基于模塊化機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)及其輸出特性研究

1、基于模塊化機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)及其輸出特性研究摘要分析了機(jī)械臂關(guān)節(jié)細(xì)化模型,提出了一種包括有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差的機(jī)械臂關(guān)節(jié)的遲滯模型。分析了關(guān)節(jié)的輸出特性,研究了存在運(yùn)動(dòng)誤差和遲滯的緣故。依照對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)輸出特性的研究,完成了對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差和關(guān)節(jié)遲滯的建模。在仿真軟件中搭建仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?對(duì)成立的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果說明:該模型表現(xiàn)出實(shí)際關(guān)節(jié)的特性,為基于模型的操縱提供了理論依據(jù)。為驗(yàn)證論文所研究的機(jī)械臂關(guān)節(jié)輸出特性理論的正確性,為驗(yàn)證本論文提出的包括關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差的遲滯模型的正確性,成立關(guān)節(jié)特性驗(yàn)證明驗(yàn)平臺(tái)。設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)特性實(shí)驗(yàn)接口件,搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。設(shè)計(jì)驗(yàn)證明驗(yàn),并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成了機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差、關(guān)

2、節(jié)遲滯的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差和關(guān)節(jié)遲滯的理論的正確性,所建模型的正確性。關(guān)鍵詞:模塊化,空間機(jī)械臂,關(guān)節(jié)建模,運(yùn)動(dòng)誤差,遲滯DESIGNANDEXPERIMENTRESEARCHOFAFLEXIBLEINCHWORMPIPEROBOTABSTRACTBasedonthesubjectofmissionrequirements,Ihavedetailedanalyzedthemanipulatorofthemodelandtheoutputcharacteristicsofthejoint,proposedanewmodelcontainstherelevantsectionofthe

3、hysteresiserrorofmanipulatorjointmovement,researchedthecausesoftheexistenceofmotionerrorsandhysteresis.Accordingtothestudyofcharacteristicsofmanipulatoroutput,Ihavecompletedthemodelingofjointmovementandjointhysteresiserror.Insimulatesoftware,Ihavebuiltasimulationmodelandconductedresearchonmodelsimul

4、ations.Theresultsshowedthat:themodelreflectstheactualcharacteristicsofthejoint,whichprovidedatheoreticalbasisforthemodel-basedcontrol.Toverifythecorrectnessofthethesisresearchoutputcharacteristicsmanipulatortheoryandthecorrectnessofthemodelincludejointmotionhysteresiserrorwhichwasproposedinthispaper

5、,Ihavebuilttheexperimentplatformofthecharacteristicsofthejointverification,designedthejointinterfacepartsandtheexperimentalplatform.Atlast,Idesignedtheverificationtestandcompletedthemanipulatorerrorandhysteresisjointexperimentsonexperimentalplatform.AndIhaveverifiedthecorrectnessoftheoryofthejointhy

6、steresiserror,aswellasthemodelbuilt.KeyWords:modular,spacerobotics,jointmodeling,dynamicerror,hysterics第1章緒論1.1引言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展,模塊化機(jī)械臂技術(shù)取得不斷的提高,模塊化機(jī)械臂的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)展,人們希望模塊化機(jī)械臂能夠加倍靈活地適應(yīng)不同的工作環(huán)境,完成愈來愈復(fù)雜的工作、任務(wù)1。模塊化機(jī)械臂是指的由一套具有不同大小、不同尺寸和不同性能的模塊化關(guān)節(jié)組成,能夠快速裝配出適應(yīng)不同工作任務(wù)的機(jī)械臂2。模塊化機(jī)械臂關(guān)節(jié)至今為止仍然沒有一個(gè)完整的、統(tǒng)一的概念,可是現(xiàn)在所有的概念都包括

7、有以下幾點(diǎn):(1)是可控的、含多傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化模塊;(2)在各模塊間具有統(tǒng)一的機(jī)械和電氣接口;(3)模塊可用于傳遞運(yùn)動(dòng)、能量、力矩,能夠進(jìn)行通信;(4)通過對(duì)模塊進(jìn)行不同連接斷開操作來改變機(jī)械臂的整體構(gòu)型;(5)通過改變構(gòu)型,可使機(jī)械臂適用于不同的任務(wù)3。模塊化機(jī)械臂能夠依照不同的工作任務(wù),運(yùn)用不同的模塊以快捷的方式搭建而成。可依照不同的任務(wù)需求搭建成不同的機(jī)械臂系統(tǒng),來適應(yīng)不同的工作環(huán)境和應(yīng)用處合,提高機(jī)械臂系統(tǒng)的完成任務(wù)的工作能力和系統(tǒng)的工作效率4。由于具有超強(qiáng)的適應(yīng)能力和方便快捷的重構(gòu)特性,模塊化機(jī)械臂在實(shí)驗(yàn)研究、軍事等各類極限環(huán)境中都發(fā)揮著極為重要的作用。尤其是在航天領(lǐng)域內(nèi),由于太空環(huán)

8、境的復(fù)雜化、空間任務(wù)的多樣化,機(jī)械臂的需要完成的動(dòng)作愈來愈多、愈來愈復(fù)雜,因此對(duì)模塊化機(jī)械臂關(guān)節(jié)的性能的要求也愈來愈高。模塊化機(jī)械臂關(guān)節(jié)是模塊化機(jī)械臂基礎(chǔ)的組成部件,是模塊化機(jī)械臂最重要的部份,機(jī)械臂關(guān)節(jié)的重量、尺寸和性能對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)的性能有著最直接的阻礙。隨著操縱系統(tǒng)和機(jī)械加工等技術(shù)的不斷的進(jìn)步,模塊化關(guān)節(jié)也在不斷的進(jìn)展中,模塊化關(guān)節(jié)呈現(xiàn)出了精度愈來愈高、反映愈來愈靈敏、小型化、智能化、力矩輸出增大化等進(jìn)展趨勢(shì),以適應(yīng)不斷進(jìn)展轉(zhuǎn)變的機(jī)械臂的應(yīng)用需求5。機(jī)械臂的模塊化是以后機(jī)械臂進(jìn)展的一個(gè)重要的研究方向,在以后的生活、科研等領(lǐng)域中,機(jī)械臂將會(huì)在方方面面為人類效勞,而機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、靠得住性強(qiáng)、適應(yīng)性

9、高、方便組裝及保護(hù)本錢低廉的模塊化機(jī)械臂無疑會(huì)具有加倍實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)研制出一種應(yīng)用在地面模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的四自由度模塊化機(jī)械臂。該機(jī)械臂由高集成度、高精度的模塊化關(guān)節(jié)組成。對(duì)該模塊化關(guān)節(jié)的整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與系統(tǒng)的集成進(jìn)行深切研究和探討，并對(duì)關(guān)節(jié)的整體輸特性進(jìn)行分析與研究，為模塊化關(guān)節(jié)的操縱及途徑計(jì)劃等提供必然的參考。機(jī)械臂關(guān)節(jié)研究現(xiàn)狀國(guó)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)模塊機(jī)械人的研究起步較早，研究也比較的深切，取得了專門大的研究功效。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CarnegieMellonUniversity)機(jī)械人研究所于1988年研制了RMMSL械人，國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)研制出了多種高性能的、用途多樣的、形式不一的

