一種機電綜合實驗平臺的製作方法
2023-06-08 18:51:06 1
一種機電綜合實驗平臺的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種機電綜合實驗平臺。包括底盤系統、機械臂、控制盒；底盤系統包括底盤主體、一對前輪、一對後輪、第一直流減速電機和第二直流減速電機；兩個後輪分別與第一直流減速電機和第二直流減速電機連接；機械臂包括第一關節、第二關節和第三關節；控制盒內部安裝有單片機和電源。本發明能夠為學習機械方面的學生提供實踐操作的機會，體積小，操作簡單，解決現在市場機器人教具在實踐操作上不方便、價格昂貴、功能單一以及不能由學生實際操作的問題。
【專利說明】一種機電綜合實驗平臺
【技術領域】
[0001] 本發明屬於機電【技術領域】，具體涉及一種機電綜合實驗平臺。
【背景技術】
[0002] 學生在進行機械類、機電類課程的理論學習過程中，存在對於基本機械結構、電路 連接方面進行直觀理解和訓練動手能力等方面的問題，需要一種綜合性的實驗平臺供學生 進行分析及實踐。
[0003] 現有用於機械、機電類課程實驗教具中，多為機器人教具。機器人教具以其在機 電一體化和機械與控制結合的獨特優勢，成為當下高校進行機械、機電類課程實驗的首選 平臺。然而，目前市場上的機器人教具大多為大型的工業機器人。例如，目前大學教學中 使用較多的由日本YASKAWA公司研製Μ0Τ0ΜΑΝ UP6型機器人，是一款工業機器人，有六個自 由度，由機器人控制櫃、機座和機器手臂組成。控制櫃用來控制機器人手臂的電源和安全， 以及功能的選擇。機座用於放置機器手臂；手臂由旋迴、下臂傾動、手臂橫擺、上臂傾動、手 臂俯仰、手腕迴轉六個旋轉關節組成，配有六種不同型號的伺服電機控制單元，分別內置在 六個關節的結合處。該機器人在大型機器人中相對結構簡單，功能多樣。但其存在著諸多 缺點，難以滿足實際教學需要，具體為：1)其價格高，高昂的價格限制了其在學校的大規模 實驗推廣，作為實驗的教具不能滿足實際操作的要求；2)該款機器人高1050_，活動半徑 1500mm，佔據大量的實驗空間，不便攜帶，不能滿足機電課程基礎教學中學生眾多，需要親 身實踐的需要；3)大型機器人大多從事專門的工業用途，因此在結構上採用了內置封閉式 處理，不能方便的看出機器人的內部結構，不方便教學展示；4)大型機器人集成化程度高， 控制複雜，步驟繁多，對於初學者而言學習相當不便。
[0004] 在小型機器人教具方面，一種典型的教學用機器人是ARobot模塊化教學機器人。 ARobot模塊化教學機器人主要由：ARM上位機模塊、視覺模塊、伺服電機控制驅動模塊、非 接觸式傳感器模塊及電源模塊構成。該型機器人支持基於電機控制、非接觸式傳感器以及 計算機視覺的多種實驗。
[0005] ARobot型機器人基本代表了現在高校所使用的機器人產品，但對於教學來說，該 型機器人適用面較窄，尤其是對機械類專業，目前小型機器人側重於編程，形式過於單一， 涉及到的機構較少，結構過於簡單，缺少機電結合的教學內容，很難讓學生從整體上理解該 機構或者電路在機器中的作用。在機電一體化的框架下難以完全滿足要求。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在於提供一種機電綜合實驗平臺，能夠為學習機械方面的學生提供 實踐操作的機會，體積小，操作簡單，解決現在市場機器人教具在實踐操作上不方便、價格 昂貴、功能單一以及不能由學生實際操作的問題。
[0007] 為了解決上述技術問題，本發明提供一種機電綜合實驗平臺，包括底盤系統、機械 臂、控制盒；底盤系統包括底盤主體、一對前輪、一對後輪、第一直流減速電機和第二直流減 速電機；兩個後輪分別與第一直流減速電機和第二直流減速電機連接；機械臂包括第一關 節、第二關節和第三關節；控制盒內部安裝有單片機和電源。
