机械臂控制系统的设计

机械臂控制系统得设计

1 引言

近年来，随着制造业在我国得高速发展，工业机器人技术也得到了迅速得发展。根据负载得大小可以将机械臂分为大型、中型、小型三类。大型机械臂主要用于搬运、码垛、装配等负载较重得场合；中小型机械臂主要用于焊接、喷漆、检测等负载较小得场合.随着国外工业机器人技术得不断发展，尤其就是一些中小型机器人，它们具有体积小、质量轻、精度高、控制可靠得特点，甚至研发出更为轻巧得控制箱，可以在工作区域随时移动,这样大大方便了工作人员得操作.在工业机器人得应用中最常见得就是六自由度得机械臂。它就是由６个独立得旋转关节串联形成得一种工业机器人,每个关节都有各自独立得控制系统.

2机械臂硬件系统设计

2、1 机械臂构型得选择

要使机器臂得抓持器能够以准确得位置与姿态移动到给定点，这就要求机器人具有一定数量得自由度.机器臂得自由度就是设计得关键参数,其数目应该与所要完成得任务相匹配.为了使安装在双轮自平衡机器人上得机械臂能够具有完善得功能，能够完成复杂得任务，将其自由度数目定为6个，这样抓持器就可以达到空间中得任意位姿,并且不会出现冗余问题。在确定自由度后,就可以合理得布置各关节来分配这些自由度了。

由于计算数值解远比封闭解费时，数值解很难用于实时控制，这样，后3个关节就确定了末端执行器得姿态，而前3个关节确定腕关节原点得位置.采用这种方法设计得机械臂可以认为就是由定位结构及其后面串联得定向结构或手腕组成得。这样设计出来得机器人都具有封闭解。另外,定位结构都采用简单结构连杆转角为0或90°得形式，连杆长度可以不同，但就是连杆偏距都为0，这样得结构会使推倒逆解时计算简单。

定位机构就是涉及形式主要有以下几种:SＣARA型机械臂，直角坐标型机ＳＣARA机械臂就是平面关节型,不能满足本文对机械臂周边3维空间任意

械臂，圆柱坐标型机械臂,极坐标型机械臂，关节坐标型机械臂等。

抓取得要求;直角坐标型机械臂投影面积较大,工作空间小；极坐标方式需要线性移动，机械臂如需较大得工作空间,则臂长较长;与其她类型相比关节型机械臂在其工作空间内干涉就是最小得，就是一种较为优良得结构。所以初步确定本文机械臂构型为关节型。

２、2臂杆长度得确定

机械臂得臂杆设计如表2－1所示：

表２—1 机械臂臂杆长度

臂体名称 长度（mm)

大臂L1 550

小臂L2 5０0

机械手 1５０

2、3 机械臂结构设计

2、３、1 关节结构方案

为了便于机械臂关节得模块化涉及与简化结构，本设计使用电机直接连接减速器,减速器连接臂体连接结构。图２-1就是关节结构动力传递方案。

图２-１ 关节结构动力传递方案

使用这种联接方式因中间零件少,故形变量与回程间隙都较小,且能保持较高得结构刚度。

2、4 关键部件得选型

2、4、1 关节负载得估算

各关节得动态参数就是驱动元件得选择与关节传动零件选择得重要依据.由机器人动力学相关知识可知完整得机器人动力学方程为：

式中

一般使用静力学方法与动力学方法计算机器人得动力参数,速度较低得机械，在运行过程中,惯性引起得动载荷较小，一般使用静力学方法，忽略C与F得影响。而对于运行速度较高机械，其动载荷也较大，即C项得影响较大，甚至超过静载荷;且粘滞摩擦也较大，同时考虑静载荷与动载荷，需使用动力学计算。本文得设计要求就是一款可以安装在全向移动平台上得轻型机械臂，对关节

得旋转速度要求不高,因此估算机械臂力矩时采用静力学方法。

图2-２ 机械臂受力简图

估计关节力矩之前，首先假设每个关节得重力作用集中在中心，将连杆得重量均分于各关节，机械臂受力简图如图 2—2 所示，使用静力学方法计算关节所受力矩得最大值.六自由度机械臂三维静态仿真图如图２-3所示:

图２—3 三维静态仿真图

2、４、2 关节驱动系统电机得选型

机械臂得驱动系统，有三种基本类型，即电动驱动、液压驱动与气动驱动,也可以根据需要组合成为复合式得驱动系统。 (1) 电机驱动

目前机械臂上使用最多得一种驱动方式就是电动驱动,它利用各种电机产生得力与力矩,直接或通过机械传动装置来驱动执行机构。这类系统效率比液压驱动与气动驱动系统高，且电源方便,所以在机器人中得到了广泛得应用。 （2) 液压驱动

液压驱动得主要优点就是功率密度大。液压缸也可直接作为臂体得一部分,因而结构紧凑,刚性好。由于液压油液得不可压缩性，系统得固有频率较高,快速响应好，可实现频繁平稳得变速与换向。液压系统易于实现过载保护,动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好。 （3) 气动驱动

气动驱动系统通常由气缸、气阀、气罐与空压机组成，其特点就是气源方便、

结构简单、造价较低、维修方便。与液压驱动系统相比，同体积条件下功率较小，也难以进行速度控制，多用于中、小负荷且精度要求不高得机器人控制系统中。

综上，本设计决定使用电动驱动方式为机械臂提供动力，步进电机为驱动电机.