10、模塊化機(jī)械人。國(guó)外第一臺(tái)可重構(gòu)機(jī)械人為模塊化機(jī)械手系統(tǒng)(RMMS，7。RMMS1的各組成部份由系通通一操縱，操縱方式是散布操縱各組成部份硬件。系統(tǒng)中的模塊內(nèi)部包括：動(dòng)力源、傳動(dòng)裝置、感知裝置和統(tǒng)一的接口等。研制RMM的目的是想研制出擁有多類型、多用途的可用的機(jī)械手模塊結(jié)構(gòu)。系總共6種不同類型的模塊：基座模塊、連接模塊、一種自旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊和三種旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊。其中連接模塊和基座模塊是固定模塊，而關(guān)節(jié)模塊那么屬于可動(dòng)模塊，每一個(gè)都僅有一個(gè)自由度。如圖1-1為RMMSI節(jié)模塊實(shí)物圖。圖-1RMMS關(guān)節(jié)模塊RMMS夠使模塊化機(jī)械人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可依照不同任務(wù)進(jìn)行從頭構(gòu)型，而且各個(gè)模塊能夠通過接口輕松的連接

11、到其他的模塊上。在機(jī)械連接成立的一剎時(shí)，電信號(hào)也會(huì)隨之機(jī)械連接的成立而成立。鏈?zhǔn)侥K化機(jī)械人通過量個(gè)模塊之間的連接組合成鏈?zhǔn)交驑錉罱Y(jié)構(gòu)，可用作機(jī)械臂進(jìn)行操作也可用作生物模擬操作。學(xué)者們對(duì)這種模塊化機(jī)械人研究比較多，其中具有代表性的有PolyBot8、CKbof9。PolyBot型機(jī)械人是由美國(guó)的PaloAlto研究所(PARC歿計(jì)完成的。PolyBot包括有兩種大體模塊，別離為：主動(dòng)模塊和節(jié)點(diǎn)模塊。其中主動(dòng)模塊具有兩個(gè)模塊接口o節(jié)點(diǎn)模塊那么是剛性的立方體，它的六個(gè)面都具有可連接功能的接口，可是該模塊本身卻不具有運(yùn)動(dòng)能力10o模塊采納錐形孔式連接機(jī)構(gòu)，利用線圈驅(qū)動(dòng)連接機(jī)構(gòu)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)卡板旋轉(zhuǎn)錐銷上

12、的環(huán)形槽來實(shí)現(xiàn)模塊之間的鎖緊和斷開操作11,通過對(duì)這兩種模塊的連接組合，能夠組織成不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械人。PolyBot還能夠搭建不同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同的機(jī)械人技術(shù)進(jìn)行研究。Yim12等人在PolyBot平臺(tái)的基礎(chǔ)上開展了多種機(jī)械人技術(shù)的研究，而且取得了顯著的研究功效。CKbot是Pennsylvania大學(xué)研制的模塊化機(jī)械人，該型機(jī)械人中白各模塊通過CANK、線進(jìn)行通信，采納散布式的操縱方式，而且配有紅外線收發(fā)裝置。CKbot具有較強(qiáng)的自組裝、容錯(cuò)、構(gòu)型識(shí)別等能力。這兩種機(jī)械人模塊如圖所示：圖PloyBct模塊圖1-3CKbot機(jī)器人日本的AIST研究所設(shè)計(jì)了M-TRAN3(ModularTr

13、ansformer)機(jī)械人屬于混合自重構(gòu)模塊化機(jī)械人。M-TRAN1塊化機(jī)械人如圖1-4所示：國(guó)IMM-TRAN?？旎瘷C(jī)器人系統(tǒng)的模塊由兩個(gè)半圓柱型的機(jī)構(gòu)連接而成，利用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過形狀經(jīng)歷金屬和永磁鐵來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的連接和斷開，在模塊內(nèi)部通過行一個(gè)的觸電進(jìn)行通信。模塊不具有三維空間的對(duì)稱性,通過模塊之間不同的組合方式進(jìn)行自重構(gòu)。模塊兩頭的連接面不相同,因此作用也就不同,致使模塊通用性變差。M-TRANK塊化機(jī)械人如圖1-4所示。Toronto大學(xué)的學(xué)者們研制出了MRS模塊化機(jī)械人14。整個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)模塊包括有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊、移動(dòng)關(guān)節(jié)模塊和腕部關(guān)節(jié)模塊等三種模塊。學(xué)者們對(duì)

14、該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行了深切的研究。學(xué)者們還研制了另外一種模塊化機(jī)械人系統(tǒng),IRIS機(jī)械人系統(tǒng)。該系統(tǒng)是可進(jìn)行重構(gòu)的模塊化的機(jī)械人系統(tǒng)。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)包括有2個(gè)4自由度機(jī)械人,每一個(gè)機(jī)械人均為可通過重構(gòu)組成新的機(jī)械人系統(tǒng)。這些機(jī)械人由轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成,每一個(gè)關(guān)節(jié)由單獨(dú)的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),而且配備有力矩、位置等傳感器。Stuttgart15大學(xué)研制出的模塊化機(jī)械臂由連桿模塊和多自由關(guān)節(jié)模塊組成,每一個(gè)多自由度的關(guān)節(jié)模塊都由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),由差動(dòng)齒輪進(jìn)行減速和傳動(dòng)的。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),使得模塊之間的連接超級(jí)簡(jiǎn)單易行16。在數(shù)據(jù)庫(kù)文件中存有該型模塊化機(jī)械臂的構(gòu)型設(shè)計(jì)程序,通過選擇不同的連桿模塊和關(guān)節(jié)模塊,

15、能夠組裝成特定任務(wù)需要的不同的操作臂。Texas大學(xué)研制出了加倍細(xì)化的模塊化機(jī)械人。該機(jī)械人系統(tǒng)依照模塊的不同作用將模塊分成了3種不同的關(guān)節(jié)模塊,別離為:肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)模塊、肘關(guān)節(jié)模塊和指關(guān)節(jié)模塊。3種模塊由于具有不同的作用,因此具有不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)模塊是為了給機(jī)械臂提供全方位動(dòng)作的能力,因此具有3個(gè)自由度。時(shí)關(guān)節(jié)只需要給機(jī)械臂提供一個(gè)能夠使機(jī)械臂收縮和展開功能，因此肘關(guān)節(jié)具有1個(gè)自由度。指關(guān)節(jié)作為機(jī)械臂的結(jié)尾執(zhí)行器需要靈活的完成各類動(dòng)作,因此,指關(guān)節(jié)具有兩個(gè)自由度。該機(jī)械人采納的基于關(guān)節(jié)功能的和元件的設(shè)計(jì)方式,使得機(jī)械人的不同關(guān)節(jié)的模塊在具有不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。學(xué)者們依照不同的形狀

