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清洗机器人手指驱动电源的设计

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1、研究目的和意义

清洁机器人，是一种智能清洁、吸尘工具，是一种配备了微电脑系统的电动保洁设备，它能按照人们的设置清洁房间的某一特定部分或全部。清洁机器人最早出现在于美国，随后发展的欧美，风靡港澳台，90年代中期进入大陆。现在市场上的自动清洁机器人主要几种品牌：（TOMEFON德国）斐纳清洁机器人，（irobot美国）irobot清洁机器人，（Proscenic台湾）浦桑尼克清洁机器人，（科沃斯 中国）科沃斯清洁机器人，（PHILIPS荷兰）飞利浦清洁机器人等。人类的一只脚已经迈进了机器人时代的大门，中国10年内机器人将融入市民日常生活，机器人将和汽车一样成为生活必需用具。这些机器人从用途上看，有用于教育类的机器人，有用于服务类的机器人，有用于制造类的机器人，等等。其中自动清洁机器人就属于服务类的机器人。机器人的发展就像上世纪80年代的个人电脑、上世纪90年代中期的手机一样，正处于产业真正起飞的前夕，巨大的市场前景已经展现。资料显示，2003年至2007年间，全球机器人以每年40%左右的速度增长。据统计，到2009年底，全球投入使用的服务型机器人已达到450万台。

自动清洁机器人优于普通吸尘器的地方主要体现在：省时、省力，整个清洁过程中不 需要人控制，减轻您操作负担；还比一般吸尘器的噪音小，清洁房间的过程免受噪音之苦；还可以净化空气，内置活性炭、吸附空气中的有害物质，粉尘净化率高达96%，清洁效率接近100%；轻便小巧：轻松打扫普通吸尘器清理不到的死角。总之，自动清洁机器人，具有操作简单，使用方便、智能、安全、清洁效果显著的特点。

2、国内外发展情况(文献综述)

2、1清洁机器人研究现状

清洗机器人是一种机械设备，它可以沿管道内壁行走，它可以携带一种或多种传感器以及操作装置(如CCD传感器，超声波传感器，位置传感器，简单的操作机械手，防腐喷漆装置以及本课题用的雨刷清洗装置等)，一系列的管道检测和清洗作业通过操作人员的操作来进行。移动载体，基于计算机视觉的定位检测系统，动力传输系统和信号传递及驱动控制系统组成了一个完整的管道清洗机器人系统，其中驱动控制系统是管道清洗机器人的核心部分。在管道机器人技术方面，美国，英国，德国，日本等发达国家已做了大量的工作，取得了比较好的成绩。据统计，国际上生产管道清洗机器人的公司不少于20家，如美国的Nicro与Vsi，加拿大的Airtox，英国的Indoor，丹麦的Danduct，瑞典的Wintclean，韩国的Hanlim等。

相较于国外，我国管道清洗机器人的研究和制造要晚一些，随着科技的发展和人民生活水平的提高，诸如空调，油烟机等电器使用的越来越多，并且自2003年之后，我国民众和餐饮业开始关注空调，油烟机的安全卫生，人工清洗难度大且往往洗不干净，市场对管道清洗机器人产品的需求越来越大，政府部门，社会以及商家也更重视这一产业的发展。

2004年中科院兰州分院研制成功我国第一台管道清洗机器人，据介绍，研究人员是按照400MMx400MM规格的空调的通风管道来设计的清洗机器人的样机，具有的功能如下：①可以在管道中行走；②可以观察管道内污染的情况；③可以清洁管道内的污染物I_刀。随后国内管道清洗机器人行业取得了较快的发展，国内一些科研院所和重点高校已经设计并生产出较先进的成套的管道清洗机器人设备，如清华大学，浙江大学，哈尔滨工业大学，深圳大学，东华大学等，并取得了较好的成果。

2、2驱动电源研究现状

    驱动电源作为整个电子设备的“心脏”，其性能的好坏与设备的运行情况有着必然的联系。电源从线性电源发展到今天的开关电源，广泛的应用于航空、军事、工业、自动化、农业等领域。根据拓扑结构的不同可将驱动电源分为两大类:直流放大式驱动电源(有时也称线性电源)和直流变换式驱动电源(有时也称高频开关电源)。

    1、直流放大式压电驱动电源

    直流放大式驱动电源是指调整管工作在线性状态下的稳压电源，稳定输出电压靠深度负反馈作用在电路中实现，特点主要是稳定性好、可靠度高、输出电压的纹波小。主要有电压型驱动电源与电流型驱动电源两类。

    1)电压型压电驱动电源

    此拓扑结构具有频响范围较宽，输出纹波小等特点，将高压放大电路与功率放大电路以及及反馈保护电路集成一体，在压电陶瓷驱动电源中应用较为广泛，基本原理如图1.5所示(王永红等，2013。如李福良等应用APEX公司推出的PA系列高压运放芯片为主芯片设计驱动电源驱动压电陶瓷微运动(李福良，2004);张铁民等也运用此系列高压运放芯片为基础设计成可宏/微转换的驱动系统驱动压电直线电机(张铁民等，2015)。

