CN104112390B - 一种机电综合实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机电综合实验平台。包括底盘系统、机械臂、控制盒；底盘系统包括底盘主体、一对前轮、一对后轮、第一直流减速电机和第二直流减速电机；两个后轮分别与第一直流减速电机和第二直流减速电机连接；机械臂包括第一关节、第二关节和第三关节；控制盒内部安装有单片机和电源。本发明能够为学习机械方面的学生提供实践操作的机会，体积小，操作简单，解决现在市场机器人教具在实践操作上不方便、价格昂贵、功能单一以及不能由学生实际操作的问题。

Description

一种机电综合实验平台

技术领域

本发明属于机电技术领域，具体涉及一种机电综合实验平台。

背景技术

学生在进行机械类、机电类课程的理论学习过程中，存在对于基本机械结构、电路连接方面进行直观理解和训练动手能力等方面的问题，需要一种综合性的实验平台供学生进行分析及实践。

现有用于机械、机电类课程实验教具中，多为机器人教具。机器人教具以其在机电一体化和机械与控制结合的独特优势，成为当下高校进行机械、机电类课程实验的首选平台。然而，目前市场上的机器人教具大多为大型的工业机器人。例如，目前大学教学中使用较多的由日本YASKAWA公司研制MOTOMAN UP6型机器人，是一款工业机器人，有六个自由度，由机器人控制柜、机座和机器手臂组成。控制柜用来控制机器人手臂的电源和安全，以及功能的选择。机座用于放置机器手臂；手臂由旋回、下臂倾动、手臂横摆、上臂倾动、手臂俯仰、手腕回转六个旋转关节组成，配有六种不同型号的伺服电机控制单元，分别内置在六个关节的结合处。该机器人在大型机器人中相对结构简单，功能多样。但其存在着诸多缺点，难以满足实际教学需要，具体为：1)其价格高，高昂的价格限制了其在学校的大规模实验推广，作为实验的教具不能满足实际操作的要求；2)该款机器人高1050mm，活动半径1500mm，占据大量的实验空间，不便携带，不能满足机电课程基础教学中学生众多，需要亲身实践的需要；3)大型机器人大多从事专门的工业用途，因此在结构上采用了内置封闭式处理，不能方便的看出机器人的内部结构，不方便教学展示；4)大型机器人集成化程度高，控制复杂，步骤繁多，对于初学者而言学习相当不便。

在小型机器人教具方面，一种典型的教学用机器人是ARobot模块化教学机器人。ARobot模块化教学机器人主要由：ARM上位机模块、视觉模块、伺服电机控制驱动模块、非接触式传感器模块及电源模块构成。该型机器人支持基于电机控制、非接触式传感器以及计算机视觉的多种实验。

ARobot型机器人基本代表了现在高校所使用的机器人产品，但对于教学来说，该型机器人适用面较窄，尤其是对机械类专业，目前小型机器人侧重于编程，形式过于单一,涉及到的机构较少，结构过于简单，缺少机电结合的教学内容，很难让学生从整体上理解该机构或者电路在机器中的作用。在机电一体化的框架下难以完全满足要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机电综合实验平台，能够为学习机械方面的学生提供实践操作的机会，体积小，操作简单，解决现在市场机器人教具在实践操作上不方便、价格昂贵、功能单一以及不能由学生实际操作的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种机电综合实验平台，包括底盘系统、机械臂、控制盒；底盘系统包括底盘主体、一对前轮、一对后轮、第一直流减速电机和第二直流减速电机；两个后轮分别与第一直流减速电机和第二直流减速电机连接；机械臂包括第一关节、第二关节和第三关节；控制盒内部安装有单片机和电源。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)本发明机械臂采用不同的传动方式，并且采用镂空设计和外置式，提高了综合展示能力，方便学生理解不同的机械传动方式：2)本发明机电实验平台为小型化的实验平台，价格低廉，能够在学校大规模推广；3)本发明由多部分组成，采用分块设计，分清各部分功能，能够让学生自己操作、自由组合，能够提升同学们的动手能力。

附图说明

图1是本发明主视图；

图2是本发明侧视图；

图3是本发明俯视图，其中左侧圆圈内为I部位的放大图；

图4是本发明的底盘系统在未安装前桥转向机构时的结构示意图；

图5是本发明的底盘系统在安装前桥转向机构后的结构示意图；

图6是本发明的机械臂主视展示图；

图7是本发明的机械臂俯视展示图，其中右侧圆圈内为I部位的放大图；

图8是本发明控制盒示意图，其中左上为控制盒内部剖视图，右上为控制盒上盖，左下为控制盒俯视图。

具体实施方式

结合图1、图2、图3，本发明机电综合实验平台包括底盘系统、机械臂、控制盒三个部分。

底盘系统结构

底盘系统如图1、图2、图4所示，包括底盘主体7、一对前轮2、一对后轮8、第一直流减速电机13和第二直流减速电机14。第一直流减速电机13和第二直流减速电机14安装在底盘主体7上，两个后轮8分别与第一直流减速电机13和第二直流减速电机14连接。第一直流减速电机13和第二直流减速电机14分别驱动两个后轮8，实现后轮驱动。一对前轮2配合一对可驱动后轮8，通过两轮差速运动实现转向。

