機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、機(jī)械臂限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1引言近年來,隨著制造業(yè)在我國的高速開展,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)載較重的場合；中小型機(jī)械臂主要用于焊接、噴漆、檢測等負(fù)載較小的場合.隨著國外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷開展,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、限制可靠的特點(diǎn),甚至研發(fā)出更為輕巧的限制箱,可以在工作區(qū)域隨時(shí)移動,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)立的限制系統(tǒng).2機(jī)械臂硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1

2、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(jì)算數(shù)值解遠(yuǎn)比封閉解費(fèi)時(shí),數(shù)值解很難用于實(shí)時(shí)限制,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

3、.這樣設(shè)計(jì)出來的機(jī)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(shí)計(jì)算簡單.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,不能滿足本文對機(jī)械臂周邊3維空間任意抓取的要求；直角坐標(biāo)型機(jī)械臂投影面積較大,工作空間小；極坐標(biāo)方式需要線性移動,機(jī)械臂如需較大的工作空間,那么臂長較長；和其他類型相比關(guān)節(jié)型機(jī)械臂在其工作空間內(nèi)干預(yù)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

4、度確實(shí)定機(jī)械臂的臂桿設(shè)計(jì)如表2-1所示：表2-1機(jī)械臂臂桿長度臂體名稱大臂L1L2機(jī)械手長度mm5505001502.3 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)節(jié)結(jié)構(gòu)動力傳遞方案.電機(jī)+減速器臂體結(jié)構(gòu)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(jī)器人動力學(xué)相關(guān)知識可知完整的機(jī)器人動力學(xué)方程為：Q=Mq/+CgW,+

5、尸+Gq式中q2關(guān)節(jié)位置向量：q-關(guān)節(jié)速度向量：q,-關(guān)節(jié)加速度向量七M(jìn)-表示慣性張量工匚-表示與哥矢加速度和向心加速度有關(guān)的量上F-表示與粘性摩擦和庫侖摩擦有關(guān)的量它還與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)向位置仃美；G-表示慣性班我1Q-表示關(guān)節(jié)廣義力向量.一般使用靜力學(xué)方法和動力學(xué)方法計(jì)算機(jī)器人的動力參數(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(yùn)行速度較高機(jī)械,其動載荷也較大,即C項(xiàng)的影響較大,甚至超過靜載荷；且粘滯摩擦也較大,同時(shí)考慮靜載荷和動載荷,需使用動力學(xué)計(jì)算.本文的設(shè)計(jì)要求是一款可以安裝在全向移動平臺上的輕型機(jī)械臂,對關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)圖2-2機(jī)械臂受力簡圖

6、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央,將連桿的重量均分于各關(guān)節(jié),機(jī)械臂受力簡圖如圖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)動系統(tǒng)電機(jī)的選型機(jī)械臂的驅(qū)動系統(tǒng),有三種根本類型,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(jī)驅(qū)動目前機(jī)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(jī)產(chǎn)生的力和力矩,直接或通過機(jī)械傳動裝置來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)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(jī)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)

7、點(diǎn)是功率密度大.液壓缸也可直接作為臂體的一局部,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(jī)組成,其特點(diǎn)是氣源方便、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)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(jìn)行速度限制,多用于中、小負(fù)荷且精度要求不高的機(jī)器人限制系統(tǒng)中.綜上,本設(shè)計(jì)決定使用電動驅(qū)動方式為機(jī)械臂提供動力,步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動電機(jī).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(jìn)電機(jī)為驅(qū)動電機(jī)為機(jī)械臂提供動力,結(jié)

