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1、 1 机械臂控制系统的设计机械臂控制系统的设计 1 引言引言 近年来，随着制造业在我国的高速发展，工业机器人技术也得到了迅速的发 展。根据负载的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、装配等负载较重的场合；中小型机械臂主要用于焊接、喷漆、 检测等负载较小的场合。随着国外工业机器人技术的不断发展，尤其是一些中小 型机器人，它们具有体积小、质量轻、精度高、控制可靠的特点，甚至研发出更 为轻巧的控制箱，可以在工作区域随时移动，这样大大方便了工作人员的操作。 在工业机器人的应用中最常见的是六自由度的机械臂。 它是由 6 个独立的旋转关 节串联形成的一种工业机器人，每个
2、关节都有各自独立的控制系统。 2 机械臂硬件系统设计机械臂硬件系统设计 2.1 机械臂构型的选择机械臂构型的选择 要使机器臂的抓持器能够以准确的位置和姿态移动到给定点， 这就要求机器 人具有一定数量的自由度。机器臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所 要完成的任务相匹配。 为了使安装在双轮自平衡机器人上的机械臂能够具有完善 的功能，能够完成复杂的任务，将其自由度数目定为 6 个，这样抓持器就可以达 到空间中的任意位姿，并且不会出现冗余问题。在确定自由度后，就可以合理的 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
3、器的姿态，而前 3 个关节确定腕关节原点的位置。采用 这种方法设计的机械臂可以认为是由定位结构及其后面串联的定向结构或手腕 组成的。这样设计出来的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 的形式，连杆长度可以不同，但是连杆偏距都为 0，这样的 结构会使推倒逆解时计算简单。 定位机构是涉及形式主要有以下几种：SCARA 型机械臂，直角坐标型机械 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。 SCARA 机械臂是平面关节型，不能满足本文对机械臂周边 3 维空间任意抓 取的要求；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 2 移动，机
4、械臂如需较大的工作空间，则臂长较长；和其他类型相比关节型机械臂 在其工作空间内干涉是最小的，是一种较为优良的结构。所以初步确定本文机械 臂构型为关节型。 2.2 臂杆长度的确定臂杆长度的确定 机械臂的臂杆设计如表 2-1 所示： 表 2-1 机械臂臂杆长度 臂体名称 大臂 L1 小臂 L2 机械手 长度（mm） 550 500 150 2.3 机械臂结构设计机械臂结构设计 2.3.1 关节结构方案关节结构方案 为了便于机械臂关节的模块化涉及和简化结构， 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 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
5、式因中间零件少，故形变量与回程间隙都较小，且能保持较 高的结构刚度。 2.4 关键部件的选型关键部件的选型 2.4.1 关节负载的估算关节负载的估算 各关节的动态参数是驱动元件的选择和关节传动零件选择的重要依据。 由机 器人动力学相关知识可知完整的机器人动力学方程为： 式中 3 一般使用静力学方法和动力学方法计算机器人的动力参数， 速度较低的机械， 在运行过程中，惯性引起的动载荷较小，一般使用静力学方法，忽略 C 和 F 的 影响。而对于运行速度较高机械，其动载荷也较大，即 C 项的影响较大，甚至 超过静载荷； 且粘滞摩擦也较大， 同时考虑静载荷和动载荷， 需使用动力学计算。 本文的设计要求是
6、一款可以安装在全向移动平台上的轻型机械臂， 对关节的旋转 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，首先假设每个关节的重力作用集中在中心，将连杆的重 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 受力矩的最大值。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 4 2.4.2 关节驱动系统电机的选型关节驱动系统电机的选型 机械臂的驱动系统，有三种基本类型，即电动驱动、液压驱动和气动驱动， 也可以根据需要组合成为复合式的驱动系统。 (1) 电机驱动 目前机械臂上使用最多的一种驱动方式
7、是电动驱动， 它利用各种电机产生的 力和力矩，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 和气动驱动系统高，且电源方便，所以在机器人中得到了广泛的应用。 (2) 液压驱动 液压驱动的主要优点是功率密度大。液压缸也可直接作为臂体的一部分，因 而结构紧凑，刚性好。由于液压油液的不可压缩性，系统的固有频率较高，快速 响应好， 可实现频繁平稳的变速和换向。 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、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、 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