作为改进，如图5所示，底盘系统还包括轮系安装前桥1。轮系安装前桥1安装在底盘主体7的前端，一对前轮2安装在轮系安装前桥1上。

在需要一对前轮2实现无动力转向时，在轮系安装前桥1的两边各安装一个第一十字联轴器3，两个前轮2各通过一个阶梯轴9与其对应的第一十字联轴器3连接在一起，其中阶梯轴9分成三段，其中一端的一段与前轮2连接，用于定位前轮2，另一端的一段与第一十字联轴器3连接，用于定位第一十字联轴器3。两个前轮2通过两个第一十字联轴器3安装在轮系安装前桥1上，组成前桥转向机构，使得前轮2能够实现无动力转向。

在需要前轮驱动时，可以进一步在无动力转向的基础上，在轮系安装前桥1上再设置一对第二十字联轴器4，将两个第一十字联轴器3分别通过连接轴与两个第二十字联轴器4连接，在两个第二十字联轴器4上安装齿条，齿条与步进电机的齿轮连接，通过齿轮齿条的啮合可以使用步进电机驱动前轮2。其中，第一十字联轴器3可采用较大的8*8十字联轴器，而第二十字联轴器4可采用较小的8*8十字联轴器。

本发明同时采用后轮同步驱动时，通过第一十字联轴器3与第二十字联轴器4配合轴所构成的平行四杆机构的回转运动使本发明平台可以实现转向运动。

本发明可以通过改变轮系安装前桥1上安装的前轮2的种类，实现不同轮系的展示。

本发明当在前轮2和后轮8上加装履带，可实现履带行走。

机械臂结构

如图1、图3、图6和图7所示，机械臂由三个关节组成，能够通过不同的方式实现传动与自锁。在各关节的传动方式上，分采用了四杆机构传动、蜗轮蜗杆传动、简单多级齿轮传动。三个关节能够展示机械结构三种不同的自锁方式，实现机械无动力状态下运动状态的保持，同时方便老师的讲解以及机械课堂上同学对自锁的理解。

第一关节及其传动构成：

第一关节中有安装在底盘主体7上的旋转云台6，电机支撑件24固定在旋转云台6上，换向直流电机22安装在电机支撑件24的内侧，可调整曲柄盘23连接在换向直流电机22的电机输出轴上；同时，旋转云台6上还固定有两个关节连接块17，对称的步进电机固定件20分别与两个关节连接块17通过轴连接，在其中一个步进电机固定件20和可调整曲柄盘23之间活动连接有摇杆21。通过上述连接结构，旋转云台6、两个关节连接块17、两个步进电机固定件20、摇杆21、可调整曲柄盘23和电机支撑件24之间组成了一个完整的四杆机构，并组成第一关节，实现了第一关节的传动。该四杆机构巧妙的将电机的转动转化成了关节的摆动。第一关节的自锁是由换向直流电机22自身的自锁完成的。

第一关节的运动通过四杆机构完成，可调整曲柄盘23相当于固定曲柄，两个步进电机固定件20相当于运动件。换向直流电机22带动可调整曲柄盘23转动，可调整曲柄盘23带动摇杆21运动，摇杆21再带动步进电机固定件20进行摆动。通过调整可调整曲柄盘23与摇杆21连接点可以调整曲柄的长度，从而改变步进电机固定件20的摆动角度范围。通过单片机程序控制电机的转速可以控制步进电机固定件20的摆动速度，通过控制盒中单片机程序控制换向直流电机22的转角可以控制步进电机固定件20的摆动角度。

第二关节及其传动构成：

第二关节包括第二关节主体16-1、步进电机5，

第二关节主体16-1由结构角钢搭建而成，四个结构角钢搭建成关节框架，第二关节主体16-1的两端均对称设置有两个关节连接块17，第二个关节主体16-1一端的两个关节连接块17通过连接轴18与两个步进电机固定件20活动连接，连接轴18上固定有涡轮12。