8、合各關(guān)節(jié)受力和機(jī)械臂關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)組合方式,應(yīng)在驅(qū)動電機(jī)和機(jī)械臂關(guān)節(jié)間安裝減速器做扭矩適配,降低輸出軸的速度,增大輸出扭矩.一般行星齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、諧波減速器、齒輪減速器等可以和步進(jìn)電機(jī)適配.1、行星齒輪減速器行星齒輪減速器通常由一個(gè)或者多個(gè)外部齒輪圍繞著一個(gè)中央齒輪旋轉(zhuǎn),就像行星繞著太陽公轉(zhuǎn)一樣.在工作狀態(tài)中多個(gè)行星齒輪協(xié)同工作,因而承載水平大,屬純扭矩傳動,工作平穩(wěn).單級行星齒輪減速器的減速比一般較小,需要增加減速比時(shí)只需增加行星輪系的級數(shù)即可,而整體體積變化較小.2、蝸輪蝸桿減速器蝸輪蝸桿減速器的傳動比大,一般為10-80,也可以到達(dá)80以上.止匕外,蝸輪蝸桿減速器機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊

9、、熱交換性能好、工作平穩(wěn)、噪聲小、具備機(jī)械自鎖水平,平安性高.3、諧波減速器波發(fā)生器,柔輪,剛輪是諧波減速器的三大局部,諧波齒輪減速器傳動結(jié)構(gòu)簡單,減速比高,同時(shí)嚙合的齒數(shù)多,運(yùn)行平穩(wěn)、傳動承載力大,齒側(cè)間隙小,傳動精度高,傳動誤差只有普通圓柱齒輪傳動的1/4左右,傳動空程小,適用于反向轉(zhuǎn)動,在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用.但對柔輪材料有較高的強(qiáng)度要求,工藝復(fù)雜.4、齒輪減速器圓柱齒輪減速機(jī)構(gòu)為定傳動比齒輪機(jī)構(gòu),具傳動準(zhǔn)確,平穩(wěn)高效,傳動功率范圍和速度范圍大,廣泛用于各種儀器儀表中,但其制造和安裝精度要求高,高減速比時(shí)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,體積一般較大.綜上,初步去確定使用諧波齒輪減速器,減速比大,傳動精度

10、高,體積小巧,輸入軸與輸出軸軸線重合,可很方便地與步進(jìn)電機(jī)組合安裝成為機(jī)械臂關(guān)節(jié)的一局部,同時(shí)便于機(jī)械臂的模塊化設(shè)計(jì).本文將采用HarmonicDriveCSF-mini系列組合型諧波減速器,其中腰關(guān)節(jié)采用型號為CSF-14-100-2XH-F;肘關(guān)節(jié)俯仰和肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)采用CSF-11-100-2XHF,腕俯仰采用CSF-8-100-2XH-F.2.4.4 電機(jī)驅(qū)動器的選型雖然步進(jìn)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè),但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)那樣通過限制輸入的等效電壓就可以驅(qū)動和調(diào)速.它必須利用電子電路,將直流電變成分時(shí)多相時(shí)序限制電流,用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電,步進(jìn)電機(jī)才能正常工作.常見的有單片機(jī)

11、I/O直接限制,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片、運(yùn)動限制卡.1、單片機(jī)I/O直接限制方式使用單片機(jī)內(nèi)部白鎖存器、計(jì)數(shù)/定時(shí)器,和并行I/O接口,可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的限制,脈沖環(huán)形分配器的功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完成,通過軟件中斷方式實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速限制,改變通電順序那么可改變轉(zhuǎn)向.2、步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片一般集成度較高,外圍電路簡單,一般有ENABLE、STEP和DIR三個(gè)輸入端,ENABLE為使能端,使能有效時(shí)方可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；STEP為脈沖輸入,輸入一個(gè)脈沖,即可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生微動；DIR為方向,改變DIR邏輯電平即可換向.3、運(yùn)動限制卡驅(qū)動限制通過計(jì)算機(jī)可直接限制步進(jìn)電機(jī),運(yùn)動限制