[0008] 本發明與現有技術相比，其顯著優點在於：1)本發明機械臂採用不同的傳動方 式，並且採用鏤空設計和外置式，提高了綜合展示能力，方便學生理解不同的機械傳動方 式：2)本發明機電實驗平臺為小型化的實驗平臺，價格低廉，能夠在學校大規模推廣；3)本 發明由多部分組成，採用分塊設計，分清各部分功能，能夠讓學生自己操作、自由組合，能夠 提升同學們的動手能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發明主視圖；
[0010] 圖2是本發明側視圖；
[0011] 圖3是本發明俯視圖，其中左側圓圈內為I部位的放大圖；
[0012] 圖4是本發明的底盤系統在未安裝前橋轉向機構時的結構示意圖；
[0013] 圖5是本發明的底盤系統在安裝前橋轉向機構後的結構示意圖；
[0014] 圖6是本發明的機械臂主視展示圖；
[0015] 圖7是本發明的機械臂俯視展示圖，其中右側圓圈內為I部位的放大圖；
[0016] 圖8是本發明控制盒示意圖，其中左上為控制盒內部剖視圖，右上為控制盒上蓋， 左下為控制盒俯視圖。
【具體實施方式】
[0017] 結合圖1、圖2、圖3,本發明機電綜合實驗平臺包括底盤系統、機械臂、控制盒三個 部分。
[0018] 底盤系統結構
[0019] 底盤系統如圖1、圖2、圖4所不，包括底盤主體7、一對前輪2、一對後輪8、第一直 流減速電機13和第二直流減速電機14。第一直流減速電機13和第二直流減速電機14安 裝在底盤主體7上，兩個後輪8分別與第一直流減速電機13和第二直流減速電機14連接。 第一直流減速電機13和第二直流減速電機14分別驅動兩個後輪8,實現後輪驅動。一對前 輪2配合一對可驅動後輪8,通過兩輪差速運動實現轉向。
[0020] 作為改進，如圖5所示，底盤系統還包括輪系安裝前橋1。輪系安裝前橋1安裝在 底盤主體7的前端，一對前輪2安裝在輪系安裝前橋1上。
[0021] 在需要一對前輪2實現無動力轉向時，在輪系安裝前橋1的兩邊各安裝一個第 一十字聯軸器3,兩個前輪2各通過一個階梯軸9與其對應的第一十字聯軸器3連接在一 起，其中階梯軸9分成三段，其中一端的一段與前輪2連接，用於定位前輪2,另一端的一段 與第一十字聯軸器3連接，用於定位第一十字聯軸器3。兩個前輪2通過兩個第一十字聯軸 器3安裝在輪系安裝前橋1上，組成前橋轉向機構，使得前輪2能夠實現無動力轉向。
[0022] 在需要前輪驅動時，可以進一步在無動力轉向的基礎上，在輪系安裝前橋1上再 設置一對第二十字聯軸器4,將兩個第一十字聯軸器3分別通過連接軸與兩個第二十字聯 軸器4連接，在兩個第二十字聯軸器4上安裝齒條，齒條與步進電機的齒輪連接，通過齒輪 齒條的嚙合可以使用步進電機驅動前輪2。其中，第一十字聯軸器3可採用較大的8*8十字 聯軸器，而第二十字聯軸器4可採用較小的8*8十字聯軸器。
[0023] 本發明同時採用後輪同步驅動時，通過第一十字聯軸器3與第二十字聯軸器4配 合軸所構成的平行四桿機構的迴轉運動使本發明平臺可以實現轉向運動。
[0024] 本發明可以通過改變輪系安裝前橋1上安裝的前輪2的種類，實現不同輪系的展 /_J、1 〇
[0025] 本發明當在前輪2和後輪8上加裝履帶，可實現履帶行走。
[0026] 機械臂結構
[0027] 如圖1、圖3、圖6和圖7所示，機械臂由三個關節組成，能夠通過不同的方式實現 傳動與自鎖。在各關節的傳動方式上，分採用了四桿機構傳動、蝸輪蝸杆傳動、簡單多級齒 輪傳動。三個關節能夠展示機械結構三種不同的自鎖方式，實現機械無動力狀態下運動狀 態的保持，同時方便老師的講解以及機械課堂上同學對自鎖的理解。
[0028] 第一關節及其傳動構成：