16、和尺寸,對(duì)機(jī)械臂的各個(gè)連桿模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。模塊化機(jī)械臂在航天領(lǐng)域運(yùn)歷時(shí)超級(jí)普遍的,多國(guó)在軌機(jī)械臂都是這一類型。最典型的是國(guó)際空間站中美國(guó)船段的美國(guó)航天局和加拿大航天局聯(lián)合研制機(jī)械臂系統(tǒng)MSS該系統(tǒng)由一個(gè)靈巧的操作臂SPDMf口一個(gè)空間站遙操作系統(tǒng)SSRMS組成。每一個(gè)關(guān)節(jié)都有很強(qiáng)的互換性,可完成在軌改換。關(guān)節(jié)內(nèi)部有兩套操縱系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),可相互備份,每一個(gè)關(guān)節(jié)都具有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械和電氣接口。如圖1-5所示:ffl1-5加拿大53RMS一體化雙關(guān)節(jié)彳惠國(guó)宇航中心(GermanAerospaceCenter,DLR)開展了輕型機(jī)械臂在軌驗(yàn)證項(xiàng)目ROKVISS勺研制17,于2005年1月安裝在俄羅斯效勞

17、艙段的船夕卜，ROKVISS系統(tǒng)的核心組件是二自由度的輕型機(jī)械臂操作系統(tǒng)。如圖1-6為德國(guó)宇航中心DLR的ROKVISS圖1-6桂國(guó)宇航中2DLR的ROKVISS輸出特性研究現(xiàn)狀初期為了研究空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性，學(xué)者們往往會(huì)采納簡(jiǎn)化模型來描述機(jī)械臂關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)特性19?？墒请S著機(jī)械臂愈來愈普遍的應(yīng)用，對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的操縱精度的要求也就愈來愈高。傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化關(guān)節(jié)模型由于都是在假設(shè)關(guān)節(jié)變形小的情形下提出的20、而且只適用與剛性較高、傳動(dòng)較為簡(jiǎn)單的機(jī)械臂關(guān)節(jié)，已經(jīng)不能適用于此刻的需求。因此,學(xué)者們對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的模型進(jìn)行細(xì)化建模，來知足操縱對(duì)模型的需求。細(xì)化模型是指在對(duì)空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)建模的進(jìn)程中將機(jī)械臂

18、關(guān)節(jié)內(nèi)部的摩擦、柔性、非線性等因素都考慮在內(nèi)的建模方式。關(guān)節(jié)的遲滯模型是關(guān)節(jié)細(xì)化模型的重要組成部份,對(duì)正確的表示出關(guān)節(jié)的特性有著重要的意義。準(zhǔn)確的關(guān)節(jié)遲滯模型對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的操縱補(bǔ)償精度有著重要的意義。關(guān)節(jié)的遲滯是指的輸出力矩滯后于輸入軸與輸出軸夾角的輸入輸出的關(guān)系21。Huang等22以分段線性化的形式近似的表達(dá)出了諧波的非線性滯回剛度,證明非線性滯回剛度對(duì)關(guān)節(jié)有重要的阻礙。Dhacmad23等成立了遲滯的微分方程形式的模型,該模型考慮了關(guān)節(jié)遲滯的經(jīng)歷特性,可是由于沒有考慮關(guān)節(jié)遲滯的非局部經(jīng)歷特性,而使得該模型表達(dá)不夠準(zhǔn)確。Magnani24等利用關(guān)節(jié)的實(shí)驗(yàn)共振頻率反推出剛度值,實(shí)驗(yàn)復(fù)雜,由于

19、受到精度的阻礙,因此準(zhǔn)確性難以保證。Ruderman25等通過去工業(yè)機(jī)械臂的研究建模,應(yīng)用了Preisach模型對(duì)關(guān)節(jié)遲滯進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的建模,可是由于Preisach模型計(jì)算進(jìn)程復(fù)雜,該模型很難應(yīng)用到實(shí)際操縱補(bǔ)償中。HDSystems,Inc26公司的產(chǎn)品說明書中建議用分段線性化來描述諧波傳動(dòng)的關(guān)節(jié)遲滯中的非線性剛度,該方式用在關(guān)節(jié)中由于其他因素的干擾而不能預(yù)備表示出關(guān)節(jié)的真實(shí)特性。因此,為了適應(yīng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)操縱的愈來愈高的需求,對(duì)裝有諧波減速器的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行研究,并成立適合的關(guān)節(jié)遲滯模型。模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)是指在對(duì)必然范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)

20、品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊,通過模塊的選擇和組合能夠組成不同的產(chǎn)品,以知足市場(chǎng)不同需求的設(shè)計(jì)方式27,28。模塊化設(shè)計(jì)中的模塊有以下特點(diǎn):(1)每一個(gè)模塊具有相對(duì)的獨(dú)立性,在設(shè)計(jì)、加工、組裝、調(diào)試時(shí)期能夠獨(dú)立完成;(2)每一個(gè)模塊具有較強(qiáng)的互換性,模塊的接口部件具有標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn),在實(shí)際運(yùn)用中能夠?qū)崿F(xiàn)互換29,30。最近幾年來,模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中取得了愈來愈普遍的應(yīng)用。在機(jī)械設(shè)計(jì)中通過準(zhǔn)確的模塊化劃分,能夠?qū)⒄w的機(jī)械設(shè)計(jì)分割成假設(shè)干個(gè)機(jī)械模塊,進(jìn)而簡(jiǎn)化機(jī)械的設(shè)計(jì)進(jìn)程。在進(jìn)行模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)要注意各個(gè)模塊之間的裝配問題。因此為了保證運(yùn)用不同的模塊機(jī)會(huì)械能夠正常工作,需

21、要保證模塊的可改換性。那么在進(jìn)行模塊機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)需要為每一個(gè)模塊的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)。運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)方式,在設(shè)計(jì)中通過劃分組合的方式來完成整個(gè)機(jī)械的設(shè)計(jì)、加工、組裝、調(diào)試等工作,不僅有利于提高設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)效果,而且能降低機(jī)械設(shè)計(jì)的本錢,從而提高整體設(shè)計(jì)的科學(xué)性,對(duì)增進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行具有超級(jí)重要的意義31。第二章模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)特點(diǎn)分析通過度析已有機(jī)械臂關(guān)節(jié)的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)需要具有以下要緊特點(diǎn):機(jī)械臂關(guān)節(jié)需要具有穩(wěn)固的動(dòng)力系統(tǒng)和靠得住、高效的傳動(dòng)系統(tǒng)。本文中采納分體式直流永磁無刷伺服電機(jī)作為關(guān)節(jié)的動(dòng)力源,利用短軸柔輪杯型諧波減速器作為關(guān)節(jié)的減速裝置。這兩部份組成機(jī)械臂關(guān)節(jié)的傳動(dòng)

