机械臂控制系统的设计Word格式.docx
- 文档编号:14129044
- 上传时间:2022-10-19
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:702.92KB
机械臂控制系统的设计Word格式.docx
《机械臂控制系统的设计Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机械臂控制系统的设计Word格式.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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:
SCAR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。
SCAR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移动,机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
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
2.3.1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。
电机减速器臂体结构
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
高的结构刚度
2.4关键部件的选型
2.4.1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
qi关节位這向量;
-关节速度向量:
-黃节加速度向:
M--表示惯性藍量=
C_表示与哥矢加速度和向加連度有关的量士
F-农示与粘性摩擦和库仑摩擦有葢的量(它还与关节转角位置肓关}:
G“憲示惯性员载;
Q-表示关节广义力向量山
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。
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:
2.4.2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。
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HarmonicDriveCSF-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
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
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,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,本设计将使用步进电机专用驱动芯片来驱动步进电机。
其中肩关节和肘关节俯仰有自锁需求,使用东芝THB71283A128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
最咼耐压
电流
使用温度
自锁性能
细分模式
THB7128
40VDC
±
3.3A
-40-85(C)
半流锁定
1-128(8种)
A4988
35VDC
2A
-20-85(C)
无
1-16(5种)
2.4.5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
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
对于机器臂控制,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,SERCO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DSPTMS320LF2407乍为控制单元。
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(EVAEVB。
通过JTAG接口可以方便的对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80mA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
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勺时钟源可以来自外部有源晶振也可以用晶体,禾用内部振
图2-5时钟电路
⑶JTAG接
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机械 控制系统 设计