王雷外文文献翻译

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1、三连杆铰接式机器手臂的设计控制和实施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

2、，协调解决出现的关于前进后退的（动力）传输问题。第一章第一章简介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。第二章第二章机器人系统概述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

3、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： 笛卡尔笛卡尔 圆柱圆柱 极地极地 铰接式铰接式 笛卡儿机器人笛卡儿机器人 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：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

4、工程工作在带壳球区中，图 3 所示。 铰接式机器人：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

5、三个类别： 永磁永磁 变磁阻变磁阻 混合混合。 电机绕组：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： 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： 全步模式全步模式 半步模式半步模式 斯达微步模式斯达微步模式 驱动程序功能确定哪些

6、步进模式是用户可用的。 完整步进：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 1.8 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 0.9 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

7、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：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：伺服电动机： “伺服电机“一词没有指向一个单一种电动机。

8、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： 永磁直流电动机永磁直流电动机 无刷直流电机无刷直流电机 异步交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

9、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

10、机无刷直流电动机 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：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

11、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： 单极单极 电阻电阻/有限驱动器电阻有限驱动器电阻 双极斩波双极斩波 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

12、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。 电阻电阻/有限驱动器电阻：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：双

13、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

14、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

15、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： 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：脉冲宽度

16、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：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：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