8、小， 也难以进行速度控制，多用于中、小负荷且精度要求不高的机器人控制系统中。 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 驱动系统减速器的选型驱动系统减速器的选型 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 受力和机械臂关节传动机构组合方式， 应在驱动电机和机械臂关节间安装减速器 做扭矩适配，降低输出轴的速度，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、齿轮减速器等可以和步进电机适配。 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
9、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的减速比一般较小，需要增 加减速比时只需增加行星轮系的级数即可，而整体体积变化较小。 2、蜗轮蜗杆减速器 蜗轮蜗杆减速器的传动比大，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。 5 3、谐波减速器 波发生器，柔轮，刚轮是谐波减速器的三大部分，谐波齿轮减速器传动结构 简单，减速比高，同时啮合的齿数多，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的 1/4 左右，传动空程小，适用 于反
10、向转动，在机器人领域有着广泛应用。但对柔轮材料有较高的强度要求，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 范围和速度范围大，广泛用于各种仪器仪表中，但其制造和安装精度要求高，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的一 部分，同时便于机械臂的模块化设计。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
11、关节俯仰 和肘关节旋转采用 CSF-11-100-2XHF，腕俯仰采用 CSF-8-100-2XH-F。 2.4.4 电机驱动器的选型电机驱动器的选型 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的直流电机 那样通过控制输入的等效电压就可以驱动和调速。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。常见的有单片机 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 使用单片机内部的锁存器、计数/定时器，和并行 I/O 接口，可以实现对步 进电机的控制，脉冲环形分配器的功能由单片机系统实现完成
12、，通过软件中断方 式实现步进电机的变速控制，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 和 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，运动控制卡是专用于步进电机控制的 PC 插卡， 是应对复杂系统的控制而出现的，一般可同时控制十几台甚至几十台步进 电机的运动，一般价格很高。 综上，本设计将使用
13、步进电机专用驱动芯片来驱动步进电机。其中肩关节和 6 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，其他轴选用 A4988 微步驱动器。 表 2-3 步进电机驱动芯片相关参数 型号 最高耐压 电流 使用温度 自锁性能 细分模式 THB7128 40VDC 3.3A -40-85（） 半流锁定 1-128（8 种） A4988 35VDC 2A -20-85（） 无 1-16（5 种） 2.4.5 传感器的选型传感器的选型 本文将使用步进电机和谐波齿轮减速器为机械臂提供动力， 步进电机只需要 通控制驱动脉冲的数量，即可简单实现较高精度的定位，并使
14、工作物在精确地停 在目标位置。 步进电机以细分后的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 电机转子旋转的角度为角度=1.8 *1/16=0.1125 ，转子旋转一周需要脉冲数为 360 /0.1125 =3200，需要旋转到其他任意角度的计算方式与上式相同。本文使用 限位开关的型号为 Omron 微动开关 SS-5 摆杆型限位开关。 表 2-4 微动限位开关参数 型号 按键力度 接触规格 触发精度 耐热温度 SS-5 1.47N 1C（双投型） 0.5mm 85 2.4.6 下位机的选型下位机的选型 对于
15、机器臂控制，需要对多台电机进行联动控制。为了实现多台电机之间的 通信和控制， 必须建立一套数据通信系统来完成主计算机与各运动控制单元间的 数据交换。基于现场总线的分布式控制技术能够解决这些问题。但常见的分布式 控制系统又有 USB 总线， SERCOS 总线， RS-485 总线和 CAN 总线等这几种。 本设计将采用 RS-485 总线来实现机械臂的分布式控制。 本设计选用了 TI 公司的 2000 系列 DSP TMS320LF2407 作为控制单元。其 时钟频率可达 40MHz，具有高速的处理能力，片内资源丰富，特别是它特有两 个内置事件管理器模块（EVA、EVB） 。通过 JTAG 接
16、口可以方便的对 DSP 进 行全速的在系统调试仿真。TMS320LF2407 的电源电压为 3.3V，正常下作电流 为 80m A 左右，抗干扰能力较强。 2.4.6.1 关节控制器硬件电路关节控制器硬件电路 关节控制器是以 DSP 芯片为核心，芯片本身及其外围电路的性能直接决定 7 了系统的性能。故芯片的选择及其外围电路的设计，也就显得十分的重要。下面 将通过单个模块电路的方式分别介绍控制器硬件电路。 (1) 电源电路 通过开关电源，接入 B0505LS 模块产生稳定的的 5V 电压作为 TPS7333 芯 片的供电电压，管脚 8 做为 2407 的上电复位信号。管角 5,6 通过滤波电容输出 作为 2407 的供电电压（3.3V） 。如图 2-5。 图 2-4 电源电路 (2) 时钟电路 TMS320LF2407 的时钟源可以来自