12、卡是專用于步進(jìn)電機(jī)限制的PC插卡,是應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)的限制而出現(xiàn)的,一股可同時(shí)限制十幾臺甚至幾十臺步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動,一股價(jià)格很高.綜上,本設(shè)計(jì)將使用步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī).其中肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)俯仰有自鎖需求,使用東芝THB71283A128高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片驅(qū)動,其他軸選用A4988微步驅(qū)動器.表2-3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片相關(guān)參數(shù)型號最局耐壓電流使用溫度自鎖性能細(xì)分模式THB712840VDC冷.3A-40-85(C)半流鎖定1-128(8種)A498835VDC+2A-20-85(C)無1-16(5種)2.4.5 傳感器的選型本文將使用步進(jìn)電機(jī)和諧波齒輪減速器為機(jī)械臂提供動力,步進(jìn)電

13、機(jī)只需要通限制驅(qū)動脈沖的數(shù)量,即可簡單實(shí)現(xiàn)較高精度的定位,并使工作物在精確地停在目標(biāo)位置.步進(jìn)電機(jī)以細(xì)分后的步距角為根本單位進(jìn)行定位.以兩相電機(jī)為例,其步距角為1.8°,使用1/16細(xì)分方式進(jìn)行驅(qū)動,那么每給驅(qū)動器一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度為角度=1.8*1/16=0.1125:轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周需要脈沖數(shù)為36070.1125=3200,需要旋轉(zhuǎn)到其他任意角度的計(jì)算方式與上式相同.本文使用限位開關(guān)的型號為Omron微動開關(guān)SS-5擺桿型限位開關(guān).表2-4微動限位開關(guān)參數(shù)型號按鍵力度接觸規(guī)格觸發(fā)精度耐熱溫度SS-51.47N1C雙投型i0.5mm8502.4.6 下位機(jī)的選型對于機(jī)器臂

14、限制,需要對多臺電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動限制.為了實(shí)現(xiàn)多臺電機(jī)之間的通信和限制,必須建立一套數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來完成主計(jì)算機(jī)與各運(yùn)動限制單元間的數(shù)據(jù)交換.基于現(xiàn)場總線的分布式限制技術(shù)能夠解決這些問題.但常見的分布式限制系統(tǒng)又有USB總線,SERCOS總線,RS-485總線和CAN總線等這幾種.本設(shè)計(jì)將采用RS-485總線來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的分布式限制.本設(shè)計(jì)選用了TI公司的2000系列DSPTMS320LF2407作為限制單元.其時(shí)鐘頻率可達(dá)40MHz,具有高速的處理水平,片內(nèi)資源豐富,特別是它特有兩個(gè)內(nèi)置事件治理器模塊EVA、EVB.通過JTAG接口可以方便的對DSP進(jìn)行全速的在系統(tǒng)調(diào)試仿真.TMS320LF240

15、7的電源電壓為3.3V,正常下作電流為80mA左右,抗干擾水平較強(qiáng).2.4.6.1關(guān)節(jié)限制器硬件電路關(guān)節(jié)限制器是以DSP芯片為核心,芯片本身及其外圍電路的性能直接決定了系統(tǒng)的性能.故芯片的選擇及其外圍電路的設(shè)計(jì),也就顯得十分的重要.下面將通過單個(gè)模塊電路的方式分別介紹限制器硬件電路.1電源電路通過開關(guān)電源,接入B0505LS模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的的5V電壓作為TPS7333芯片的供電電壓,管腳8做為2407的上電復(fù)位信號.管角5,6通過濾波電容輸出作為2407的供電電壓3.3V.如圖2-5.圖2-4電源電路時(shí)鐘電路TMS320LF2407的時(shí)鐘源可以來自外部有源晶振也可以用晶體,利用內(nèi)部振蕩器.一般經(jīng)