[0029] 第一關節中有安裝在底盤主體7上的旋轉雲臺6,電機支撐件24固定在旋轉雲臺 6上，換向直流電機22安裝在電機支撐件24的內側，可調整曲柄盤23連接在換向直流電機 22的電機輸出軸上；同時，旋轉雲臺6上還固定有兩個關節連接塊17,對稱的步進電機固定 件20分別與兩個關節連接塊17通過軸連接，在其中一個步進電機固定件20和可調整曲柄 盤23之間活動連接有搖杆21。通過上述連接結構，旋轉雲臺6、兩個關節連接塊17、兩個步 進電機固定件20、搖杆21、可調整曲柄盤23和電機支撐件24之間組成了一個完整的四桿 機構，並組成第一關節，實現了第一關節的傳動。該四桿機構巧妙的將電機的轉動轉化成了 關節的擺動。第一關節的自鎖是由換向直流電機22自身的自鎖完成的。
[0030] 第一關節的運動通過四桿機構完成，可調整曲柄盤23相當於固定曲柄，兩個步進 電機固定件20相當於運動件。換向直流電機22帶動可調整曲柄盤23轉動，可調整曲柄 盤23帶動搖杆21運動，搖杆21再帶動步進電機固定件20進行擺動。通過調整可調整曲 柄盤23與搖杆21連接點可以調整曲柄的長度，從而改變步進電機固定件20的擺動角度範 圍。通過單片機程序控制電機的轉速可以控制步進電機固定件20的擺動速度，通過控制盒 中單片機程序控制換向直流電機22的轉角可以控制步進電機固定件20的擺動角度。
[0031] 第二關節及其傳動構成：
[0032] 第二關節包括第二關節主體16-1、步進電機5，
[0033] 第二關節主體16-1由結構角鋼搭建而成，四個結構角鋼搭建成關節框架，第二關 節主體16-1的兩端均對稱設置有兩個關節連接塊17,第二個關節主體16-1 -端的兩個關 節連接塊17通過連接軸18與兩個步進電機固定件20活動連接，連接軸18上固定有渦輪 12〇
[0034] 步進電機5固定在對稱的兩個步進電機固定件20之間，步進電機5輸出軸上連接 有蝸杆11。
[0035] 連接軸18上固定的渦輪12與步進電機5輸出軸上的蝸杆11嚙合，共同構成蝸輪 蝸杆傳動機構。
[0036] 通過步進電機5的轉動帶動渦輪蝸杆傳動。根據步進電機控制原理，通過程序控 制步進電機5的轉速實現擺動速度的自由控制。通過程序控制步進電機5轉角改變擺動角 度。蝸輪蝸杆傳動機構使第二關節具有傳動比大、自鎖能力強的優點。
[0037] 第三關節及其傳動構成：
[0038] 與第二關節類似，第三關節包括第三關節主體16-2,第三關節主體16-2由結構角 鋼搭建而成，四個結構角鋼搭建成關節框架。第三關節主體16-2的一端對稱設置有兩個關 節連接塊17,另一端設置有機械手爪10,第三關節主體16-2的兩個關節連接塊17通過連 接軸18與第二關節主體16-1另一端的兩個關節連接塊17活動連接。
[0039] 第三關節與第二關節不同點還體現在其傳動方式上，其運用的是典型的齒輪傳 動。在第二關節主體16-1內部安裝有減速電機19,減速電機19的輸出軸上連接有小齒輪， 第三關節的關節連接塊17上固定有一個大齒輪。一個中間齒輪連接在連接軸18的軸端， 與連接軸18實現過渡配合。小齒輪、中間齒輪和大齒輪依此嚙合，由小齒輪帶動中間齒輪， 再由中間齒輪帶動低速級大齒輪。
[0040] 該關節的運動是通過二級齒輪減速完成，通過程序改變減速電機19的轉速可以 改變關節的轉速，通過程序改變減速電機19的轉角可以改變關節的擺角。二級減速齒輪由 於速度減慢，力矩將會增大，從而利用自身的摩擦阻尼實現自鎖。
[0041] 本發明機械臂部分在機構實驗時可以利用不同關節單獨的拆裝，進行單獨的實 驗。可以研究典型四桿機構的工作原理、杆件的擺動角度的影響因素、改變曲柄長度對整個 四桿機構運行的影響蝸輪蝸杆傳動方式及其相關內容、齒輪傳動相關內容、與機械設計基 礎有關的內容；換向直流減速電機的工作方式，變速原理等與機電傳動控制基礎有關的內 容。
[0042] 控制盒構成
[0043] 控制盒主要實現的目的是為整個實驗平臺提供電源，同時為整個實驗平臺提供控 制，控制盒內部主要安裝有單片機27和電源29。
