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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 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要求和控件实现。组件选择必须优化性能和物理性能设计。使用机器人手臂和模拟的程序，。机器人已经成为平常在生产环境中，从重复性最高的任务到最复杂的自动化。随着科技的发展，机器人成更精确和实用。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。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。详细的是这些组件物理则。通常，机器人用于执行困难、 危险或对人类来说单调的作业。他们举起重物、 油漆、 焊接、 处理化学品，执行。机器人由各自的运动性质。本节介绍机器人以下的分类：? 笛卡尔 ? 圆柱 ? 极地? 铰接式笛卡儿机器人 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。这个机器人手臂工程工作带壳球区中，图 3 所示。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，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。步进电机步进电机是简单机械，相比其他电机在内部。电枢转动是通过按顺序切换磁场中实现的。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三个类别： ? 永磁 ? 变磁阻 ? 混合。电机绕组混合步进电机定子，可以以两种方式，unifilar 和双线。线圈影响当前如何流经电机，和马达又如何执行。Unifilar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电动机有两个一模一样的绕组对每个定子极点。图 11 演示了这两个 6 和 8 铅配线图。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。步模式有： ? 全步模式 ? 半步模式 ? 斯达微步模式驱动程序功能确定哪些步模式用户可用。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 1.8o 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 0.9o 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。伺服电动机伺服电机一词没有指向一个单一种电动机。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 ? 无刷直流电机