16、常使用外部時(shí)鐘輸入,由于使用外部時(shí)鐘時(shí),時(shí)鐘的精度高、信圖2-5時(shí)鐘電路JTAG接口電路仿真接口電路如圖2-7所示.目標(biāo)層次的TI調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)使用5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE1149.1JTAG信號TRST、TCK、TMS、TDI、TDO和兩個(gè)TI擴(kuò)展口EMU0、EMU10JTAG目標(biāo)器件通過專用的仿真端口支持仿真,此端口由仿真器直接訪問并提供仿真功能.JTAG接口電路為仿真器與微機(jī)的接口電路,便于系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試.qtm沈TMSTEOTDITCKemlii/<TFFEMUOfr?r35-HTJiJi1S-Unsjg.p,7,J14照其JU1.1J2J1513出»卜1JTAG圖2-6JTAG

17、電路(4)外接SRAM電路TMS320LF2407最多可尋址64K的外部程序空間和64K的外部數(shù)據(jù)空間.由于限制算法的需要,本系統(tǒng)需擴(kuò)充外部RAM.TMS320LF2407片內(nèi)的Flash可用作程序存儲器,但在開發(fā)階段使用Flash作為程序存儲器極為不便,由于每一次程序的修改都需要對Flash進(jìn)行去除、擦除和編程操作,而且進(jìn)行CCS調(diào)試時(shí)只能設(shè)置硬件斷點(diǎn),故從調(diào)試的角度考慮,應(yīng)擴(kuò)充程序RAMo這里用的精A國Qns§8口昌§§snacial匚230)立.i-lW51s£FIES3,3辟A»E國ans30Bn5口mn8a產(chǎn)一土一USMl01陶一小M

18、lVWI&E二31呂n8*111二£»,"mr-2clrtLiliufu出LL|±i.CTXiflm>uFl產(chǎn)二,NWI'll!.(gCY目是CY7c1021V33芯片,它是64K*16bit的SRAM,存取時(shí)間為15ns,故不需要插入等待周期,可保證系統(tǒng)全速運(yùn)行.圖2-8為外接SRAM擴(kuò)展電路圖.圖2-7SRAM擴(kuò)展電路圖(5)編碼器處理電路增量式編碼器信號處理電路如圖2-9所示.NCJ«C1NDNGAme口工(mcuric0eiHjUilejicM0dc.卜8A.ENABLEs一K仁r1-_MCtFaND洞科犯ZNC!

19、Ji-'IlliNCVCVAENABLII喇|-111_B圖2-8增量式編碼器信號處理電路(6)霍爾接近開關(guān)電路本設(shè)計(jì)選用A31443E常開型霍爾接近開關(guān).其接法如圖2-10,提供電壓為5V,由于輸出采用了集電極開路門,必須通過10K的上拉電阻接到5V電源上.當(dāng)磁源的某一極與霍爾傳感器的距離到達(dá)一定范圍以內(nèi)時(shí),輸出低電平,否那么輸出高電平,不需要外接放大電路.一套關(guān)節(jié)限制器將采用3支霍爾接近開關(guān).HALL1、HALL2分別固定在關(guān)節(jié)限制器運(yùn)動的極限位置,其信號通過IOPE5、IOPE6不斷查詢.HALL3用于絕對零位檢測,采用中斷的方式.圖2-9霍爾接近開關(guān)的接法門0雖FIN2.5機(jī)械

20、臂的模塊化設(shè)計(jì)機(jī)械臂的大小臂體和關(guān)節(jié)在整個(gè)機(jī)械臂中具有高度的相似性,同時(shí)機(jī)械臂是機(jī)電一體化的典型,其主體結(jié)構(gòu)和聯(lián)接結(jié)構(gòu)都有一定的復(fù)雜性,而采用模塊化設(shè)計(jì)思想,可以一定程度上簡化設(shè)計(jì)流程,只需對不同的應(yīng)用對象進(jìn)行少量修改便可完成組適宜配.2.5.1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)機(jī)械臂的根本單元有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和俯仰關(guān)節(jié),具結(jié)構(gòu)具有相似性,本文重點(diǎn)介紹旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì).旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包含有電機(jī)、減速器、編碼器、制動器以及其他附件,本文使用步進(jìn)電機(jī)直連諧波減速器的驅(qū)動方式,使用限位微動開關(guān)確定機(jī)械臂初始定位零點(diǎn),以計(jì)步進(jìn)電機(jī)已發(fā)脈沖數(shù)為關(guān)節(jié)相對旋轉(zhuǎn)角度參考,是一個(gè)開環(huán)的運(yùn)動限制系統(tǒng),動力傳遞鏈路為：電機(jī)-波發(fā)生器-柔輪-剛輪一