步进电机5固定在对称的两个步进电机固定件20之间，步进电机5输出轴上连接有蜗杆11。

连接轴18上固定的涡轮12与步进电机5输出轴上的蜗杆11啮合，共同构成蜗轮蜗杆传动机构。

通过步进电机5的转动带动涡轮蜗杆传动。根据步进电机控制原理，通过程序控制步进电机5的转速实现摆动速度的自由控制。通过程序控制步进电机5转角改变摆动角度。蜗轮蜗杆传动机构使第二关节具有传动比大、自锁能力强的优点。

第三关节及其传动构成：

与第二关节类似，第三关节包括第三关节主体16-2，第三关节主体16-2由结构角钢搭建而成，四个结构角钢搭建成关节框架。第三关节主体16-2的一端对称设置有两个关节连接块17，另一端设置有机械手爪10，第三关节主体16-2的两个关节连接块17通过连接轴18与第二关节主体16-1另一端的两个关节连接块17活动连接。

第三关节与第二关节不同点还体现在其传动方式上，其运用的是典型的齿轮传动。在第二关节主体16-1内部安装有减速电机19，减速电机19的输出轴上连接有小齿轮，第三关节的关节连接块17上固定有一个大齿轮。一个中间齿轮连接在连接轴18的轴端，与连接轴18实现过渡配合。小齿轮、中间齿轮和大齿轮依此啮合，由小齿轮带动中间齿轮，再由中间齿轮带动低速级大齿轮。

该关节的运动是通过二级齿轮减速完成，通过程序改变减速电机19的转速可以改变关节的转速，通过程序改变减速电机19的转角可以改变关节的摆角。二级减速齿轮由于速度减慢，力矩将会增大，从而利用自身的摩擦阻尼实现自锁。

本发明机械臂部分在机构实验时可以利用不同关节单独的拆装，进行单独的实验。可以研究典型四杆机构的工作原理、杆件的摆动角度的影响因素、改变曲柄长度对整个四杆机构运行的影响蜗轮蜗杆传动方式及其相关内容、齿轮传动相关内容、与机械设计基础有关的内容；换向直流减速电机的工作方式，变速原理等与机电传动控制基础有关的内容。

控制盒构成

控制盒主要实现的目的是为整个实验平台提供电源，同时为整个实验平台提供控制，控制盒内部主要安装有单片机27和电源29。

电源29采用了多输出电压，支持不同功率、电压的电机工作。

单片机27具有各种接口，包括：USB接口、RS232串行接口、双串行485接口。

单片机27还具有各种模块，包括：舵机驱动部、步进电机驱动部、直流电机驱动部、A/D&D/A转换模块、按键控制模块、串并转换模块、数码管显示模块、逻辑电路模块。

单片机27还具有插件扩展槽，可以根据实际课堂需要进行功能扩展。

本发明中各个电机即是通过相应的电机模块进行供电以及控制。各个电机模块能够实现电压转换，以适应不同额定电压的电机。

单片机27可以不预先给定控制程序，也可以预先给定控制程序。如果不预先给定程序，则将实验要用的控制程序以及其它实验程序，集成在光盘之中，便于教师和学生实验时使用。

所述的控制程序以及其它实验程序包括：

1、舵机调速程序；

2、舵机按键控制程序；

3、步进电机简单控制程序；

4、步进电机调速原理实验程序；

5、步进电机综合控制程序；

6、直流电机PWM调速实验程序；

7、直流电机换向实验程序；

8、RS232串口通信实验程序；

9、485串口基础通信程序；

10、USB传输实验程序；

11、数码管显示以及逻辑控制程序；

12、数码管时钟编译程序；

13、串并转换实验程序。

通过上述组成，单片机27其具有强大的综合实验能力，不仅能够进行控制，还能单独进行实验。

控制盒本体包括控制盒上盖25，控制盒外壳26，支撑U型钢28。

整个控制盒的控制盒上盖25盖在控制盒外壳26上，构成整个控制盒的外部结构。控制盒内部为了有效利用空间，在控制盒底部安装了四个支撑U型钢28，四个支撑U型钢28构成的内部空间与电源的体积相等，使得电源能够直接放置在由四个支撑U型钢28构成的内部空间内而不用固定，可以实现电源的快速安装和拆卸。在支撑U型钢28的上方安装单片机27。这种结构通过分层布局，有效利用空间。

本发明机电综合实验平台可以完成以下实验：

实验一、行走机构分析与设计。通过改变安装在底盘系统上轮子的种类及其位置，实现不同轮系的更换，让学生通过观察不同行走方式的异同，理解各种行走方式的原理与优缺点，以达到让学生熟悉不同行走方式的目的。

实验二、机械式的机构。通过让学生对照书本所给机构图像与本发明机电综合实验平台实物，画出所给机构的连接结构，并验证所画结构的正确性，以达到熟悉几种基本的机构及其简图，学会绘制简单的结构连接方式的目的。