22、裝置,該裝置具有單級(jí)輸出扭矩大、整體質(zhì)量輕、傳動(dòng)精度高等特點(diǎn)。機(jī)械臂關(guān)節(jié)需要具有高精度的操縱能力。本研究中的關(guān)節(jié)內(nèi)部裝有旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等測(cè)量裝置,利用這些裝置能夠精準(zhǔn)的測(cè)量出機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)姿態(tài)和機(jī)械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度、角速度等數(shù)值,通過這些數(shù)值的反饋改變機(jī)械臂的操縱策略,完成對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的精準(zhǔn)操縱。機(jī)械臂關(guān)節(jié)需要高度的集成化。本研究中的機(jī)械臂關(guān)節(jié)的外部直徑為100mm內(nèi)部集成了多種零部件，別離為：分體式直流無刷伺服電機(jī)、短軸柔輪杯型諧波減速器、增量式光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器、高精度的深溝球軸承等。機(jī)械臂關(guān)節(jié)要具有標(biāo)準(zhǔn)化的、統(tǒng)一的機(jī)械與電氣接口,具有良好的互換性。本研究中的關(guān)節(jié)

23、采用了模塊化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)思想，機(jī)械臂關(guān)節(jié)的外部接口采用了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì),具有一致的機(jī)械接口。同時(shí)外部也具有標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的電氣連接接口。使機(jī)械臂關(guān)節(jié)具有良好的互換性。5)機(jī)械臂關(guān)節(jié)采納相同的實(shí)時(shí)串行通信總線結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂關(guān)節(jié)采納CAN總線通信,便于機(jī)械臂關(guān)節(jié)的電氣連接與操縱。機(jī)械臂關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文中的機(jī)械臂系統(tǒng)由4個(gè)單自由度機(jī)械臂關(guān)節(jié)、1個(gè)手爪、2個(gè)碳纖維臂桿組成。機(jī)械臂要緊實(shí)現(xiàn)依照中央操縱器的指令,以所要求的精度操縱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的功能。機(jī)械臂關(guān)節(jié)操縱要緊有兩種工作操縱模式:1)角度操縱模式;2)角速度操縱模式。依照機(jī)械臂的整體構(gòu)型設(shè)計(jì),本文中的機(jī)械臂具有兩種不同的機(jī)械臂關(guān)節(jié),別離能夠使機(jī)械臂臂桿在平行于

24、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),和使得手爪能夠在垂直于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)由兩種不同的機(jī)械單關(guān)節(jié)組成,別離為:直角型單關(guān)節(jié)和直線型單關(guān)節(jié)。這兩種關(guān)節(jié)內(nèi)部選擇的各類元器件大體上相同,而且具有相同的外部機(jī)械與電氣接口,因此能夠通過簡(jiǎn)練的方式連接起來。機(jī)械臂單關(guān)節(jié)的組成及功能本文中的機(jī)械臂關(guān)節(jié)由于所在位置和功能的不同設(shè)計(jì)有兩種不同的外形,別離為直角型單關(guān)節(jié)和直線型單關(guān)節(jié)。本文中的四自由度機(jī)械臂關(guān)節(jié)分為肩部關(guān)節(jié)、肘部關(guān)節(jié)、腕部關(guān)節(jié)三個(gè)部份。依照模擬實(shí)驗(yàn)的要求,和地面氣浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的要求可知,肩部與肘部的機(jī)械臂單關(guān)節(jié)只需要提供一個(gè)自由度。這兩部份的關(guān)節(jié)只需要提供機(jī)械臂在平行于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的平面內(nèi)

25、的轉(zhuǎn)動(dòng)就能夠夠。機(jī)械臂的腕部關(guān)節(jié)的作用是:1)在平行于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng);2)操縱機(jī)械臂結(jié)尾手抓的姿態(tài)。因此,機(jī)械臂的腕部關(guān)節(jié)需要提供兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng),別離是在平行于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和在垂直于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了提高整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)中的各類關(guān)節(jié)的互換性,依照模塊化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)方式,這兩種機(jī)械臂關(guān)節(jié)內(nèi)部核心模塊具有以下幾個(gè)相同點(diǎn):能夠提供一樣的驅(qū)動(dòng)力矩和一樣的傳動(dòng)精度。兩種機(jī)械臂關(guān)節(jié)的內(nèi)部選用相同的分體式電機(jī)、短軸諧波減速器。能夠達(dá)到一樣的操縱精度,完成一樣精度的任務(wù)。兩種關(guān)節(jié)內(nèi)部選用相同的測(cè)量元器件,采納一樣的旋轉(zhuǎn)變壓器和旋轉(zhuǎn)編碼器。內(nèi)部核心模塊能夠互換。內(nèi)部核心模塊的動(dòng)力產(chǎn)生裝置、傳動(dòng)裝置采納相

26、同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)又由于兩種機(jī)械臂具有不同的安裝位置，不同的作用，因此兩種機(jī)械臂關(guān)節(jié)又具有以下幾種不同點(diǎn)：1）連接部件不同。與兩種機(jī)械臂關(guān)節(jié)相連接的零部件不同，因此接口件的機(jī)械結(jié)構(gòu)不同。直線型單關(guān)節(jié)需設(shè)計(jì)與機(jī)械臂結(jié)尾手爪連接的接口件；2）內(nèi)部空間設(shè)計(jì)不同。由于兩種機(jī)械臂單關(guān)節(jié)的功能不同，因此兩種關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不同，那么關(guān)節(jié)內(nèi)部的空間不同。為了充分利用不同關(guān)節(jié)的內(nèi)部空間，關(guān)節(jié)操縱器等的安裝位置和機(jī)械臂關(guān)節(jié)內(nèi)部的走線需進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。通過上文所述可知，本文設(shè)計(jì)的模塊化機(jī)械臂單關(guān)節(jié)共有兩種，別離為：直角型單關(guān)節(jié)和直線型單關(guān)節(jié)。機(jī)械臂單關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)需要知足整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，同時(shí)要考慮機(jī)械臂關(guān)節(jié)內(nèi)部

27、的零部件的具體的安裝位置：1）機(jī)械臂關(guān)節(jié)的大體構(gòu)形為圓柱形，具有標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械接口與電氣接口；2）諧波減速器、直流無刷電機(jī)和編碼器采納順序串聯(lián)的結(jié)構(gòu)通過中心軸進(jìn)行連接；3）采納模塊化設(shè)計(jì)方式，將機(jī)械臂關(guān)節(jié)的要緊的零部件：分體式直流電機(jī)、諧波減速器、編碼器等集成到一個(gè)核心模塊中；4）采納諧波減速器組件作為減速裝置，減速器體積小、單級(jí)減速比大、減速多齒咱合、傳動(dòng)平穩(wěn)。關(guān)節(jié)內(nèi)部包括的直流無刷電機(jī)、諧波減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器、碼盤等各類零部件,依照作用可分為：動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)等部份。關(guān)節(jié)內(nèi)部各部份組成如圖2-1、2-2所示：圖2-1直角型單關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖圖2-2直線型單關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖2.2.2動(dòng)力傳

