式等復合型結(jié)構(gòu)的移動機器人是一個研制方向.
(2)由于航天器技術(shù)、尺寸、質(zhì)量和費用的限制,微小型行星探測機器人是目前發(fā)展的主流.
(3)由于通信時延和微重力作用的緣故,中低速移動機器人是研制的主流.
(4)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方案相結(jié)合是研制靈活可靠的行星探測機器人的設(shè)計方向.[6]
3）設(shè)計探測機器人所面臨的問題
盡管國內(nèi)外已經(jīng)研制出了輪式、腿式、輪腿式、履帶式和其它特殊形式的移動機器人,但到目前為止,無論國內(nèi)還是國外,同時具備以下性能的移動機器人還沒有出現(xiàn):(1)能跨越大于輪子直徑的壕溝和高于輪子半徑的臺階;(2機器人陷入軟土壤中時,能自動脫離軟土壤區(qū),恢復正常的行駛能力;(3)整機的可密封性和可壓縮性良好;(4)克服傾翻對機器人行駛能力的不良影響;(5)行駛的高速高效性;(6)容積可進行擴充，而這些又是行星探測等領(lǐng)域移動機器人運動系統(tǒng)所應具備的重要性能,因此,研制出新型的、綜合性能更好的行星探測機器人是行星探測機器人移動系統(tǒng)研究中有待解決的問題之一[6].
二、研究內(nèi)容
本文以研制履帶便攜式抗摔機器人為目標，采用模塊化設(shè)計，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時候方便更換和添加其他模塊，具有良好的機動性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。該機器人的最大優(yōu)點是具有良好的越障性能、環(huán)境適應性能、防摔抗沖擊性能并具備全地形通過能力。
其研究內(nèi)容具體如下：
1、 研究探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計原則。
依據(jù)運動學原理，對機器人進行性能指標分析，動態(tài)分析，使機器人能夠自適應路面，即具有抗傾覆性、爬坡性能、越障性能、跨溝性能等功能。
2、 確定探測機器人的移動方式，并對整個探測機器人的整體進行規(guī)劃設(shè)計。
1）移動方式的確定
2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
3）傳動系統(tǒng)設(shè)計
3、對探測機器人系統(tǒng)的硬件設(shè)計，繪制機械圖。
4、給出移動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。
1）選擇傳感器
2）控制系統(tǒng)
3）驅(qū)動器的選擇
目標：掌握探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計原則，從實際應用環(huán)境出發(fā)確定機器人的移動方式，選用合理的目標監(jiān)測手段，來實現(xiàn)探測目的。
三、實現(xiàn)方法及其預期目標
1、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
本設(shè)計的探測機器人由四個模塊構(gòu)成，即底盤運動模塊、電源及驅(qū)動模塊、傳感器模塊、控制計算機模塊。大體結(jié)構(gòu)如圖1-1
控制計算機模塊
傳感器模塊
電源驅(qū)動模塊
底盤運動模塊
圖1-1機器人的總體結(jié)構(gòu)
2、 移動機構(gòu)分析
便攜式機器人按移動方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進移動式、
混合移動式、蛇行移動式等，各種移動方式的機動性能對比如表1-1
表1-1 車輪式、輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較：
移動機構(gòu)方式
輪式
履帶式
腿式
移動速度
快
較快
慢
越障能力
差
一般
好
機構(gòu)復雜程度
簡單
一般
復雜
能耗量
小
較小
大
機構(gòu)控制難易程度
易
一般
復雜
很明顯，履帶式移動機構(gòu)的性能居于輪式和腿式移動機構(gòu)之間，在地面適應性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構(gòu)地面適應性能好，在復雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面以及溝壑等，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構(gòu)無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)。
運動原理：
3、 移動控制系統(tǒng)的設(shè)計
一個在實際工作中的機器人，他的運動由驅(qū)動器系統(tǒng)實現(xiàn)，任務的具體執(zhí)行有終端機具完成。在執(zhí)行任務的過程中，感覺系統(tǒng)將內(nèi)感受和外感受的信息反饋給控制系統(tǒng)，有控制系統(tǒng)對整個機器人的活動作決策和付諸實施。系統(tǒng)的控制部分的工作方式要適合于執(zhí)行的任務。采用某一種工作方式，例如，人進行的干預很少---自由方式；人的干預很多---手動方式；斷斷續(xù)續(xù)干預---監(jiān)督管理方式等，都要按任務的需求而定。
