设计 ¶

约 3829 个字预计阅读时间 15 分钟

设计的流程

明确执行机构
确定传动方式
设计导向机构
结构设计
优化分析
组装与测试

执行结构：完成操作任务

传动机构：伺服系统如齿轮

支撑 / 导向机构：导向机构作用是支撑和导向，使运动能安全、准确地完成特定方向的运动。如：轴承和导轨

驱动装置 ¶

电机驱动：将电能转换为旋转或直线运动动能，最常见最普遍，控制简单稳定性好，输出精准，但是力矩小，需要配合减速器使用。

液压驱动：以液压油为传动介质，液压缸作为驱动器，单位重量传输功率大，可以产生很大输出力，响应迅速，但是系统复杂、成本高，体积重量大，输出精度较低。

气压驱动：以压缩空气作为动力源，动作迅速，反应快，结构简单，但是受负载影响大，不适宜精密位置和速度的控制，输出力小。其他驱动：压电陶瓷驱动，形状记忆合金驱动（软体机器人）等

电机 motor ¶

输出力矩和速度，如小车的直线运动和转弯

需要驱动芯片以及控制方式

优点：控制调节简单、稳定性较好
缺点：力矩小、刚度低，常常需要配合减速器使用

$P = \frac{v}{i} \times Ti$

注意：力矩 X 转速 = 功率

有刷电机与无刷电机  ¶

定子不动，改变转子的磁极，就可以完成换向。

中间部分由惯性。

使用三、五线圈的奇数线圈，就不存在“平衡位置”了。

使用 2N1S 顺，2S1N 逆

限制：电刷；电刷与换向片接触产生动力损耗。

永磁铁作为转子，电磁铁作为定子。

如何判断何时改变电流输入：一般在电机的不同位置上装三个霍尔传感器，就可测出转子的位置，使用霍尔原件感应转子的状态和位置。

转动顺序、导通方式

AB，AC，BC，BA，CA，CB
后三个是前三个反序

换向的过程

三相 9 绕组 6 极（3 对极）

转子的 NS 极与绕组电流产生的 NS 极有对其的运动趋势，这个惯性使得其能够旋转

注意：每一相是串联的

采用9 绕组 6 极，而不是6 绕组 6 极原因：为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸而对齐，产生类似步进电机的效果，此情况下转矩会产生很大波动

总体来说且转数提升容易基本只受限于轴承。

缺点是启动功率输出和荷重输出（工作突然加重工作 / 爬坡能力）类比有刷电机少将近百分之 20，控制器贵稳定性成熟度（工业性价比）不如有刷

调速 ¶

滤波

H 桥的基本原理 - 刹车 - 正反转 - 调速

电机控制 ¶

一个电机由静止到额定转速是怎么实现的

等效电路

电枢电动势 Ea，电磁转矩 T，电磁功率 P

Ke 速度常数，Km 力矩常数

I 电枢电流，w 角速度 $$ begin{align} E_a &= K_e cdot n\ T &= K_m cdot I\ P &= E_a cdot I = T cdot bar{omega}\\

U &= E_a + I cdot R_a = K_e cdot n + I cdot R_a\ n &= frac{U-Icdot R_a}{K_e} end{align} $$

\[ P = T\cdot W \]

力矩与电流大小成正比

转速与感应电动势大小成正比 $$ begin{align} 电压平衡方程：& u_a(t) = R_ai_a(t) + L_afrac{di_a(t)}{dt} + E_a(t)\ 感应电动势方程：&E_a(t) = K_e omega\ 电磁转矩方程：&T(t) = K_t i_a(t)\ 转矩平衡方程：&T(t) = Jfrac{domega(t)}{dt}+ Bomega(t) + T_d(t) end{align} $$ $J$表示电机的转动惯量，$\omega(t)$表示电机的角速度，$B$表示电机的阻尼系数，$T_d(t)$表示电机所受的负载转矩。