[0044] 電源29米用了多輸出電壓，支持不同功率、電壓的電機工作。
[0045] 單片機27具有各種接口，包括：USB接口、RS232串行接口、雙串行485接口。
[0046] 單片機27還具有各種模塊，包括：舵機驅動部、步進電機驅動部、直流電機驅動 部、A/D&D/A轉換模塊、按鍵控制模塊、串並轉換模塊、數碼管顯示模塊、邏輯電路模塊。
[0047] 單片機27還具有插件擴展槽，可以根據實際課堂需要進行功能擴展。
[0048] 本發明中各個電機即是通過相應的電機模塊進行供電以及控制。各個電機模塊能 夠實現電壓轉換，以適應不同額定電壓的電機。
[0049] 單片機27可以不預先給定控制程序，也可以預先給定控制程序。如果不預先給定 程序，則將實驗要用的控制程序以及其它實驗程序，集成在光碟之中，便於教師和學生實驗 時使用。
[0050] 所述的控制程序以及其它實驗程序包括：
[0051] 1、舵機調速程序；
[0052] 2、舵機按鍵控制程序；
[0053] 3、步進電機簡單控制程序；
[0054] 4、步進電機調速原理實驗程序；
[0055] 5、步進電機綜合控制程序；
[0056] 6、直流電機PWM調速實驗程序；
[0057] 7、直流電機換向實驗程序；
[0058] 8、RS232串口通信實驗程序；
[0059] 9、485串口基礎通行程序；
[0060] 10、USB傳輸實驗程序；
[0061] 11、數碼管顯示以及邏輯控制程序；
[0062] 12、數碼管時鐘編譯程序；
[0063] 13、串並轉換實驗程序。
[0064] 通過上述組成，單片機27其具有強大的綜合實驗能力，不僅能夠進行控制，還能 單獨進行實驗。
[0065] 控制盒本體包括控制盒上蓋25,控制盒外殼26,支撐U型鋼28。
[0066] 整個控制盒的控制盒上蓋25蓋在控制盒外殼26上，構成整個控制盒的外部結構。 控制盒內部為了有效利用空間，在控制盒底部安裝了四個支撐U型鋼28,四個支撐U型鋼 28構成的內部空間與電源的體積相等，使得電源能夠直接放置在由四個支撐U型鋼28構成 的內部空間內而不用固定，可以實現電源的快速安裝和拆卸。在支撐U型鋼28的上方安裝 單片機27。這種結構通過分層布局，有效利用空間。
[0067] 本發明機電綜合實驗平臺可以完成以下實驗：
[0068] 實驗一、行走機構分析與設計。通過改變安裝在底盤系統上輪子的種類及其位置， 實現不同輪系的更換，讓學生通過觀察誰的？？不同行走方式的異同，理解各種行走方式的 原理與優缺點，以達到讓學生熟悉不同行走方式的目的。
[0069] 實驗二、機械式的機構。通過讓學生對照書本所給機構圖像與本發明機電綜合實 驗平臺實物，畫出所給機構的連接結構，並驗證所畫結構的正確性，以達到熟悉幾種基本的 機構及其簡圖，學會繪製簡單的結構連接方式的目的。
[0070] 實驗三、機電綜合實驗。讓學生了解電機的工作原理，正確判斷不同類型電機的適 用場合；熟悉單片機上各個接口的作用並能與電機正確連接；輸入給定代碼並通過修改程 序參數來改變步進電機的轉速，以達到認識機器人所需的不同種類電機，了解各電機的工 作原理；了解單片機包含的基本接口及其功能；鞏固理解機器人平臺簡單程序的運行的目 的。
[0071] 實驗四、讓學生實踐實驗在老師的指導下，將機器人實驗平臺逐步拆卸，觀察各部 分機構，再重新組裝起來，對設計中存在的問題提出自己的意見，以達到提高學生實際動手 操作能力和創新能力。
【權利要求】
1. 一種機電綜合實驗平臺，其特徵在於，包括底盤系統、機械臂、控制盒； 底盤系統包括底盤主體（7)、一對前輪（2)、一對後輪（8)、第一直流減速電機（13)和第 二直流減速電機（14);兩個後輪（8)分別與第一直流減速電機（13)和第二直流減速電機 (14)連接； 機械臂包括第一關節、第二關節和第三關節； 控制盒內部安裝有單片機（27)和電源（29)。
