喷漆机器人控制系统方案设计

综上所述，因此选择雷赛科技公司生产的两相步进电机，型号为86HS45。
5）关节1（腰关节）：
腰关节电机主要带动整个机械臂作水平旋转动作，当大臂、小臂及手腕均处于水平工况时，如下图所示，腰关节处的转动惯量JZ最大，则：
JZ=m1l12+m2l22+ m3l32+m4l42+m5l52+m6l62
=4×0.152+ 2×0.32+2×0.452+2.2×0.62+0.8×0.642+2×0.682
⑧LAN接口线1根，编号p/n:1700017863；
⑨螺丝钉等1包，编号p/n:9660104000。
3）该主板的外部存储器选取方案，可选如下两种：
①首选CF卡，容量可选8G或16G，接口类型CF typeⅠ/Ⅱ（50pin），推荐品牌SanDisk；
②其次可选IDE（44pin）PATA接口的笔记本硬盘，如希捷2.5寸笔记本硬盘，容量可选20G/40G/80G均可。
2）关节4（腕俯仰）：
腕俯仰电机主要带动机器人抓手作俯仰动作，当抓手处于水平工况时，如下图所示，腕俯仰关节处的静转矩M静最大，则：
M静=m1gl1+m2gl2=0.8×9.8×0.04+2.0×9.8×0.08=1.88Nm
（估算手腕重0.8kg，喷枪及抓手共重2kg）
综合考虑到机器人各部件的影响因素，取工况系数KA= 1.1，则步进电机需要输出额定转矩：T=KAM静=1.1×1.88=2.07Nm。因此选择雷赛科技公司生产的两相步进电机，型号为57HS22。
五、驱动器选型
1）各步进电机最大功率估算
a）腕偏摆电机：负载转矩T=1.62 Nm，若其最大转速为n=60r/min，则最大输出功率为P=T×n/9550=1.62×60/9550=0.01kW，若电机工作电压为24V，则最大输出电流为I=P/U=10/24=0.42A。
b）腕俯仰电机：负载转矩T=2.07 Nm，若其最大转速为n=60r/min，则最大输出功率为P=T×n/9550=2.07×60/9550=0.013kW，若电机工作电压为24V，则最大输出电流为I=P/U=13/24=0.54A。
c）肘关节电机：负载转矩T=1.22 Nm，若其最大转速为n=1200r/min，则最大输出功率为P=T×n/9550=1.22×1200/9550=0.153kW，若电机工作电压为36V，则最大输出电流为I=P/U=153/36=4.25A。
d）肩关节电机：负载转矩T=3.24 Nm，若其最大转0/9550=0.305kW，若电机工作电压为68V，则最大输出电流为I=P/U=407/68=4.5A。
选择该嵌入式主板时，应注意：
1）购买时，要求将系统内存升级到512MB；
2）购买时，要求配齐以下配件：
①键盘及鼠标的接口线共2根（编号及图片如下）；
p/n: 1703060053p/n: 1700060202
②VGA接口线1根（编号及图片如下）；
p/n: 1700000898
③USB×2接口线1根（编号及图片如下）；
各驱动器图片如下：
DM422C驱动器DM556驱动器DM856驱动器
六、人机界面
显示器：采用8寸利利普TFT触摸屏显示器859GL-80NP/C/F。该触摸屏具有高清晰度、宽视角、4：3屏显示；支持1024×768分辨率；标准电脑VGA接口；单音频、双视频输入功能；USB或RS232端口驱动的触摸装置，用来输入数据；遥控功能；直流12V电源供电。
c）肘关节电机：由上文估算得该电机最大输出功率为P=153W，现设其平均工作功率为107W，若电机工作电压为36V，则平均工作电流为I=P/U=107/36=2.97A。
d）肩关节电机：由上文估算得该电机最大输出功率为P=305W，现设其平均工作功率为214W，若电机工作电压为68V，则平均工作电流为I=P/U=214/68=3.15A。
=51.86Nm
（估算大臂重4kg，电机3及蜗轮蜗杆共重2kg，小臂重2kg，电机4和5共重2.2kg，手腕重0.8kg，喷枪及抓手共重2kg）
考虑到该关节处使用蜗轮蜗杆传动机构，分析如下两种机构设计方案：
1）采用双头蜗杆，即z1=2，传动比为i=20，则可初步估算得：模数m=3.15mm，分度圆直径d1=35.5mm，蜗轮直径d2=m×z2=126mm，传动效率约为0.8。
e）腰关节电机：最大转矩T=4.5 Nm，若其最大转速为n=240r/min，则最大输出功率为P=T×n/9550=4.5×240/9550=0.113kW，若电机工作电压为36V，则最大输出电流为I=P/U=113/68=3.14A。
2）为了与步进电机适配，亦使用雷赛科技公司生产的步进电机驱动器。喷漆机器人各关节的电机驱动器选型如下表所示：