21、輸出軸.機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊在運(yùn)行過程中會受到來自機(jī)械臂末端的彎矩,因此需要對輸出軸做軸向和徑向卸荷,減少輸出軸的負(fù)載,保證系統(tǒng)的剛度,延長使用壽命.一般來說,一根軸需要兩個(gè)支點(diǎn),每個(gè)支點(diǎn)由一個(gè)或一個(gè)以上的軸承組成,每組軸承間有以下三種常用的配置方法.1、雙支點(diǎn)各單向固定這種軸承配置常用兩個(gè)反向安裝的圓錐滾子軸承或角接觸球軸承,兩個(gè)軸承各限制軸向一個(gè)方向的軸向移動.這種配置方式軸向移動限制比擬精確、也便于調(diào)整軸承的預(yù)緊程度.另外深溝球軸承也可用于雙支點(diǎn)各單向固定,通過調(diào)整外殼與軸承端蓋端面的厚度來補(bǔ)償軸的受熱伸長,因而這種配置方式不適合需要對軸做精確軸向定位的場合.2、一支點(diǎn)雙向固定,另一端支

22、點(diǎn)游動對于熱伸長量較大的軸,這種軸一般跨距較大且工作溫度較高,應(yīng)該采用一支點(diǎn)雙向固定,另一支點(diǎn)游動的支撐結(jié)構(gòu).其雙向固定端需要使用能承受雙向軸向載荷的軸承,內(nèi)外圈都需要固定.3、兩端游動支撐對于人字齒輪軸,由于本身具有相互間的軸向限位作用,其中只需保證一根軸與機(jī)座有相對固定的軸向位置,另一根軸上的兩個(gè)軸承必須游動,預(yù)防人字齒輪卡死或兩側(cè)受力不均勻.本文將采用一支點(diǎn)雙向固定,另一端支點(diǎn)游動的方式組合成卸荷軸承組,其中雙向固定端使用深溝球軸承,游動端使用滾針軸承.其中腰關(guān)節(jié)使用型號為HRB61809-2Z、SKFHK5020,肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)使用型號為HRB61806-2Z、SKFHK3512.2.5.

23、2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)各運(yùn)動軸基于模塊化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)已考慮各運(yùn)動軸的聯(lián)接,使用簡單的金屬板件便能將各運(yùn)動軸連接可靠,并具有一定的剛度.本文各運(yùn)動軸均為法蘭端面輸出,與金屬板材間通過螺釘聯(lián)接固定,依靠金屬板與法蘭端面的摩擦力傳遞扭矩到金屬板材.圖2-11為肩關(guān)節(jié)聯(lián)接金屬板材機(jī)械加工工程圖："©k®0-3-_匕1+|7(10圖2-10肩關(guān)節(jié)聯(lián)接金屬板2.5.3抓手的設(shè)計(jì)一款通用型的機(jī)械臂應(yīng)該具有抓取多種物體的水平,也為某一目標(biāo)物體專門設(shè)計(jì)一款抓手,因而在設(shè)計(jì)機(jī)械臂臂體與機(jī)械抓手時(shí),需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的聯(lián)接結(jié)構(gòu),以便機(jī)械抓手能夠快速更換.機(jī)械抓手在抓取物體時(shí)需要保持一定的火持