在控制機器人執(zhí)行任務過程中涉及三方面：
信息---機器人自身及環(huán)境的信息。他們來自感覺系統(tǒng)即感知的機器人自身狀態(tài)。
決定---產(chǎn)生執(zhí)行任務的行動方式，任務的程序設(shè)計。
行動---控制信號的產(chǎn)生和實施。
如圖1-2 所示
人
決定
行動（控制）
信息（感覺）
環(huán)境
操作部分
控制部分
圖1-2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
依據(jù)上述要求所需，考慮一下幾個方面：
1） 選擇傳感器
首先，機器人的傳感器就像人體上的感覺器官，它可以探測到周圍的環(huán)境，然后經(jīng)過綜合性的測量、計算，對他的行為進行選擇判斷。其中，視覺是最重要的，因為，即使只有視覺的時候，也能根據(jù)看到的進行前行或是改變行為方式，但如果失去了視覺，即使其他的感覺功能都存在，也很難判斷周圍的環(huán)境，很難對行為方式進行判斷。所以首先應選擇視覺傳感器。
其次，視覺傳感器也有他的局限性，實現(xiàn)視覺的功能是需要光的，如果在晚間執(zhí)行任務時就很難實現(xiàn)其功能，為更好的使機器人完成認為，再加一個超聲波傳感器。
2） 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是指機器人的信息處理裝置，在本設(shè)計項目中，選擇數(shù)字電子計算機。這是一個依據(jù)事先和事后的信息而產(chǎn)生對機器人的控制命令的系統(tǒng)。信息主要來自人---機對話和感覺系統(tǒng)。機器人執(zhí)行任務前。在計算機重要貯存好一個運動模型，一個環(huán)境模型，一些與執(zhí)行任務有關(guān)的數(shù)據(jù)及一定數(shù)量的執(zhí)行任務的策略和算法，在執(zhí)行任務過程中，計算機接受來自傳感器的機器人目前狀態(tài)的信息和涉及到目前包括工作對象在內(nèi)的環(huán)境狀況的信息。依據(jù)上述的所有數(shù)字模型，原始數(shù)據(jù)，感受的信息，利用控制策略和算法，以及過去執(zhí)行任務的經(jīng)驗等，計算機產(chǎn)生一個對機器人的控制命令。
3）驅(qū)動裝置的選擇
按照能源的不同 ，可分為液動，氣動，電動三大類。電驅(qū)動器由于電能易于獲取，容易傳輸，沒有污垢，易于維修等優(yōu)點而被廣泛采用。在機器人使用的電驅(qū)動器中，步進電機與數(shù)字電子計算機的結(jié)合上，表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。所以驅(qū)動裝置選擇步進電機。
4軟件組成
硬件只是計算機控制系統(tǒng)的軀體；而軟件則是計算機控制系統(tǒng)的大腦和靈魂，是人的思維與系統(tǒng)硬件之間的橋梁。軟件的優(yōu)劣關(guān)系到計算機控制系統(tǒng)正常運行、硬件功能的發(fā)揮以及控制性能的優(yōu)劣等。用以具體實施有關(guān)功能的算法是以軟件包的形式貯存在機器人的計算機系統(tǒng)中。為了控制機器人執(zhí)行任務，在操作員與機器人之間進行信息交換是必須的，這樣做旨在使機器人按操作員的意圖進行工作，完成任務。本設(shè)計采用VC語言. 四、對進度的具體安排
1. 第1-3周 實習調(diào)研基本結(jié)束；
2. 第4周 撰寫并提交調(diào)研報告和開題報告；
3. 第5-6周 制定探測移動機器人的設(shè)計原則；
4．第7周 確立機器人的移動方式；
5. 第8-12周 設(shè)計機器人系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)；
6. 第13-14周 設(shè)計控制方案及監(jiān)測手段；
7．第15-16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評審并修改畢業(yè)論文；
8．第17周 完成畢業(yè)答辯
五、參考文獻
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2、尚建忠 羅自榮 張新訪 范大鵬：基于構(gòu)型組合的空間探測機器人移動機構(gòu)設(shè)計*
3、邵守君：基于虛擬樣機的石抽井故障探惻機器人研究 2007.3
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9、孫樹棟：工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 北京工業(yè)大學出版社 2006、12
10、為海底探測提供數(shù)據(jù)日本加強深海探測
督導老師： 年 月 日
領(lǐng)導小組審查意見： 年 月 日
審查人簽字： 年 月 日
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