此时步进电机需要输出最大转矩为：T=M/(i*η)=19.52/(20×0.8)= 1.22Nm。
2）采用单头蜗杆，即z1=1，传动比为i=20，则可初步估算得：模数m=4mm，分度圆直径d1=40mm，蜗轮直径d2=m×z2=80mm，传动效率约为0.7。
此时步进电机需要输出最大转矩为：T=M/(i*η)=19.52/(20×0.7) = 1.39 Nm。
=2.72Kg·㎡
（估算大臂重4kg，电机3及蜗轮蜗杆共重2kg，小臂重2kg，电机4和5共重2.2kg，手腕重0.8kg，喷枪及抓手共重2kg）
考虑到该关节处使用齿轮传动机构，若选定齿轮的传动比为4，选择雷赛科技公司生产的型号为86HS45的两相步进电机，其静扭矩：T=4.5 Nm。则由T×i=JZ·α可得，最小角加速度α=T×i/JZ=6.62rad/s2。
该触摸屏图片如下图所示。
七、各模块耗电分析
1）各步进电机及驱动器耗电估算
a）腕偏摆电机：由上文估算得该电机最大输出功率为P=10W，现设其平均工作功率为7W，若电机工作电压为24V，则平均工作电流为I=P/U=7/24=0.29A。
b）腕俯仰电机：由上文估算得该电机最大输出功率为P=13W，现设其平均工作功率为9W，若电机工作电压为24V，则平均工作电流为I=P/U=9/24=0.38A。
腕偏摆电机主要带动机器人抓手作偏摆动作，当抓手处于水平工况时，如下图所示，腕偏摆关节处的静转矩M静最大，则：
M静=m1gl1+m2gl2=1.0×9.8×0.05 +1.0×9.8×0.1 = 1.47Nm
（估算抓手重1kg，喷枪重1kg）
综合考虑到机器人各部件的影响因素，取工况系数KA= 1.1，则步进电机需要输出额定转矩：T=KAM静=1.1×1.47 = 1.62Nm。因此选择雷赛科技公司生产的两相步进电机，型号为57HS22。
驱动器型号
电机描述
关节1
（腰关节）
86HS45
DM556
步进电机，8线两相，步距角1.8°，静扭矩4.5Nm，重2.3kg
关节2
（肩关节）
86HS45
DM856
步进电机，8线两相，步距角1.8°，静扭矩4.5Nm，重2.3kg
关节3
（肘关节）
57HS22
DM556
步进电机，8线两相，步距角1.8°，静扭矩2.2Nm，重1.1kg
本控制系统PC104模块选用研华PCM-3343F。其组成如下：核心模块DM&P Vortex86DX的高性能低功耗CPU模块，CPU速度1.0 GHz，带有浮点运算单元，在板集成了256MBDDR2SDRAM（最大可支持512MB）、显示控制器（支持LCD显示，最高分辨率为1024×768），以太网控制器等。带有PATA硬盘接口1个，PC104扩展插槽1个，KB/MS插槽1个，USB2.0接口4个，16位GPIO口，RS-232接口3个，RS-232/422/485接口1个。
（估算小臂重2kg，电机4和5共重2.2kg，手腕重0.8kg，喷枪及抓手共重2kg）
考虑到该关节处使用蜗轮蜗杆传动机构，分析如下两种机构设计方案：
1）采用双头蜗杆，即z1=2，传动比为i=20，则可初步估算得：模数m=2.5mm，分度圆直径d1=28mm，蜗轮直径d2=m×z2=100mm，传动效率约为0.8。
三、PC104I/O扩展卡
本控制系统PC104I/O扩展模块选用研华PCM-3718H。其规格如下：1）模拟量输入：具有16路单端或8路差分模拟量输入，分辨率12位；2）数字量输入输出：2个8位（共16bit）TTL电平数字量I/O通道。
四、步进电机选型
喷漆机器人各关节的电机选型如下表所示：
关节
步进电机型号
关节
步进电机型号
驱动器型号
驱动器描述
关节1
（腰关节）
86HS45
DM556
输入电压VDC 18-50，输出电流0.3-5.6A，高中低速性能优异，118*76*34
关节2
（肩关节）
86HS45
DM856
输入电压VDC 18-80，输出电流0.3-5.6A，高中低速性能优异，118*76*34
关节3
（肘关节）
3）关节3（肘关节）：
肘关节电机主要带动小臂作俯仰动作，当小臂及手腕均处于水平工况时，如下图所示，肘关节处的负载转矩M最大，则：
M=m1gl1+m2gl2+ m3gl3+m4gl4
=2.0×9.8×0.15 +2.2×9.8×0.3 +0.8×9.8×0.34+2.0×9.8×0.38
=19.52Nm
p/n: 1703100260
④RS-232×2接口线1根（编号及图片如下）；
p/n: 1701200220
⑤RS-422/485接口线1根（编号及图片如下）；
p/n: 1703040157
⑥IDE接口线1根（编号及图片如下）；
p/n:1701440350