２、4、3驱动系统减速器得选型

结合上文,本文将使用步进电机为驱动电机为机械臂提供动力，结合各关节受力与机械臂关节传动机构组合方式,应在驱动电机与机械臂关节间安装减速器做扭矩适配，降低输出轴得速度，增大输出扭矩.一般行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器、齿轮减速器等可以与步进电机适配。 １、行星齿轮减速器

行星齿轮减速器通常由一个或者多个外部齿轮围绕着一个中心齿轮旋转，就像行星绕着太阳公转一样。在工作状态中多个行星齿轮协同工作，因而承载能力大,属纯扭矩传动,工作平稳.单级行星齿轮减速器得减速比一般较小,需要增加减速比时只需增加行星轮系得级数即可,而整体体积变化较小。 2、蜗轮蜗杆减速器

蜗轮蜗杆减速器得传动比大，一般为 10-8０，也可以达到 ８0 以上。此外,蜗轮蜗杆减速器机械结构紧凑、热交换性能好、工作平稳、噪声小、具备机械自锁能力,安全性高。 3、谐波减速器

波发生器，柔轮,刚轮就是谐波减速器得三大部分，谐波齿轮减速器传动结构简单,减速比高,同时啮合得齿数多，运行平稳、传动承载力大，齿侧间隙小，传动精度高,传动误差只有普通圆柱齿轮传动得 １/4 左右,传动空程小，适用于反向转动，在机器人领域有着广泛应用。但对柔轮材料有较高得强度要求，工艺复杂。 4、齿轮减速器

圆柱齿轮减速机构为定传动比齿轮机构,其传动准确，平稳高效，传动功率范围与速度范围大,广泛用于各种仪器仪表中，但其制造与安装精度要求高，高减速比时结构较为复杂，体积一般较大.

综上，初步去确定使用谐波齿轮减速器，减速比大，传动精度高，体积小巧,输入轴与输出轴轴线重合,可很方便地与步进电机组合安装成为机械臂关节得一 部分，同时便于机械臂得模块化设计.本文将采用 Harｍｏniｃ Dｒive CSF-ｍｉni 系列组合型谐波减速器,其中腰关节采用型号为 CSF—14—10０-2XH-Ｆ；肘关节俯仰与肘关节旋转采用 CSF—１1-10０—2XHＦ，腕俯仰采用 CＳF-8—１00-2XH-F.

2、４、4电机驱动器得选型

虽然步进电机广泛地应用于各行各业，但步进电机并不能像普通得直流电机那样通过控制输入得等效电压就可以驱动与调速。它必须利用电子电路,将直流电变成分时多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作.常见得有单片机 Ｉ/Ｏ 直接控制,步进电机驱动芯片、运动控制卡。 1、单片机 I／O 直接控制方式

使用单片机内部得锁存器、计数/定时器，与并行 I/O 接口,可以实现对步进电机得控制,脉冲环形分配器得功能由单片机系统实现完成，通过软件中断方式实现步进电机得变速控制，改变通电顺序则可改变转向。 2、步进电机专用驱动芯片

步进电机专用驱动芯片一般集成度较高,外围电路简单,一般有 ENAＢLE、STEP 与 DIＲ 三个输入端，ＥＮABLE 为使能端，使能有效时方可驱动步进电机；STEＰ 为脉冲输入,输入一个脉冲,即可驱动步进电机产生微动;DIR 为方向 ，改变 DＩR 逻辑电平即可换向。 3、运动控制卡驱动控制

通过计算机可直接控制步进电机,运动控制卡就是专用于步进电机控制得 PＣ 插卡，就是应对复杂系统得控制而出现得，一般可同时控制十几台甚至几十台步进电机得运动，一般价格很高。

综上,本设计将使用步进电机专用驱动芯片来驱动步进电机。其中肩关节与肘关节俯仰有自锁需求，使用东芝 THB71２８ 3A １28 高细分步进电机专用驱动芯片驱动，其她轴选用 Ａ4988 微步驱动器。

表 2-3 步进电机驱动芯片相关参数 型号 THB7１28 最高耐压 40VDC 电流 ±３、3A 使用温度 －40－85(℃） -2０－85（℃） 自锁性能 半流锁定 细分模式 1—1２8(8 种) 1-16(5 种) A4988 3５VDC ±２A 无 2、4、5传感器得选型

本文将使用步进电机与谐波齿轮减速器为机械臂提供动力，步进电机只需要通控制驱动脉冲得数量，即可简单实现较高精度得定位，并使工作物在精确地停在目标位置.步进电机以细分后得步距角为基本单位进行定位。以两相电机为例,其步距角为１、8°,使用 1/16 细分方式进行驱动，那么每给驱动器一个脉冲步进电机转子旋转得角度为角度=１、8°＊1/１6＝0、１125°,转子旋转一周需要脉冲数为 360°/0、１125°=320０，需要旋转到其她任意角度得计算方式与上式相同.