实验三、机电综合实验。让学生了解电机的工作原理，正确判断不同类型电机的适用场合；熟悉单片机上各个接口的作用并能与电机正确连接；输入给定代码并通过修改程序参数来改变步进电机的转速，以达到认识机器人所需的不同种类电机，了解各电机的工作原理；了解单片机包含的基本接口及其功能；巩固理解机器人平台简单程序的运行的目的。

实验四、让学生实践实验在老师的指导下，将机器人实验平台逐步拆卸，观察各部分机构，再重新组装起来，对设计中存在的问题提出自己的意见，以达到提高学生实际动手操作能力和创新能力。

Claims (9)

1.一种机电综合实验平台，其特征在于，包括底盘系统、机械臂、控制盒；

底盘系统包括底盘主体(7)、一对前轮(2)、一对后轮(8)、第一直流减速电机(13)和第二直流减速电机(14)；两个后轮(8)分别与第一直流减速电机(13)和第二直流减速电机(14)连接；

机械臂包括第一关节、第二关节和第三关节；

控制盒内部安装有单片机(27)和电源(29)；

所述底盘系统还包括轮系安装前桥(1)；轮系安装前桥(1)安装在底盘主体(7)的前端；轮系安装前桥(1)的两边各安装一个第一十字联轴器(3)，两个前轮(2)各通过一个阶梯轴(9)与其对应的第一十字联轴器(3)连接在一起；阶梯轴(9)分为三段，其中一端的一段与前轮(2)连接，另一端的一段与第一十字联轴器(3)连接。

2.如权利要求1所述的机电综合实验平台，其特征在于，轮系安装前桥(1)上还设置有一对第二十字联轴器(4)，两个第一十字联轴器(3)分别通过连接轴与两个第二十字联轴器(4)连接，在两个第二十字联轴器(4)上安装有齿条，齿条与步进电机的齿轮连接。

3.如权利要求1所述的机电综合实验平台，其特征在于，在前轮(2)和后轮(8)上安装有履带。

4.如权利要求1所述的机电综合实验平台，其特征在于，第一关节包括安装在底盘主体(7)上的旋转云台(6)，电机支撑件(24)固定在旋转云台(6)上，换向直流电机(22)安装在电机支撑件(24)的内侧，可调整曲柄盘(23)连接在换向直流电机(22)的电机输出轴上；旋转云台(6)上还固定有两个关节连接块(17)，对称的两个步进电机固定件(20)分别与两个关节连接块(17)通过轴连接，在其中一个步进电机固定件(20)和可调整曲柄盘(23)之间活动连接有摇杆(21)。

5.如权利要求4所述的机电综合实验平台，其特征在于，第二关节包括第二关节主体(16-1)、步进电机(5)；第二关节主体(16-1)的两端均对称设置有两个关节连接块(17)，第二关节主体(16-1)一端的两个关节连接块(17)通过连接轴(18)与两个步进电机固定件(20)活动连接，连接轴(18)上固定有涡轮(12)；步进电机(5)固定在对称的两个步进电机固定件(20)之间，步进电机(5)输出轴上连接有蜗杆(11)；连接轴(18)上固定的涡轮(12)与步进电机(5)输出轴上的蜗杆(11)相啮合。

6.如权利要求4所述的机电综合实验平台，其特征在于，第三关节包括第三关节主体(16-2)，第三关节主体(16-2)的一端对称设置有两个关节连接块(17)，另一端 设置有机械手爪(10)，第三关节主体(16-2)的两个关节连接块(17)通过连接轴(18)与第二关节主体(16-1)另一端的两个关节连接块(17)活动连接；第二关节主体(16-1)内部安装有减速电机(19)，减速电机(19)的输出轴上连接有小齿轮，第三关节的关节连接块(17)上固定有大齿轮；连接轴(18)的轴端连接有中间齿轮，小齿轮、中间齿轮和大齿轮依此啮合。

7.如权利要求1所述的机电综合实验平台，其特征在于，单片机(27)具有USB接口、RS232串行接口、双串行485接口、插件扩展槽。

8.如权利要求1所述的机电综合实验平台，其特征在于，单片机(27)还具有舵机驱动部、步进电机驱动部、直流电机驱动部、A/D和D/A转换模块、按键控制模块、串并转换模块、数码管显示模块、逻辑电路模块。

9.如权利要求1所述的机电综合实验平台，其特征在于，供单片机使用的程序包括以下程序的一种或多种：

舵机调速程序；舵机按键控制程序；步进电机简单控制程序；步进电机调速原理实验程序；步进电机综合控制程序；直流电机PWM调速实验程序；直流电机换向实验程序；RS232串口通信实验程序；485串口基础通信程序；USB传输实验程序；数码管显示以及逻辑控制程序；数码管时钟编译程序；串并转换实验程序。