機械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計

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1、機械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計1引言近年來，隨著制造業(yè)在我國的高速發(fā)展，工業(yè)機器人技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。根據(jù)負載的大小可以將機械臂分為大型、中型、小型三類。大型機械臂主要用于搬運、碼垛、裝配等負載較重的場合；中小型機械臂主要用于焊接、噴漆、檢測等負載較小的場合。隨著國外工業(yè)機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是一些中小型機器人，它們具有體積小、質(zhì)量輕、精度高、控制可靠的特點，甚至研發(fā)出更為輕巧的控制箱，可以在工作區(qū)域隨時移動，這樣大大方便了工作人員的操作。在工業(yè)機器人的應(yīng)用中最常見的是六自由度的機械臂。它是由6個獨立的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)形成的一種工業(yè)機器人，

2、每個關(guān)節(jié)都有各自獨立的控制系統(tǒng)。2機械臂硬件系統(tǒng)設(shè)計2.1機械臂構(gòu)型的選擇要使機器臂的抓持器能夠以準確的位置和姿態(tài)移動到給定點，這就要求機器人具有一定數(shù)量的自由度。機器臂的自由度是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配。為了使安裝在雙輪自平衡機器人上的機械臂能夠具有完善的功能，能夠完成復(fù)雜的任務(wù)，將其自由度數(shù)目定為6個，這樣抓持器就可以達到空間中的任意位姿，并且不會出現(xiàn)冗余問題。在確定自由度后，就可以合理的布置各關(guān)節(jié)來分配這些自由度了。由于計算數(shù)值解遠比封閉解費時，數(shù)值解很難用于實時控制，這樣，后3個關(guān)節(jié)就確定了末端執(zhí)行器的

3、姿態(tài)，而前3個關(guān)節(jié)確定腕關(guān)節(jié)原點的位置。采用這種方法設(shè)計的機械臂可以認為是由定位結(jié)構(gòu)及其后面串聯(lián)的定向結(jié)構(gòu)或手腕組成的。這樣設(shè)計出來的機器人都具有封閉解。另外，定位結(jié)構(gòu)都采用簡單結(jié)構(gòu)連桿轉(zhuǎn)角為0或90°的形式，連桿長度可以不同，但是連桿偏距都為0，這樣的結(jié)構(gòu)會使推倒逆解時計算簡單。定位機構(gòu)是涉及形式主要有以下幾種：SCARA型機械臂，直角坐標型機械臂，圓柱坐標型機械臂，極坐標型機械臂，關(guān)節(jié)坐標型機械臂等。SCARA機械臂是平面關(guān)節(jié)型，不能滿足本文對機械臂周邊3維空間任意抓取的要求；直角坐標型機械臂投影面積較大，工作空間??；極坐標方式需

4、要線性移動，機械臂如需較大的工作空間，則臂長較長；和其他類型相比關(guān)節(jié)型機械臂在其工作空間內(nèi)干涉是最小的，是一種較為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)。所以初步確定本文機械臂構(gòu)型為關(guān)節(jié)型。2.2臂桿長度的確定機械臂的臂桿設(shè)計如表2-1所示：表2-1機械臂臂桿長度臂體名稱大臂L1小臂L2機械手長度（mm）5505001502.3機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3.1關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)方案為了便于機械臂關(guān)節(jié)的模塊化涉及和簡化結(jié)構(gòu)，本設(shè)計使用電機直接連接減速器，減速器連接臂體連接結(jié)構(gòu)。圖2-1是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)動力傳遞方案。圖2-1關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)動力傳遞方案使用這種聯(lián)接方式因中間零件少，故形變量與回程間

5、隙都較小，且能保持較高的結(jié)構(gòu)剛度。2.4關(guān)鍵部件的選型2.4.1關(guān)節(jié)負載的估算各關(guān)節(jié)的動態(tài)參數(shù)是驅(qū)動元件的選擇和關(guān)節(jié)傳動零件選擇的重要依據(jù)。由機器人動力學(xué)相關(guān)知識可知完整的機器人動力學(xué)方程為：式中一般使用靜力學(xué)方法和動力學(xué)方法計算機器人的動力參數(shù)，速度較低的機械，在運行過程中，慣性引起的動載荷較小，一般使用靜力學(xué)方法，忽略C和F的影響。而對于運行速度較高機械，其動載荷也較大，即C項的影響較大，甚至超過靜載荷；且粘滯摩擦也較大，同時考慮靜載荷和動載荷，需使用動力學(xué)計算。本文的設(shè)計要求是一款可以安裝在全向移動平臺上的輕型機械臂，對關(guān)節(jié)的旋

6、轉(zhuǎn)速度要求不高，因此估算機械臂力矩時采用靜力學(xué)方法。圖2-2機械臂受力簡圖估計關(guān)節(jié)力矩之前，首先假設(shè)每個關(guān)節(jié)的重力作用集中在中心，將連桿的重量均分于各關(guān)節(jié)，機械臂受力簡圖如圖2-2所示，使用靜力學(xué)方法計算關(guān)節(jié)所受力矩的最大值。六自由度機械臂三維靜態(tài)仿真圖如圖2-3所示：圖2-3三維靜態(tài)仿真圖2.4.2關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)電機的選型機械臂的驅(qū)動系統(tǒng)，有三種基本類型，即電動驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣動驅(qū)動，也可以根據(jù)需要組合成為復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。(1)電機驅(qū)動目前機械臂上使用最多的一種驅(qū)動方式是電動驅(qū)動，它利用各種電機產(chǎn)生的力和力矩，直接或通過機械傳動裝

7、置來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。這類系統(tǒng)效率比液壓驅(qū)動和氣動驅(qū)動系統(tǒng)高，且電源方便，所以在機器人中得到了廣泛的應(yīng)用。(2)液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率密度大。液壓缸也可直接作為臂體的一部分，因而結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。由于液壓油液的不可壓縮性，系統(tǒng)的固有頻率較高，快速響應(yīng)好，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向。液壓系統(tǒng)易于實現(xiàn)過載保護，動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動、防爆性好。(3)氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便。與液壓驅(qū)動系統(tǒng)相比，同體積條件下功率較小，也難以進行速度控制，多用于中、小負荷且

8、精度要求不高的機器人控制系統(tǒng)中。綜上，本設(shè)計決定使用電動驅(qū)動方式為機械臂提供動力，步進電機為驅(qū)動電機。2.4.3驅(qū)動系統(tǒng)減速器的選型結(jié)合上文，本文將使用步進電機為驅(qū)動電機為機械臂提供動力，結(jié)合各關(guān)節(jié)受力和機械臂關(guān)節(jié)傳動機