姜健JIANG Jian

（上海應(yīng)用技術(shù)學院機械工程學院，上海201418）

0 引言

機器人是最典型的機電一體化產(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，代表著一個國家科技發(fā)展的水平。機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計及控制程序編制已經(jīng)成為機械、電氣、電子、控制、計算機等專業(yè)大學生必備的能力。培養(yǎng)大學生這些方面能力依靠的實驗設(shè)備目前主要是進口的大中型工業(yè)機器人產(chǎn)品。由于該類產(chǎn)品在價格、體積和維護方面存在的問題，購置和使用成本比較高，只能用于一些演示性實驗，學生缺少動手實踐的條件。本文研制的基于單片機控制的步進電機驅(qū)動的小型教學機器人體積小、制造成本低，可以在專業(yè)實驗室大量配置，較好地解決了機器人實驗教學的難題。

1 教學機器人的整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示為基于單片機控制的教學機器人整體結(jié)構(gòu)圖。不包括手爪自由度該機器人共有四個自由度，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)動力矩和減少獨立配置減速機構(gòu)帶來的成本負擔，各自由度都采用自帶減速器的步進電動機來實現(xiàn)。手爪采用微型步進電機驅(qū)動絲杠螺母機構(gòu)的方式來實現(xiàn)。

圖1 教學機器人的整體結(jié)構(gòu)

2 面向成本的設(shè)計

2.1 面向成本的機構(gòu)部分設(shè)計 機器人的結(jié)構(gòu)件有三個來源：①采用光敏樹脂三維打印快速成型工藝制造的復雜結(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器人下臂及對該機器人下臂進行的應(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)計下仍能承受額定負載。采用光敏樹脂三維打印快速成型工藝制造的復雜結(jié)構(gòu)件，工件材料密度為1.3g/cm3，拉伸強度為 63MPa[1]，沖擊強度為 58KJ/m2，邵氏硬度為92度，彈性模量為3000MPa。泊松比為0.3。因為它具有良好的機械性能、較低的密度和對復雜結(jié)構(gòu)的工藝適應(yīng)性，成為機器人復雜結(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)的機器人底座。這種方式無需復雜加工，聯(lián)結(jié)可靠、拆裝方便、價格低廉，已經(jīng)廣泛用于小載荷設(shè)備的機架結(jié)構(gòu)。

圖3 鋁合金型材機器人底座

2.2 面向成本的控制部分設(shè)計 因為目前高校的單片機教學還是以51系列單片機為主，所以本機器人的控制系統(tǒng)采用了STC89C52單片機。驅(qū)動電路采用了適應(yīng)較大功率步進電機驅(qū)動的TB6560AHQ驅(qū)動芯片。該芯片可承受峰值40V的驅(qū)動電壓、峰值3.5A的電流，為電機在大力矩、高轉(zhuǎn)速下持續(xù)運行提供了技術(shù)保障。該芯片可驅(qū)動42系列、57系列和部分86系列兩相步進電機。考慮到各機器人關(guān)節(jié)負載的區(qū)別，本文設(shè)計的機器人的下臂俯仰關(guān)節(jié)采用86系列的兩相步進電機驅(qū)動，上臂俯仰和腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用57系列兩相步進電機驅(qū)動，手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用的是42系列步進電機驅(qū)動。如圖4所示為驅(qū)動一個步進電動機的TB6560AHQ驅(qū)動芯片的主電路。

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

圖4 TB6560AHQ驅(qū)動芯片的主電路

3 結(jié)束語

應(yīng)用型高等院校機械電子類專業(yè)的培養(yǎng)有賴于實驗教學的強化。為了解決機器人教學中外購機器人成本高，底層開放性不足，不能完全滿足本科生動手實踐要求的問題，陸續(xù)研制了基于舵機的關(guān)節(jié)型教學機器人[3]和本文所述面向成本的基于步進電機驅(qū)動的教學機器人。由于體積小、成本低，在實踐教學過程中大量使用，獲得了良好的教學效果。

[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,2004：30-40.

[2]王黨利，寧生科，馬寶吉.基于TB6560的步進電機驅(qū)動電路設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)，2010，01:41-43.

[3]姜健，荊學東，丁濤.舵機驅(qū)動機器人在機電專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用 [A].2013高等院校教育與教學研討會（CETCU）[C].Publishing House:Ding Mao Company.2013：204-206.