图1.5电压型压电电源原理图

    2)电流(电荷)型压电陶瓷驱动电源

    电流(电荷)型驱动电源(董维杰等，2002)，主要是利用其压电陶瓷的位移量与其所带的自由电荷量成线性关系，在单位时间内对充电电流进行积分算得电流(电荷)量进行反馈控制，也可由积分放大器反馈得到，相应原理如图1.6和图1.7所示，电路中有电荷(或电流量)反馈电路(陈立国等，2006)。但由于压电陶瓷是电容性负载，工作时会出现电荷泄露现象影响其控制精度，在静态定位控制中效果不好。根据不同的应用场合和需求，国内外很多厂商己经研制出许多相应的压电陶瓷驱动器，如德国PI公司、美国Kinetic Ceramics Lnc公司、美国RHK公司、美国Columbia公司、德国Dynamic structures & Materials公司等。

图1.6电流型驱动电源原理图

图1.7电荷型驱动电源原理图

    2、直流变换式驱动电源

随着电源技术的不断发展，对电源的小型化、轻便化提出了更高的要求，因此，以高频化为主要特点的开关电源进入工程师们的视线，并很快在工业、农业、航空等领域中广泛的应用。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM控制IC和MOSFET构成。该类型驱动电源损耗较小且有较多纹波，频响范围窄。阮新波等以半桥电路作为主驱动电路，采用软开关技术对电路进行改善，实现对超声电机的控制;德国Saarland大学过程自动化实验室给出了一种基于PWM开关型的压电驱动电源，可在负载为2.2uF等效电容情况下，输出电压达到800V瞬时输出电流为0.75A(张磊，2014)。

图1.8双极性PWM原理图

    本实验所研究的宏微驱动直线电机集宏/微机械结构于一体，具有体积小，结构设计灵活，定位速度高等特点，因此要求驱动电源既要能够实现同时驱动宏/微运动，实现小型化，又要完成对压电电机的运动状态进行精密控制。综合各种驱动方式的优缺点，本论文主要以直流变换式技术为基础，并结合整流调压的技术，以DSP为核心控制器，设计驱动电源控制器，以实现对精密定位平台进行精密的定位控制。

3、研究/设计的目标：

结合现研究的宏微精密定位平台的现状，主要采用的是宏微驱动采用两种不同的结构进行搭建，则导致其驱动控制技术较难实现通用性及结构的优化。为此针对分立的定位平台，实验室提出集宏微运动一体化的压电直线电机，论文主要进行的是针对此电机进行驱动控制技术的研究工作。课题主要任务是利用高性能、低功耗的微处理器DSP作为驱动器的信号发生器、算法运算处理器、信号检测器等，实现软件的设计，并与硬件电路相结合，实现输出的两相交流电压，相位、频率、电压幅值连续可调、宏微驱动无缝转换。同时提高实现驱动系统的小型化和通用性能，以促进电机产业的发展。

4、研究/设计主要内容：

压电直线电机驱动控制系统硬件主要包括:主电路、驱动电路、半桥变换电路、采样电路、低压辅助电路以及保护电路等。微处理器主要用于实现控制算法、PWM信号的控制等，多路低压辅助电路用于低压器件的供电;利用可控硅、半桥电路实现输出直流电压的调节，实现幅值可调;采样电路用于输出信号的反馈，实现系统闭环控制;半桥变换电路实现驱动系统宏/微驱动的转换以及多路交流控制信号的生成，驱动控制系统结构框图如图所示。

图：驱动控制系统结构框图

5、本课题的进度安排

2017年11月~12月，搜集国内外与课题有关的资料，进行阅读与分析。完成开题。

2017年12月~2017年2月末，提出课题研究初步方案。

2018年3月26日~2017年4月15日，确定具体方案。

2018年4月16日~2017年5月5日，设计驱动电源系统。

2018年5月8日~2017年5月31日，进行软件编写。

2018年6月初到最后，对研究工作和成果进行总结，撰写论文，完成整个设计的研究。

6、参考文献  

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[2]卢志刚，吴杰，吴潮．数字伺服控制系统与设计[M]．北京：机械工业出版社，2007：2．5．

[3]李润平，黄光明．管道机器人的研究进展[J]．机床与液压，2008，36(4)：185．187

[4]黄晓华，基于永磁无刷直流电机的双轮驱动电动汽车电驱动系统研究[D]．山东：山东大学．201l

[5]回毅．基于STM32无位置传感器无刷直流电机控制器设计[D]．华中科技大学．201 l

[6]严卫，王育才，孙希通．基于单神经元自适应PID控制器的无刷直流电动机的控制方法研究[J]．微

电机，2007，40(8)：34．

[7]王琨，王志强，刘刚．永磁无刷直流电机驱动的压力机伺服控制系统研究叨．微电机．2012(02)

[8]李瑞峰，黄超，孙中远．两轮驱动移动机器人控制系统的研制叨．机械设计与制造．201 l(6)

[9]杨豪．无刷直流电机仿人智能控制系统的设计与研究[D]．重庆大学．2009

[10]Choi H R，Ryew  S M．Robotic system with active steering capability for internal Inspection of

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[l1]Y．Kawaguchi，Internal pipe inspection robot，IEEE International Conference and Automation，

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[12]Myers D，Potential Use of Walking&Climbing Robots  in  Nuelear  Faeilities，Nuelear

Engineer,200 1，42(1)：4-8

 指导教师意见:

教师签字：

年     月      日

毕业设计领导小组意见:

         组长签字：

年      月      日