28、動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是為關(guān)節(jié)輸出提供輸出動(dòng)力,本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)中包括有作為動(dòng)力源的電機(jī)和作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速器。上文第二章中的機(jī)械臂關(guān)節(jié)的性能指標(biāo)對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸出力矩和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角速度范圍有著嚴(yán)格的要求。本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)屬于空間機(jī)械臂關(guān)節(jié),因此需要在較小的體積內(nèi)完成設(shè)計(jì),同時(shí)需要機(jī)械臂關(guān)節(jié)具有較大的輸出扭矩。因此,本文第一選擇體積小額定扭矩大的直流無刷電機(jī)作為關(guān)節(jié)的動(dòng)力源,為關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。第二,選用大減速比的減速裝置來知足輸出扭矩的要求,有兩種方案能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能:(1)采納大減速比的諧波減速器單級(jí)減速方案;(2)采納多級(jí)減速器依次串聯(lián)的減速方案。假設(shè)采納大減速比的單級(jí)減速器方案,那么優(yōu)勢(shì)

29、有:減速裝置零部件少,體積小能夠知足設(shè)計(jì)的空間要求;諧波減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,精度較高,比較容易實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)內(nèi)部核心模塊中各零部件的同軸,知足關(guān)節(jié)傳動(dòng)的精度和測(cè)量的精度的要求?？墒怯捎谥C波減速器本身結(jié)構(gòu)的緣故,采納諧波減速器會(huì)造成機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸出特性加倍復(fù)雜,使關(guān)節(jié)具有較為復(fù)雜的摩擦、非線性剛度等特性,增加關(guān)節(jié)輸出特性的研究難度。采納多級(jí)減速器依次串聯(lián)利用的方案,那么優(yōu)勢(shì)有:關(guān)節(jié)傳動(dòng)性能穩(wěn)固,減速器傳動(dòng)效率高。多級(jí)傳動(dòng)方案的缺點(diǎn)是需要多個(gè)減速器,串聯(lián)以后結(jié)構(gòu)體積大,各部份同軸度難以保證。本文選用的直流無刷電性能夠與減速器同軸相連,從而大大增加了電機(jī)與諧波減速器的同軸度,進(jìn)而提高整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。選

30、擇的諧波減速器為超薄諧波減速器,能夠在比較小的空間內(nèi)完成較大減速比的傳動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)有著嚴(yán)格的質(zhì)量指標(biāo),因此,通過綜合分析兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn),本文選用直流無刷電機(jī)加諧波減速器作為機(jī)械臂關(guān)節(jié)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置。直流無刷電機(jī)與諧波減速器通過電機(jī)軸相連,諧波減速器柔輪通過法蘭盤與關(guān)節(jié)動(dòng)塊相連。剛輪固定在核心模塊上,波發(fā)生器為主動(dòng)件,諧波的柔輪作為從動(dòng)件。機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),第一電機(jī)同意命令轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)諧波組件中的波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)。由于剛輪是固定在核心模塊上的,現(xiàn)在,波發(fā)生器就會(huì)驅(qū)動(dòng)諧波的柔輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的減速。同時(shí),通過柔輪與外接法蘭驅(qū)動(dòng)動(dòng)塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.2.3傳感系統(tǒng)空間

31、機(jī)械臂關(guān)節(jié)的兩種操縱形式:(1)以速度形式操縱機(jī)械臂關(guān)節(jié),使關(guān)節(jié)依照必然的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng);(2)以角度形式操縱機(jī)械臂關(guān)節(jié),使關(guān)節(jié)能夠精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)必然的角度。為了使關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)這兩種運(yùn)動(dòng)形式,關(guān)節(jié)內(nèi)部需要用到精準(zhǔn)的測(cè)量裝置,為關(guān)節(jié)的操縱反饋回精準(zhǔn)的位置數(shù)據(jù)。在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)程中,第一測(cè)量出關(guān)節(jié)的初始絕對(duì)位置,然后依照關(guān)節(jié)的初始絕對(duì)位置來制定操縱策略來完成整個(gè)任務(wù)。在完成整個(gè)任務(wù)的進(jìn)程中,不僅需要明白關(guān)節(jié)的絕對(duì)位置,還要明白關(guān)節(jié)精準(zhǔn)的速度等信息。因此本文選用增量式編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器組成關(guān)節(jié)的速度、位置反饋系統(tǒng)。本文選用的編碼器具有的特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊合理,而且有多重輸出方式和多種軸徑可供選擇。旋轉(zhuǎn)變壓

32、器的特點(diǎn)是分辨率高、精度高、穩(wěn)固性好、靠得住性高。增量式編碼器與電機(jī)軸直接相連,能夠直接測(cè)量出電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,從而換算出關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度,完成對(duì)關(guān)節(jié)的速度形式的操縱。旋轉(zhuǎn)變壓器通過中心軸與諧波減速器柔輪相連,即與關(guān)節(jié)的動(dòng)塊直接相連,通過測(cè)量關(guān)節(jié)動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,測(cè)量出關(guān)節(jié)的絕對(duì)位置,從而來完成關(guān)節(jié)角度形式的操縱。操縱系統(tǒng)機(jī)械臂操縱系統(tǒng)包括上位機(jī)操縱系統(tǒng)和下位機(jī)操縱系統(tǒng)。上位機(jī)操縱系統(tǒng)為操縱PC機(jī)中的操縱系統(tǒng)，能夠完成對(duì)關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)分析、操縱策略分析、途徑計(jì)劃等任務(wù)。下位機(jī)操縱系統(tǒng)為機(jī)械臂關(guān)節(jié)上配備的操縱器,包括操縱板和驅(qū)動(dòng)器。本文在完成直流無刷電機(jī)、編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等元器件的選型的基礎(chǔ)上,依照設(shè)

33、計(jì)指標(biāo)的要求選擇了ELM3區(qū)動(dòng)器，該型驅(qū)動(dòng)器本身做的已經(jīng)足夠壯大，使之能獨(dú)立完成對(duì)電機(jī)的位置、速度、扭矩操縱。依照需要的各零部件,依照設(shè)計(jì)指標(biāo)中要求的關(guān)節(jié)速度、角度等操縱精度自行設(shè)計(jì)電路板。通過驅(qū)動(dòng)器和電路板能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)角度、速度的精準(zhǔn)操縱。直角型單關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直角型單關(guān)節(jié)外部結(jié)構(gòu)由兩部份組成,別離為一個(gè)動(dòng)塊和一個(gè)靜塊。直角型的動(dòng)塊與靜塊結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)圓柱彼此貫通組成。核心模塊裝配位置與操縱器裝配位置相互垂直。其中動(dòng)塊與傳動(dòng)法蘭相連接，傳動(dòng)法蘭那么與核心模塊中的諧波減速器的柔輪相連接。因此在動(dòng)塊上留有和法蘭相連接的孔。靜塊內(nèi)部需要安裝機(jī)械臂關(guān)節(jié)的操縱器，機(jī)械臂關(guān)節(jié)靜塊需要與核心模塊維持靜止。