电机烧掉：电机铜线外绝缘体破坏，电线与电线之间短路

检查方法：测量电机绕组的电阻值是否正常进行判断

白色区域需要注意

如何控制小车右转

如何控制小车原地右转

如何控制小车以半径 1m 右转

有刷电机（H 桥驱动）¶

最常用的驱动方式

上图为电机的正反转

为了避免电机的反电动势的危害，仍然需要在三极管两端接二极管，因为电机线圈在电路开闭瞬间产生的反向电动势会高过电源，对晶体管和电路会造成影响，甚至是烧毁元件。

一般用L298 芯片来控制电机转动，可以驱动两个直流电机

光电隔离电路 ¶

可以实现抗干扰

基本控制方式 ¶

开环伺服系统 ¶

精度较低，但稳定性最好。

闭环伺服系统 ¶

精度较高，但系统的结构较复杂、成本高，还有系统稳定性的问题

半闭环伺服系统 ¶

反馈电机信息，控制电机

精度比闭环要差一些，稳定性比闭环好，但比开环要差一些

转动惯量匹配 ¶

负载的转动惯量折合到主动轴上时候，从动轴上的转动惯量和阻尼系数都要除以传动比的平方，负载转矩处于传动比

\[ J_L=J_1+\frac{J_2+J_3}{i_1^2 }+\frac{J_4}{i_1^2 i_2^2 } $$ 对于直流电机而言，高动态的伺服系统，一般要求： $$ J_M < (2-3)J_L \\ 电机的转动惯量 J_M、负载的等效转动惯量J_L \]

设一直接高电平时，转速最大是 $V_{max}$，占空比为 $D= \frac{t_1}{T}$

电机平均速度为 $$ V_d = V_{max}cdot D $$

$V_d$: 电机的平均速度

$V_{max}$

$D=\frac{t_1}{T}$: 占空比

舵机 ¶

控制角度，位置伺服，如机械手；

用 PWM 波控制

控制线：电源线、地线、控制线

电机 + 减速器

标准舵机有三条控制线，分别为电源线、地线和控制线。控制线连接到控制芯片上

直流电机 PWM 匹配

占空比

气动 ¶

气压驱动以空气压缩为动力源，也是机器人驱动的一种重要形式。
气动式主要有气缸、气阀、管路等元件组成。
优点：气源获得方便、成本低、动作快。
缺点：输出功率小，体积大。一般而言，其工作噪声较大、控制精度较差。

分类 ¶

包括气压发生装置、辅助元件、控制元件和执行元件

气压元件：气源装置，其功能是将原动机输入的机械能转换成流体的压力能，为系统提供动力
执行元件：气缸、气马达，功能是将流体的压力能转换成机械能，输出力和速度或转矩和转速），以带动负载进行直线运动或旋转运动
控制元件：压力、流量和方向控制阀，作用是控制和调节系统中流体的压力、流量和流动方向，以保证执行元件达到所要求的输出力（或力矩）、运动速度和运动方向
辅助元件：保证系统正常工作所需要的辅助装置，包括管道、管接头、储气罐、过滤器和压力计

气体的特性 ¶

系统的压力应小于8个大气压（即 0.8MPa）
不可压缩流体
1大气压 =0.1013MPa=15psi( 磅 / 平方英寸 )

方向控制回路¶

单作用气缸换向回路 ¶

几位几通（考！）

电磁阀工作原理 _ 哔哩哔哩 _bilibili

二位五通双电控电磁阀的工作原理

几位：看有几种回路可以切换（有几个小格子）

几通：看每一个回路（小格子）里面有几个连接处

对于 a 图

在第二位时，P2P3 相通，P3 出气，右边气缸由于弹簧被压缩，向下运动

在第一位时，P3 堵住，P2P1 相通，进气导致向上运动

对于 b 图

在第三位时（蓝色），向上

在第二位时（粉色），不动

在第一位时（黄色），向下

注：有几位就有几种状态 !