24、力,本文將使用舵機(jī)為機(jī)械手爪提供動力,舵機(jī)在旋轉(zhuǎn)到位后能持續(xù)提供一定的扭矩以保持夾持狀態(tài).使用舵機(jī)型號為TowerProMG945全金屬齒舵機(jī),表2-5舵機(jī)型號及相關(guān)參數(shù)型號舵機(jī)類型機(jī)械尺寸(mm)扭力工作電壓工作死區(qū)MG945模擬舵機(jī)40.7*19.7*42.912kg/cm(6V)4.8-6V5us圖2-12為和機(jī)械抓手配合的臂體聯(lián)接結(jié)構(gòu).同理只要末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)為可與該聯(lián)接結(jié)構(gòu)配合,即可實(shí)現(xiàn)更換,以完成對不同物體的抓取任務(wù).圖2-11機(jī)械臂執(zhí)行器聯(lián)接結(jié)構(gòu)3機(jī)械臂軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個(gè)機(jī)械臂限制系統(tǒng)軟件包括主計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件和各關(guān)節(jié)限制器軟件.主計(jì)算機(jī)接收目標(biāo)位姿數(shù)據(jù),完成路徑規(guī)劃算法.另外,主計(jì)算

25、機(jī)要實(shí)時(shí)讀取關(guān)節(jié)控制器的反應(yīng)數(shù)據(jù),記錄機(jī)械臂的當(dāng)前位姿,并顯示在屏幕上.不僅直線運(yùn)動、點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動、復(fù)位動作的完成需要主計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件協(xié)調(diào),而且像各關(guān)節(jié)絕對位置確實(shí)定過程、各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍是否越界也必須由主計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)參與,及時(shí)做出決策.主計(jì)算機(jī)還要提供應(yīng)用戶友好的人機(jī)交互界面,方便于用戶輸入各種命令,存儲設(shè)置好的參數(shù),允許數(shù)據(jù)以表格或者曲線等形式導(dǎo)出.3.1 關(guān)節(jié)限制器軟件設(shè)計(jì)3.1.1 PID限制算法關(guān)節(jié)限制器TMS320LF2407來實(shí)現(xiàn),完成電機(jī)的位置環(huán)限制和速度環(huán)限制,如圖3-1所示.位置環(huán)的限制周期設(shè)為2ms,速度環(huán)的限制周期也設(shè)為2ms.由于采用了速度環(huán),系統(tǒng)的動態(tài)性性能可以得到顯著提

26、升.兩個(gè)閉環(huán)都采用積分分離PD限制,根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況,可以對限制律進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕?零位霍爾接近開關(guān)在系統(tǒng)上電時(shí)用于較粗略確實(shí)定電機(jī)的絕對位置,再結(jié)合增量編碼器的Z通道的信號,就可以較精確確實(shí)定出電機(jī)的絕對位置.主計(jì)算機(jī)路徑規(guī)劃求得的目標(biāo)位置,應(yīng)該換算成增量碼盤的脈沖數(shù)后,再發(fā)給關(guān)節(jié)限制器.關(guān)節(jié)限制器利用它和從增量編碼器實(shí)際測得的脈沖數(shù)進(jìn)行比擬,利用積分分離PID算法求解位置環(huán)的限制量.3.1.2 關(guān)節(jié)限制器程序流程主程序的流程圖如3-2所示：指令中的坳址是否與自身和樣?足校會整個(gè)指令是否正帝r圖3-1主程序流程圖存放器初始化操作主要包括：設(shè)置CPUCLK為外部晶振的2倍頻,即16MHZ;設(shè)置審?fù)ㄓ嵅ㄌ芈蕿椋?8.4kbPs；設(shè)置定時(shí)器/計(jì)數(shù)器相關(guān)存放器；設(shè)置QEP電路單元相關(guān)存放器；設(shè)置中斷限制存放器等等.串口數(shù)據(jù)接收中斷效勞程序流程圖如3-3所示.在中斷效勞程序中,讀取數(shù)據(jù)接收存放器中的數(shù)據(jù),存入數(shù)據(jù)接收區(qū),而并