34、在靜塊上留有螺紋孔，以便將靜塊與核心模塊通過螺釘進(jìn)行連接。同時(shí)需要在靜塊上留出走線孔，以便于將模塊內(nèi)部的分體式電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、旋轉(zhuǎn)編碼器等器件的導(dǎo)線和數(shù)據(jù)線引出。直角型關(guān)節(jié)的動(dòng)塊能夠相關(guān)于靜塊旋轉(zhuǎn)，為關(guān)節(jié)的動(dòng)力輸出部份。關(guān)節(jié)內(nèi)部集成了直流永磁無刷伺服電機(jī)、短軸柔輪杯型諧波減速器、增量式光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器、高精度的深溝球軸承、操縱板、驅(qū)動(dòng)器等零部件或元器件。直角型單關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-3所示。1號(hào)塊、2部觀瑞福.3更訪其.4.祀用1)軸承5中心抽.6電枕殼左、r再小.民電中策詢痔*承，10電機(jī)殼右.IE沼為律林承九12諧赧發(fā)流”出方三、H電林他.*南溫菊玄、16疆承壓磨、I7

35、磷端、1,立諭電也，19、內(nèi)4心承420成科登叢靠.圖2-3直角型單關(guān)節(jié)示用意依照選擇的零部件尺寸對(duì)直角型單關(guān)節(jié)進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如以下圖2-4所示I的陪.之助戰(zhàn)注工、坳出上士.4遣.上盜也茸，S電*LN.t/看埠“和K7電帆:t右.B近段心加-9二網(wǎng)工.揄樣止.IIe*史上.11修段，13山津啟中獨(dú)*15*/崢.1*我。至IT*由原”承，福茶為小他承人9拙改揖*圖2-4直角型單關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖直線型單關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直線型單關(guān)節(jié)外部由兩部份組成，包括一個(gè)動(dòng)塊和一個(gè)靜塊。同軸型的動(dòng)塊與靜塊結(jié)構(gòu)類似。核心模塊裝配位置與操縱器裝配位置同軸。其中動(dòng)塊與傳動(dòng)法蘭相連接，傳動(dòng)法蘭與核心模塊中的諧波減速

36、器的柔輪相連接，因此在動(dòng)塊上留有和法蘭相連接的孔。靜塊內(nèi)部需要安裝機(jī)械臂關(guān)節(jié)的操縱器，機(jī)械臂關(guān)節(jié)靜塊需要與核心模塊維持靜止。在靜塊上留有螺紋孔，以便將靜塊與核心模塊通過螺釘進(jìn)行連接。同時(shí)需要在靜塊上留出走線孔，以便于將內(nèi)部的分體式電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、旋轉(zhuǎn)編碼器等器件的導(dǎo)線和數(shù)據(jù)線引出。直線型關(guān)節(jié)的動(dòng)塊能夠相關(guān)于靜塊旋轉(zhuǎn)，為關(guān)節(jié)的動(dòng)力輸出部份。關(guān)節(jié)內(nèi)部集成了直流永磁無刷伺服電機(jī)、短軸柔輪杯型諧波減速器、增量式光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器、高精度的深溝球軸承等零部件或元器件。直線型單關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-5所示：11171S147區(qū)弓1011畀戲.1電札麥金，i、，冉承I、3*射*乩11,白4

37、業(yè).?電風(fēng)上、x海電q電機(jī)+右、I。w承壓命.11M節(jié)*詰廿，羊謨贛*1：.以出義.I*動(dòng)購(gòu).1$,1內(nèi)修收款L同電帆H,中峰峰出工圖2-5同軸型單關(guān)節(jié)示用意依照選擇的零部件尺寸對(duì)直角型單關(guān)節(jié)進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如以下圖2-6所示*ftJLJL1件柒*?電機(jī)全莊.3中。帖、*河*疆承h5二小史后耳,6*4.1電稅.A或油電機(jī).9電氣止咕,ion枇修變.IIit節(jié)號(hào)卦口.12諾波或電鬻.13出土金.14咕15就內(nèi)率“*2.1A電飆門湛謫球在太厚洵埠”米4圖2-6同軸型單關(guān)節(jié)示用意由圖2-5可知，直線型和直角型在內(nèi)部零件中最大的區(qū)別在于沒有自己獨(dú)立的操縱系統(tǒng)，即沒有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器和操縱板。依

38、照設(shè)計(jì)要求，本文直角型單關(guān)節(jié)選用的驅(qū)動(dòng)器為ELM邸動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器本身的功能超級(jí)壯大，能夠知足同時(shí)操縱兩個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作，因此為了節(jié)省空間，將直線型單關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成那個(gè)構(gòu)型，利用簡(jiǎn)單的接口就能夠夠與直角型關(guān)節(jié)進(jìn)行連接，同時(shí)利用電氣接口通過簡(jiǎn)單的操作就能夠夠?qū)⒅c直角型關(guān)節(jié)中的操縱系統(tǒng)連接。2.2.7機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)總結(jié)圖2-7直線型單關(guān)節(jié)實(shí)物圖在本章中對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)進(jìn)程進(jìn)行了詳細(xì)的論述，利用機(jī)械模塊化設(shè)思想對(duì)機(jī)械單關(guān)節(jié)進(jìn)行了分析，依照本文設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的要緊零部件進(jìn)行選型，然后依照傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)等各部份的特點(diǎn)完成對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)。依照設(shè)計(jì)圖紙加工原型樣機(jī)，直角型單關(guān)節(jié)與直線

39、型單關(guān)節(jié)實(shí)物圖如上圖2-7所示。上述機(jī)械臂關(guān)節(jié)在結(jié)構(gòu)上加倍緊湊，因此關(guān)節(jié)內(nèi)部空間比一體化雙關(guān)節(jié)更小情形加倍復(fù)雜。本文再也不采納一體化雙關(guān)節(jié)集中走線的走線方式，而是采納依照關(guān)節(jié)內(nèi)部零件，分部走線的方式，將內(nèi)部零件通過合理的散布，使內(nèi)部零件各類線均勻散布，然后設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的的走線孔。該走線系統(tǒng)中，各類線不需要集中占用專門大的空間，能夠減輕各零件線路之間的干擾，降低裝配難度，提高裝配精度，進(jìn)而提高關(guān)節(jié)的精度。本文中的設(shè)計(jì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)對(duì)輸出扭矩有著較高的要求，依照選用的直流電機(jī)RBE-01510的各參數(shù)進(jìn)行核算。兩種單關(guān)節(jié)核心模塊的組成是相同的，那么核心模塊性能相同。依照電機(jī)的設(shè)計(jì)、諧波減速器的選型