对于每一种状态，将接线平移到对应的格子上，观察进气口气体的流向，从而判断如何进行换向

双作用气缸换向回路 ¶

例：

不拍按钮时：左移

拍按钮时：右下角的被改变，因此右移

液压 ¶

将液体压力转化为机械能
利用不可压缩的流体，将作用于某一点的力传递到另一点，这种流体通常是工业液压油
由液压源、伺服阀、传感器、执行机构等构成
- 优点：重量轻、尺寸小、动作平稳、快速性好、产生的力力矩非常大。
- 缺点：易漏油、维护困难；不确定性和非线性因素多，控制和校正不如电气式方便

传动装置 ¶

参数 ¶

传动机构的性能要求 ¶

质量和转动惯量应尽量小。
刚度尽量大：伺服系统动力损失小（变形损失能量小）；
频率要高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振；
闭环系统更加稳定。
阻尼越大，振动的振幅就越小，衰减也越快。但大阻尼会使系统稳态误差增大、精度降低。

强度与刚度 ¶

强度：零件在工作中发生断裂或残余变形均属于强度不足。
刚度：零件在工作中所产生的弹性变形不超过允许的限度。包括整体刚度和表面刚度两种。
相同的强度，结构不同，刚度不同

减速比 ¶

（传动比：输入速度与输出速度之比

减速比，也即传动比。指减速机构输入速度与输出速度之比，用“i”表示。即，i = 输入速度 / 输出速度，并使输出力 / 力矩变为原来的 i 倍。

\[ i = \frac{输入速度}{输出速度} = \frac{输入力矩}{输出力矩} \]

例：电机输入减速箱的速度 1000n/min，输出速度 10n/min，则减速比 i =1000/10=100

如电机输出力矩为 Tin=0.1Nm，则输出力矩为 Tout=Tini=0.1Nm100=10Nm

传动比是指机械传动系统中，始端主动轮与末端从动轮的角速度或转速的比值。传动比可以描述输入轴和输出轴之间的速度关系，包括齿轮传动、链条传动等多种传动方式。传动比的计算公式为：传动比 = 主动轮转速 / 从动轮转速。

减速比则是传动比的一种特殊形式，专指减速装置的传动比。减速比是指减速机构中瞬时输入速度与输出速度的比值。减速比的目的是降低转速并增加扭矩，通常用于将高速低扭矩的驱动装置（如电动机）的速度降低，并提供高扭矩输出。减速比的计算公式为：减速比 = 输入转速 / 输出转速。

转动惯量 ¶

尽可能小，防止谐振

阻尼 ¶

支撑、导向系统：轴承和导轨

齿轮传动 ¶

齿轮传动是指由齿轮副传递运动和动力的装置，它是现代各种设备中应用最广泛的一种机械传动方式。

优点：传动比较准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长。

基本参数的计算公式 ¶

\[ p_i = s_i + e_i a_i = e_i\\ 模数m = \frac{m_i}{\pi}\\ 国标压力角的标准值为20°\\ 分度圆直径 d =mz (欲使两齿轮正确啮合，两轮的模数必须相等 )\\ 定常传动比i_12 = \frac{\omega_1}{\omega_2} = \frac{O_2P}{O_1P} (P为节点) \]

齿数要尽量大于 17

https://max.book118.com/html/2020/0123/8140121006002074.shtm

定轴传动 ¶

定轴轮系：所有转动轴可以是平行的或者交错的；每个轴上可以有多个齿轮。

周转轮系 ¶

周转轮系：至少有一个齿轮的轴线不固定 ，而是绕另一个齿轮的轴线转动的轮系。

减速比计算（重点）¶

\[ i_{首末} = \frac{\omega_{首}}{\omega_{末}} = \frac{Z_末}{Z_首} \quad 包含正负 \\ 本题答案 \\ i_{12} = \frac{\omega_1}{\omega_2} = -\frac{Z_2}{Z_1} \\ i_{23} = \frac{\omega_2}{\omega_3} = \frac{Z_3}{Z_2} \\ i_{33'} = \frac{\omega_3}{\omega_3'} = \frac{Z_3'}{Z_3} = 1 \\ i_{3'4} = \frac{\omega_3'}{\omega_4} = -\frac{Z_4}{Z_3'} \\ i_{44'} = \frac{\omega_4}{\omega_4'} = \frac{Z_4'}{Z_4} = 1\\ i_{4'5} = \frac{\omega_4'}{\omega_5} = -\frac{Z_5}{Z_4'} \\ 综上：i_{15} = \frac{\omega_1}{\omega_5} = -\frac{Z_3}{Z_1}\frac{Z_4}{Z_3'}\frac{Z_5}{Z_4'} \\ \]