面向成本的教學(xué)機(jī)器人設(shè)計(jì)

姜健JIANG Jian

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，上海201418）

0 引言

機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品之一。在工業(yè)、國防、空間探索、醫(yī)療等領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用，代表著一個(gè)國家科技發(fā)展的水平。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)及控制程序編制已經(jīng)成為機(jī)械、電氣、電子、控制、計(jì)算機(jī)等專業(yè)大學(xué)生必備的能力。培養(yǎng)大學(xué)生這些方面能力依靠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備目前主要是進(jìn)口的大中型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品。由于該類產(chǎn)品在價(jià)格、體積和維護(hù)方面存在的問題，購置和使用成本比較高，只能用于一些演示性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺少動(dòng)手實(shí)踐的條件。本文研制的基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型教學(xué)機(jī)器人體積小、制造成本低，可以在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室大量配置，較好地解決了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難題。

1 教學(xué)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示為基于單片機(jī)控制的教學(xué)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖。不包括手爪自由度該機(jī)器人共有四個(gè)自由度，分別為腰轉(zhuǎn)自由度、下臂俯仰自由度、上臂俯仰自由度和手腕旋轉(zhuǎn)自由度。為了提高驅(qū)動(dòng)力矩和減少獨(dú)立配置減速機(jī)構(gòu)帶來的成本負(fù)擔(dān)，各自由度都采用自帶減速器的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。手爪采用微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的方式來實(shí)現(xiàn)。

圖1 教學(xué)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

2 面向成本的設(shè)計(jì)

2.1 面向成本的機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì) 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件有三個(gè)來源：①采用光敏樹脂三維打印快速成型工藝制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件；②采用激光切割加工制造的不銹鋼板件或硬質(zhì)鋁合金板件；③采用鋁合金型材及其專用聯(lián)結(jié)件制造的底座和支撐件。

如圖2所示是采用快速成型工藝加工的機(jī)器人下臂及對(duì)該機(jī)器人下臂進(jìn)行的應(yīng)力分析，分析結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在中空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下仍能承受額定負(fù)載。采用光敏樹脂三維打印快速成型工藝制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，工件材料密度為1.3g/cm3，拉伸強(qiáng)度為 63MPa[1]，沖擊強(qiáng)度為 58KJ/m2，邵氏硬度為92度，彈性模量為3000MPa。泊松比為0.3。因?yàn)樗哂辛己玫臋C(jī)械性能、較低的密度和對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工藝適應(yīng)性，成為機(jī)器人復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造工藝的優(yōu)選。

圖2 快速成型結(jié)構(gòu)件及其應(yīng)力分析

如圖3所示為采用鋁合金型材及專用聯(lián)結(jié)件聯(lián)結(jié)的機(jī)器人底座。這種方式無需復(fù)雜加工，聯(lián)結(jié)可靠、拆裝方便、價(jià)格低廉，已經(jīng)廣泛用于小載荷設(shè)備的機(jī)架結(jié)構(gòu)。

圖3 鋁合金型材機(jī)器人底座

2.2 面向成本的控制部分設(shè)計(jì) 因?yàn)槟壳案咝５膯纹瑱C(jī)教學(xué)還是以51系列單片機(jī)為主，所以本機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用了STC89C52單片機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路采用了適應(yīng)較大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的TB6560AHQ驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片可承受峰值40V的驅(qū)動(dòng)電壓、峰值3.5A的電流，為電機(jī)在大力矩、高轉(zhuǎn)速下持續(xù)運(yùn)行提供了技術(shù)保障。該芯片可驅(qū)動(dòng)42系列、57系列和部分86系列兩相步進(jìn)電機(jī)。考慮到各機(jī)器人關(guān)節(jié)負(fù)載的區(qū)別，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的下臂俯仰關(guān)節(jié)采用86系列的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，上臂俯仰和腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用57系列兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用的是42系列步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。如圖4所示為驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的TB6560AHQ驅(qū)動(dòng)芯片的主電路。

在圖4中，M0和PROTECT引腳分別為工作狀態(tài)和過電流保護(hù)指示引腳[2]。通過引腳NFA和NFB定義步進(jìn)電機(jī)的兩相最大驅(qū)動(dòng)電流。STC89C52單片機(jī)的脈沖信號(hào)、方向控制信號(hào)和使能信號(hào)通過光耦隔離連接到芯片的CLK、CW/CCW和ENABLE三個(gè)引腳。

圖4 TB6560AHQ驅(qū)動(dòng)芯片的主電路

3 結(jié)束語

應(yīng)用型高等院校機(jī)械電子類專業(yè)的培養(yǎng)有賴于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的強(qiáng)化。為了解決機(jī)器人教學(xué)中外購機(jī)器人成本高，底層開放性不足，不能完全滿足本科生動(dòng)手實(shí)踐要求的問題，陸續(xù)研制了基于舵機(jī)的關(guān)節(jié)型教學(xué)機(jī)器人[3]和本文所述面向成本的基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)機(jī)器人。由于體積小、成本低，在實(shí)踐教學(xué)過程中大量使用，獲得了良好的教學(xué)效果。

[1]翟媛萍.光固化快速成型材料的研究與應(yīng)用[D].南京：南京理工大學(xué),2004：30-40.

[2]王黨利，寧生科，馬寶吉.基于TB6560的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)，2010，01:41-43.

[3]姜健，荊學(xué)東，丁濤.舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在機(jī)電專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用 [A].2013高等院校教育與教學(xué)研討會(huì)（CETCU）[C].Publishing House:Ding Mao Company.2013：204-206.