40、及傳動(dòng)軸系的效率，可求得電機(jī)運(yùn)行時(shí)關(guān)節(jié)的峰值輸出扭矩T約為：T=T“Wl三0,555X100X50*=27.7現(xiàn)(2-1)其中：Tmax一電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩，0.555Nm;ih諧波減速器減速比，100；qd傳動(dòng)系統(tǒng)的效率,取估量值50%由以上計(jì)算可知關(guān)節(jié)最大輸出扭矩為27.75Nm,遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的l0Nm,符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)測(cè)試知兩種單關(guān)節(jié)的角度運(yùn)動(dòng)范圍、角度測(cè)量精度、角速度范圍、輸出力矩等都能夠知足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，且具有較大的設(shè)計(jì)余量。該機(jī)械臂需用在地面模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，本文采納氣浮法來模擬微重力，因此對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的重量有較高的要求，經(jīng)測(cè)量本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂各部份的重量如下表2-1所示表2-1機(jī)械臂

41、各部份質(zhì)量名稱1就鞋(如)直角型關(guān)節(jié)】4J5O直角型關(guān)節(jié)之4.142直角型關(guān)節(jié)34424同軸型關(guān)節(jié)機(jī)械臂手爪3.580臂桿短111臂桿長(zhǎng)L364總最22,155由上表可知，機(jī)械臂單關(guān)節(jié)實(shí)際重量如上表所示，機(jī)械臂總重量為22.155kg,符合設(shè)計(jì)指標(biāo)中的單關(guān)節(jié)質(zhì)量小于5kg,機(jī)械臂總質(zhì)量小于25kg要求,知足設(shè)計(jì)要求。第三章機(jī)械臂關(guān)節(jié)輸由特性研究選用機(jī)械臂關(guān)節(jié)的性能介紹本文為了對(duì)空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸出特性進(jìn)行研究，選用本課題組技術(shù)加倍成熟的空間一體化機(jī)械臂雙關(guān)節(jié)進(jìn)行研究。該雙關(guān)節(jié)為地面模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)六自由度空間機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)。該雙關(guān)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)如表3-1所示：表3-1北郵雙關(guān)節(jié)要緊性能指標(biāo)指斥圣求說

42、*自由度衛(wèi)十總站自由度:單差中具壽L十特勃白由度：動(dòng)映與靜爆就季日弗胃.南日所小于。理命域長(zhǎng)度小T0,1mm.所量雄英整型量”1七W0H關(guān)節(jié)內(nèi)部”郵件精高安摯佳讓不型r機(jī)械十償.機(jī)械臂關(guān)節(jié)特性分析本文中所選用機(jī)械臂關(guān)節(jié)的減速裝置為諧波減速器，因此其輸出特性帶有顯著的諧波減速器的特點(diǎn)。諧波減速器具有單級(jí)減速比大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)?？墒怯捎谥C波減速器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成了機(jī)械臂關(guān)節(jié)存在有運(yùn)動(dòng)誤差、遲滯等輸出特性，為準(zhǔn)確成立關(guān)節(jié)模型，需對(duì)關(guān)節(jié)以上特性進(jìn)行分析研究。經(jīng)研究分析，隨著對(duì)操縱精度要求的愈來愈高，在操縱中需要將機(jī)械臂關(guān)節(jié)中諧波減速器致使的運(yùn)動(dòng)誤差考慮在操縱補(bǔ)償內(nèi)，可是由于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差的數(shù)值遠(yuǎn)小于

43、機(jī)械臂自身所有的測(cè)量裝置的測(cè)量的精度，因此，需要對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行研究，同時(shí)成立適合的運(yùn)動(dòng)誤差的模型。機(jī)械臂關(guān)節(jié)的遲滯模型是關(guān)節(jié)細(xì)化模型的重要組成部份。準(zhǔn)確的機(jī)械臂關(guān)節(jié)遲滯模型對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的操縱補(bǔ)償精度有著極為重要的意義。關(guān)節(jié)的遲滯是指的輸出力矩滯后于輸入軸與輸出軸夾角的輸入輸出的關(guān)系。Huang等以分段線性化的形式近似的表達(dá)出了諧波的非線性滯回剛度，證明非線性滯回剛度對(duì)關(guān)節(jié)有重要的阻礙。Dhaouadi等成立了遲滯的微分方程形式的模型，該模型考慮了關(guān)節(jié)遲滯的經(jīng)歷特性,可是由于沒有考慮關(guān)節(jié)遲滯的非局部經(jīng)歷特性,而使得該模型表達(dá)不夠準(zhǔn)確。Ruderman通過對(duì)工業(yè)機(jī)械臂的研究建模,應(yīng)用了Prei

44、sach模型對(duì)關(guān)節(jié)遲滯進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的建模，可是由于Preisach模型計(jì)算進(jìn)程復(fù)雜，該模型很難應(yīng)用到實(shí)際操縱補(bǔ)償中。HDSystems,Inc公司的產(chǎn)品說明書中建議用分段線性化來描述諧波傳動(dòng)關(guān)節(jié)的遲滯中的非線性剛度，該方式用在關(guān)節(jié)中由于其他因素的干擾而不能準(zhǔn)確表示出關(guān)節(jié)的真實(shí)特性。因此，為了適應(yīng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)操縱的愈來愈高的需求，對(duì)裝有諧波減速器的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行研究，并成立適合的關(guān)節(jié)遲滯模型是超級(jí)有必要的。機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)誤差和遲滯建模機(jī)械臂關(guān)節(jié)建模本文成立的關(guān)節(jié)模型考慮了機(jī)械臂關(guān)節(jié)的非線性剛度、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差和關(guān)節(jié)遲滯等多種因素，將機(jī)械臂關(guān)節(jié)分為兩部份，別離為輸入軸（電機(jī)軸）和輸出軸，同時(shí)將

45、輸入軸（電機(jī)軸）與輸出軸等效為兩個(gè)慣性系統(tǒng)。輸入軸和輸出軸兩個(gè)部份依托運(yùn)動(dòng)誤差和遲滯非線性進(jìn)行轉(zhuǎn)角和力矩的傳遞。本研究成立的包括非線性剛度、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差和關(guān)節(jié)遲滯等的關(guān)節(jié)模型原理圖如圖3-1所示，下面講具體介紹各部份的建模進(jìn)程。圖3-1關(guān)節(jié)模型原理圖機(jī)械臂關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)建模在機(jī)械臂關(guān)節(jié)建模進(jìn)程中，由于非線性剛度和運(yùn)動(dòng)誤差的存在，關(guān)節(jié)的輸入軸和輸出軸的狀態(tài)變量不同，因此把機(jī)械臂關(guān)節(jié)的慣量分為輸入軸和輸出軸兩個(gè)部份，對(duì)這兩部份別離成立動(dòng)力學(xué)模型，然后采納運(yùn)動(dòng)誤差模型與遲滯模型將這兩部分進(jìn)行連接，通過整合取得機(jī)械臂關(guān)節(jié)的整體的模型。依照牛頓第二定律能夠?qū)懗霰狙芯康妮斎胼S和輸出軸的動(dòng)力學(xué)方程(3-1)t