2. 如權利要求1所述的機電綜合實驗平臺，其特徵在於，底盤系統還包括輪系安裝前 橋（1);輪系安裝前橋（1)安裝在底盤主體（7)的前端；輪系安裝前橋（1)的兩邊各安裝一 個第一十字聯軸器（3)，兩個前輪（2)各通過一個階梯軸（9)與其對應的第一十字聯軸器 (3)連接在一起；階梯軸（9)分為三段，其中一端的一段與前輪（2)連接，另一端的一段與 第一十字聯軸器（3)連接。
3. 如權利要求2所述的機電綜合實驗平臺，其特徵在於，輪系安裝前橋（1)上還設置有 一對第二十字聯軸器（4)，兩個第一十字聯軸器（3)分別通過連接軸與兩個第二十字聯軸 器（4)連接，在兩個第二十字聯軸器（4)上安裝有齒條，齒條與步進電機的齒輪連接。
4. 如權利要求2所述的機電綜合實驗平臺，其特徵在於，在前輪⑵和後輪⑶上安裝 有履帶。
5. 如權利要求1所述的機電綜合實驗平臺，其特徵在於，第一關節包括安裝在底盤主 體⑵上的旋轉雲臺（6)，電機支撐件（24)固定在旋轉雲臺（6)上，換向直流電機（22)安 裝在電機支撐件（24)的內側，可調整曲柄盤（23)連接在換向直流電機（22)的電機輸出 軸上；旋轉雲臺（6)上還固定有兩個關節連接塊（17)，對稱的兩個步進電機固定件（20)分 別與兩個關節連接塊（17)通過軸連接，在其中一個步進電機固定件（20)和可調整曲柄盤 (23)之間活動連接有搖杆（21)。
6. 如權利要求5所述的機電綜合實驗平臺，其特徵在於，第二關節包括第二關節主體 (16-1)、步進電機（5);第二關節主體（16-1)的兩端均對稱設置有兩個關節連接塊（17)，第 二個關節主體（16-1) -端的兩個關節連接塊（17)通過連接軸（18)與兩個步進電機固定 件（20)活動連接，連接軸（18)上固定有渦輪（12);步進電機（5)固定在對稱的兩個步進 電機固定件（20)之間，步進電機（5)輸出軸上連接有蝸杆（11);連接軸（18)上固定的渦 輪（12)與步進電機（5)輸出軸上的蝸杆（11)相嚙合。
7. 如權利要求5所述的機電綜合實驗平臺，其特徵在於，第三關節包括第三關節主體 (16-2)，第三關節主體（16-2)的一端對稱設置有兩個關節連接塊（17)，另一端設置有機械 手爪（10)，第三關節主體（16-2)的兩個關節連接塊（17)通過連接軸（18)與第二關節主體 (16-1)另一端的兩個關節連接塊（17)活動連接；第二關節主體（16-1)內部安裝有減速電 機（19)，減速電機（19)的輸出軸上連接有小齒輪，第三關節的關節連接塊（17)上固定有大 齒輪；連接軸（18)的軸端連接有中間齒輪，小齒輪、中間齒輪和大齒輪依此嚙合。
8. 如權利要求1所述的機電綜合實驗平臺，其特徵在於，單片機（27)具有USB接口、 RS232串行接口、雙串行485接口、插件擴展槽。
9. 如權利要求1所述的機電綜合實驗平臺，其特徵在於，單片機（27)還具有舵機驅動 部、步進電機驅動部、直流電機驅動部、A/D&D/A轉換模塊、按鍵控制模塊、串並轉換模塊、數 碼管顯示模塊、邏輯電路模塊。
10.如權利要求1所述的機電綜合實驗平臺，其特徵在於，供單片機使用的程序包括以 下程序的一種或多種： 舵機調速程序；舵機按鍵控制程序；步進電機簡單控制程序；步進電機調速原理實 驗程序；步進電機綜合控制程序；直流電機PWM調速實驗程序；直流電機換向實驗程序； RS232串口通信實驗程序；485串口基礎通行程序；USB傳輸實驗程序；數碼管顯示以及邏 輯控制程序；數碼管時鐘編譯程序；串並轉換實驗程序。
【文檔編號】G09B25/02GK104112390SQ201410354240
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】陳昊, 李曾健, 徐小韻, 楊富, 張也在, 陶衛軍, 範元勳 申請人:南京理工大學