機(jī)械臂控制系統(tǒng)系統(tǒng)地設(shè)計(jì).doc

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

2、聯(lián)形成的一種工業(yè)機(jī)器人，每個(gè)關(guān)節(jié)都有各自獨(dú)立的控制系統(tǒng)。2機(jī)械臂硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1機(jī)械臂構(gòu)型的選擇要使機(jī)器臂的抓持器能夠以準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)移動(dòng)到給定點(diǎn)，這就要求機(jī)器人具有一定數(shù)量的自由度。機(jī)器臂的自由度是設(shè)計(jì)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(jī)器人上的機(jī)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(gè)，這樣抓持器就可以達(dá)到空間中的任意位姿，并且不會(huì)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(lái)分配這些自由度了。由于計(jì)算數(shù)值解遠(yuǎn)比封閉解費(fèi)時(shí)，數(shù)值解很難用

3、于實(shí)時(shí)控制，這樣，后3個(gè)關(guān)節(jié)就確定了末端執(zhí)行器的姿態(tài)，而前3個(gè)關(guān)節(jié)確定腕關(guān)節(jié)原點(diǎn)的位置。采用這種方法設(shè)計(jì)的機(jī)械臂可以認(rèn)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(jì)出來(lái)的機(jī)器人都具有封閉解。另外，定位結(jié)構(gòu)都采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)連桿轉(zhuǎn)角為0或90°的形式，連桿長(zhǎng)度可以不同，但是連桿偏距都為0，這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)使推倒逆解時(shí)計(jì)算簡(jiǎn)單。定位機(jī)構(gòu)是涉及形式主要有以下幾種：SCARA型機(jī)械臂，直角坐標(biāo)型機(jī)械臂，圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂，極坐標(biāo)型機(jī)械臂，關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)械臂等。SCARA機(jī)械臂是平面關(guān)節(jié)型，不能滿足本文對(duì)機(jī)械臂周邊3維空

4、間任意抓取的要求；直角坐標(biāo)型機(jī)械臂投影面積較大，工作空間?。粯O坐標(biāo)方式需要線性移動(dòng)，機(jī)械臂如需較大的工作空間，則臂長(zhǎng)較長(zhǎng)；和其他類型相比關(guān)節(jié)型機(jī)械臂在其工作空間干涉是最小的，是一種較為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)。所以初步確定本文機(jī)械臂構(gòu)型為關(guān)節(jié)型。2.2臂桿長(zhǎng)度的確定機(jī)械臂的臂桿設(shè)計(jì)如表2-1所示：表2-1機(jī)械臂臂桿長(zhǎng)度臂體名稱大臂L1小臂L2機(jī)械手長(zhǎng)度（mm）5505001502.3機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)方案為了便于機(jī)械臂關(guān)節(jié)的模塊化涉及和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)使用電機(jī)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)

5、節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力傳遞方案。圖2-1關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)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(fù)載的估算各關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)參數(shù)是驅(qū)動(dòng)元件的選擇和關(guān)節(jié)傳動(dòng)零件選擇的重要依據(jù)。由機(jī)器人動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知完整的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程為：式中一般使用靜力學(xué)方法和動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算機(jī)器人的動(dòng)力參數(shù)，速度較低的機(jī)械，在運(yùn)行過程中，慣性引起的動(dòng)載荷較小，一般使用靜力學(xué)方法，忽略C和F的影響。而對(duì)于運(yùn)行速度較高機(jī)械，其動(dòng)載荷也較大，即C項(xiàng)的影響較大，甚至超過靜載荷；且粘滯摩擦

6、也較大，同時(shí)考慮靜載荷和動(dòng)載荷，需使用動(dòng)力學(xué)計(jì)算。本文的設(shè)計(jì)要一款可以安裝在全向移動(dòng)平臺(tái)上的輕型機(jī)械臂，對(duì)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度要求不高，因此估算機(jī)械臂力矩時(shí)采用靜力學(xué)方法。圖2-2機(jī)械臂受力簡(jiǎn)圖估計(jì)關(guān)節(jié)力矩之前，首先假設(shè)每個(gè)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(jī)械臂受力簡(jiǎn)圖如圖2-2所示，使用靜力學(xué)方法計(jì)算關(guān)節(jié)所受力矩的最大值。六自由度機(jī)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(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選型機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有三種基本類型，即電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，也可以根據(jù)需

7、要組合成為復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)目前機(jī)械臂上使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，它利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力和力矩，直接或通過機(jī)械傳動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這類系統(tǒng)效率比液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高，且電源方便，所以在機(jī)器人中得到了廣泛的應(yīng)用。(2)液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向。液壓系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動(dòng)、防爆性好。(3)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通

8、常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，其特點(diǎn)是氣源方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、維修方便。與液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，同體積條件下功率較小，也難以進(jìn)行速度控制，多用于中、小負(fù)荷且精度要求不高的機(jī)器人控制系統(tǒng)中。綜上，本設(shè)計(jì)決定使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式為機(jī)械臂提供動(dòng)力，步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2.4.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速器的選型結(jié)合上文，本文將使用步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)為機(jī)械臂提供動(dòng)力，結(jié)合各關(guān)節(jié)受力和機(jī)械臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組合