46、=Jra,+川也/厘-g)叩(3-2)上式中：Jw,Jc別離為輸入軸和輸出軸的慣量；0w,0c別離為輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)角；h為阻力力矩；N為諧波減速器減速比；Te外部擾動(dòng)力矩。數(shù)值建模及特性分析Matlab模型成立依照以上所成立的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，通過Matlab中Simulink搭建了整個(gè)關(guān)節(jié)的仿真模型。以本課題研究的一體化雙關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，搭建整個(gè)關(guān)節(jié)傳動(dòng)的機(jī)電動(dòng)力學(xué)模型：關(guān)節(jié)輸出連接一個(gè)負(fù)載，只考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，具動(dòng)力學(xué)方程由式(3-1)描述。其中關(guān)節(jié)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由額定輸出確信。電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部份模型采納Matlab中現(xiàn)有的模型，選用電機(jī)的參數(shù)為電機(jī)的生產(chǎn)廠家提供，電機(jī)的要緊參數(shù)如下表所示：表

47、3-2電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)1.名稱搞定轉(zhuǎn)M1(rpm)峰值如理靜態(tài)摩黑轉(zhuǎn)坦fNml轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kgni-1凝定功率(whs)T-1352RHI11410”60通過建模，組成的整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型如下圖圖3-2Simulink仿真模型3.4.2關(guān)節(jié)模型特性分析本節(jié)在上文所建的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究，來驗(yàn)證本文所成立的關(guān)節(jié)綜合模型表現(xiàn)出來的多種特性，具體包括關(guān)節(jié)的非線性剛度、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)誤差和在關(guān)節(jié)的遲滯特性，證明該模型具有良好的模擬實(shí)際關(guān)節(jié)各特性的能力。為了分析關(guān)節(jié)模型的運(yùn)動(dòng)誤差特性，以關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的額定速度作為關(guān)節(jié)電機(jī)軸的輸入速度，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其中開始時(shí)關(guān)節(jié)不轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)靜止，沒有運(yùn)動(dòng)誤差。操縱關(guān)節(jié)模型

48、開始以恒定的速度開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠得出運(yùn)動(dòng)誤解開始在必然的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變。能夠明白在任意一點(diǎn)的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)誤差的在范圍內(nèi)是隨機(jī)的，在運(yùn)動(dòng)誤差零點(diǎn)周圍上下波動(dòng)。從整體來看，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)誤差有著類周期性的波動(dòng)，而且周期是恒定的。關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)誤差有類似于正弦函數(shù)的周期性的函數(shù)，而且在諧波減速器轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)周期的時(shí)刻內(nèi)運(yùn)動(dòng)誤差有兩個(gè)明顯的轉(zhuǎn)變周期。關(guān)節(jié)存在運(yùn)動(dòng)誤差、遲滯和非線性剛度，綜合起來形成如圖3-3所示的關(guān)節(jié)的遲滯曲線，要緊表現(xiàn)為輸入扭轉(zhuǎn)力和輸出角度之間的滯后關(guān)系。在以下圖3-3中，別離在不同的扭轉(zhuǎn)力的極限情形下對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行研究，給出了遲滯回路的總圖。同時(shí)，遲滯具有和輸入頻率無關(guān)的特性38,即當(dāng)輸入信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)

49、變時(shí)，遲滯曲線不發(fā)生轉(zhuǎn)變。從圖中能夠看出關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)進(jìn)程中有很明顯的遲滯特性。嗝匕守I，偈胞產(chǎn)外都里瑞.-Nm圖3-3關(guān)節(jié)遲滯模型仿真圖第四章結(jié)論與展望針對(duì)輕型空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中的非線性表現(xiàn)明顯、和關(guān)節(jié)存在自身難以測(cè)量的運(yùn)動(dòng)誤差等問題,設(shè)計(jì)完成了空間機(jī)械臂地面模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、搭建了機(jī)械臂關(guān)節(jié)輸出特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái);研究了面向輕型空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)建模及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)節(jié)建模等關(guān)鍵技術(shù),并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文的研究為空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和機(jī)械臂關(guān)節(jié)的細(xì)化模型的成立提供了理論依據(jù)。具體研究功效如下:在詳細(xì)調(diào)研分析國(guó)內(nèi)外模塊化機(jī)械臂和空間機(jī)械臂的基礎(chǔ)上,通過對(duì)機(jī)械臂結(jié)尾精度、負(fù)載力矩等的計(jì)算,和機(jī)

50、械臂設(shè)計(jì)指標(biāo)的分析,確信了地面模擬平臺(tái)中四自由度機(jī)械臂的整體方案設(shè)計(jì),而且對(duì)方案進(jìn)行了分析論證。在機(jī)械臂整體方案確信的基礎(chǔ)上,完成了適用于該模擬平臺(tái)的空間機(jī)械臂單關(guān)節(jié)的方案設(shè)計(jì)。分析機(jī)械臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)指標(biāo),完成了對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)要緊零部件的選型,完成對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行三維建模,完成了虛擬裝配。具體包括:分體式電機(jī)的安裝、短筒柔輪諧波減速器的安裝、關(guān)節(jié)各零部件的安裝和模塊化接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。選擇關(guān)節(jié)加工件的材料,完成關(guān)節(jié)的內(nèi)部走線設(shè)計(jì)。利用有限元分析軟件對(duì)關(guān)節(jié)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了校核。結(jié)果說明本研究設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)合理,關(guān)鍵零部件強(qiáng)度知足設(shè)計(jì)要求。3、成立了含有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差的機(jī)械

51、臂關(guān)節(jié)的遲滯模型。對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的輸出特性進(jìn)行研究,將機(jī)械臂關(guān)節(jié)分為輸入軸和輸出軸兩個(gè)部份。對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差的研究,成立運(yùn)動(dòng)誤差的模型。采納關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差構(gòu)建了運(yùn)動(dòng)誤差模型。成立含有機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差的關(guān)節(jié)遲滯模型。該關(guān)節(jié)建模方式為基于模型的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的操縱奠定了基礎(chǔ)。4、基于以上的理論研究,設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)輸出特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；诒疚倪x用的機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的接口件。對(duì)接口件的材料進(jìn)行了選擇。通過三維建模對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)接口件進(jìn)行了虛擬裝配?；趯?duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)誤差和關(guān)節(jié)遲滯的理論研究設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,依如實(shí)驗(yàn)方案搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。完成機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)誤差和關(guān)節(jié)遲滯的驗(yàn)證明驗(yàn)。通過將實(shí)驗(yàn)結(jié)果

52、與成立的模型和仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照,驗(yàn)證了建模的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)何永強(qiáng).三分支機(jī)械人模塊化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)D.北京:北京郵電大學(xué),2020.陳永亮,焦明生,徐燕申.基于機(jī)械電子總線的模塊化機(jī)械人系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.王兵,蔣蓁.模塊化重構(gòu)機(jī)械人技術(shù)的現(xiàn)狀與進(jìn)展綜述J.機(jī)電工程,2020,25(5):1-4.王衛(wèi)忠.可重構(gòu)模塊化機(jī)械人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.王光建,梁錫昌,蔣建東.機(jī)械人關(guān)節(jié)的進(jìn)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)J.機(jī)械傳動(dòng),2004,28(4):1-5.ParedisCJJ.Anagent-basedapproachtothedesignofrapidlydeployablefaultto

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