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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(wèn)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(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)械臂在其工作空間內(nèi)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） 550 500 150 2.3 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)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(guò)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(guò)靜載荷；且粘滯摩擦也較大，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)要求是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(guò)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(guò)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)組合方式，應(yīng)在驅(qū)動(dòng)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)中心齒輪旋轉(zhuǎn)，就像行星繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一樣。在工作狀態(tài)中多個(gè)行星齒輪協(xié)同工作，因而承載能力大，屬純扭矩傳動(dòng)，工作平穩(wěn)。單級(jí)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(jí)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(dòng)比大，一般為 10-80，也可以達(dá)到 80 以上。此外，蝸輪蝸桿減速器機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、熱交換性能好、工作平穩(wěn)、噪聲小、具備機(jī)械自鎖能力，安全性高。 3、諧波減速器 波發(fā)生器，柔輪，剛輪是諧波減速器的三大部分，諧波齒輪減速器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減速比高，同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，運(yùn)行平穩(wěn)、傳動(dòng)承載力大，齒側(cè)間隙小，傳動(dòng)精度高，傳動(dòng)誤差只有普通圓柱齒輪傳動(dòng)的 1/4 左右，傳動(dòng)空程小，適用于反向轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但對(duì)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(dòng)比齒輪機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)準(zhǔn)確，平穩(wěn)高效，傳動(dòng)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(dòng)精度高，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 部分，同時(shí)便于機(jī)械臂的模塊化設(shè)計(jì)。本文將采用 Harmonic Drive CSF-mini 系列組合型諧波減速器，其中腰關(guān)節(jié)采用型號(hào)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(dòng)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(guò)控制輸入的等效電壓就可以驅(qū)動(dòng)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)序控制電流，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) I/O 直接控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、運(yùn)動(dòng)控制卡。 1、單片機(jī) I/O 直接控制方式 使用單片機(jī)內(nèi)部的鎖存器、計(jì)數(shù)/定時(shí)器，和并行 I/O 接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，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(guò)軟件中斷方式實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速控制，改變通電順序則可改變轉(zhuǎn)向。 2、步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片一般集成度較高，外圍電路簡(jiǎn)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)；STEP 為脈沖輸入，輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生微動(dòng)；DIR 為方向 ，改變 DIR 邏輯電平即可換向。 3、運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)控制 通過(guò)計(jì)算機(jī)可直接控制步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡是專用于步進(jìn)電機(jī)控制的 PC 插卡，是應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制而出現(xiàn)的，一般可同時(shí)控制十幾臺(tái)甚至幾十臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，一般價(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(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)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 THB7128 3A 128 高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，其他軸選用 A4988 微步驅(qū)動(dòng)器。 表 2-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片相關(guān)參數(shù) 型號(hào) 最高耐壓 電流 使用溫度 自鎖性能 細(xì)分模式 THB7128 40VDC 3.3A -40-85（℃） 半流鎖定 1-128（8 種） A4988 35VDC 2A -20-85（℃） 無(wú) 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(dòng)力，步進(jìn)電機(jī)只需要通控制驅(qū)動(dòng)脈沖的數(shù)量，即可簡(jiǎn)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)分后的步距角為基本單位進(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(dòng)，那么每給驅(qū)動(dòng)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 360/0.1125=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(hào)為 Omron 微動(dòng)開關(guān) SS-5 擺桿型限位開關(guān)。 表 2-4 微動(dòng)限位開關(guān)參數(shù) 型號(hào) 按鍵力度 接觸規(guī)格 觸發(fā)精度 耐熱溫度 SS-5 1.47N 1C（雙投型） 0.5mm 85 2.4.6下位機(jī)的選型 對(duì)于機(jī)器臂控制，需要對(duì)多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。為了實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)之間的通信和控制，必須建立一套數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來(lái)完成主計(jì)算機(jī)與各運(yùn)動(dòng)控制單元間的數(shù)據(jù)交換?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制技術(shù)能夠解決這些問(wèn)題。但常見的分布式控制系統(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(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的分布式控制。 本設(shè)計(jì)選用了TI公司的2000系列 DSP TMS320LF2407 作為控制單元。其時(shí)鐘頻率可達(dá) 40MHz，具有高速的處理能力，片內(nèi)資源豐富，特別是它特有兩個(gè)內(nèi)置事件管理器模塊（EVA、EVB）。通過(guò)JTAG 接口可以方便的對(duì) DSP 進(jìn)行全速的在系統(tǒng)調(diào)試仿真。TMS320LF2407 的電源電壓為 3.3V，正常下作電流為 80m A 左右，抗干擾能力較強(qiáng)。 2.4.6.1 關(guān)節(jié)控制器硬件電路 關(guān)節(jié)控制器是以 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(guò)單個(gè)模塊電路的方式分別介紹控制器硬件電路。 (1) 電源電路 通過(guò)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(hào)。管角 5,6 通過(guò)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 (2) 時(shí)鐘電路 TMS320LF2407 的時(shí)鐘源可以來(lái)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)常使用外部時(shí)鐘輸入，因?yàn)槭褂猛獠繒r(shí)鐘時(shí)，時(shí)鐘的精度高、信號(hào)比較穩(wěn)定，外部時(shí)鐘電路和鎖相環(huán)電路如圖 2-6 所示。 圖2-5 時(shí)鐘電路 (3) 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IEEE1149.1(JTAG)信號(hào)（TRST、TCK、TMS、TDI、TDO）和兩個(gè)TI擴(kuò)展口（EMU0、 EMU1）。JTAG 目標(biāo)器件通過(guò)專用的仿真端口支持仿真，此端口由仿真器直接訪問(wèn)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。 圖2-6 JTAG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。 由于控制算法的需要，本系統(tǒng)需擴(kuò)充外部 RAM。TMS320LF2407片內(nèi)的 Flash 可用作程序存儲(chǔ)器，但在開發(fā)階段使用 Flash 作為程序存儲(chǔ)器極為不便，因?yàn)槊恳淮纬绦虻男薷亩夹枰獙?duì) Flash 進(jìn)行清除、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 RAM。這里用的是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2-7 SRAM擴(kuò)展電路圖 (5) 編碼器處理電路 增量式編碼器信號(hào)處理電路如圖2-9所示。 圖 2-8 增量式編碼器信號(hào)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(guò) 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達(dá)到一定范圍以內(nèi)時(shí)，輸出低電平，否則輸出高電平，不需要外接放大電路。一套關(guān)節(jié)控制器將采用 3 支霍爾接近開關(guān)。HALL1、HALL2 分別固定在關(guān)節(jié)控制器運(yùn)動(dòng)的極限位置，其信號(hào)通過(guò) IOPE5、IOPE6 不斷查詢。HALL3 用于絕對(duì)零位檢測(cè)，采用中斷的方式。 圖2-9 霍爾接近開關(guān)的接法 2.5 機(jī)械臂的模塊化設(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(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，只需對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行少量修改便可完成組合適配。 2.5.1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 機(jī)械臂的基本單元有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和俯仰關(guān)節(jié)，其結(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(dòng)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(dòng)方式，使用限位微動(dòng)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(duì)旋轉(zhuǎn)角度參考，是一個(gè)開環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，動(dòng)力傳遞鏈路為：電機(jī)--波發(fā)生器--柔輪--剛輪—輸出軸。機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到來(lái)自機(jī)械臂末端的彎矩，因此需要對(duì)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(zhǎng)使用壽命。一般來(lái)說(shuō)，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(dòng)。這種配置方式軸向移動(dòng)限制比較精確、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(guò)調(diào)整外殼與軸承端蓋端面的厚度來(lái)補(bǔ)償軸的受熱伸長(zhǎng)，因而這種配置方式不適合需要對(duì)軸做精確軸向定位的場(chǎng)合。 2、一支點(diǎn)雙向固定，另一端支點(diǎn)游動(dòng) 對(duì)于熱伸長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)支撐 對(duì)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(duì)固定的軸向位置，另一根軸上的兩個(gè)軸承必須游動(dòng)，防止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(dòng)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(dòng)端使用滾針軸承。其中腰關(guān)節(jié)使用型號(hào)為 HRB 61809-2Z、SKF HK5020，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)使用型號(hào)為 HRB 61806-2Z、SKF HK3512。 2.5.2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 各運(yùn)動(dòng)軸基于模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)已考慮各運(yùn)動(dòng)軸的聯(lián)接，使用簡(jiǎn)單的金屬板件便能將各運(yùn)動(dòng)軸連接可靠，并具有一定的剛度。本文各運(yùn)動(dòng)軸均為法蘭端面輸出，與金屬板材間通過(guò)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： 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能力，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)需要保持一定的夾持力，本文將使用舵機(jī)為機(jī)械手爪提供動(dòng)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(hào)為 TowerPro MG945 全金屬齒舵機(jī)， 表2-5舵機(jī)型號(hào)及相關(guān)參數(shù) 型號(hào) 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*42.9 12kg/cm(6V) 4.8-6V 5us 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(duì)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)械臂控制系統(tǒng)軟件包括主計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件和各關(guān)節(jié)控制器軟件。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)算機(jī)要實(shí)時(shí)讀取關(guān)節(jié)控制器的反饋數(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(dòng)、點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、復(fù)位動(dòng)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(duì)位置的確定過(guò)程、各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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)還要提供給用戶友好的人機(jī)交互界面，方便于用戶輸入各種命令，存儲(chǔ)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)控制器軟件設(shè)計(jì) 3.1.1 PID控制算法 關(guān)節(jié)控制器TMS320LF2407來(lái)實(shí)現(xiàn)，完成電機(jī)的位置環(huán)控制和速度環(huán)控制，如圖3-1所示。位置環(huán)的控制周期設(shè)為2ms，速度環(huán)的控制周期也設(shè)為2ms。由于采用了速度環(huán)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性性能可以得到顯著提高。兩個(gè)閉環(huán)都采用積分分離PD控制，根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況，可以對(duì)控制律進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕?jiǎn)。 零位霍爾接近開關(guān)在系統(tǒng)上電時(shí)用于較粗略的確定電機(jī)的絕對(duì)位置，再結(jié)合增量編碼器的Z通道的信號(hào)，就可以較精確的確定出電機(jī)的絕對(duì)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)控制器。關(guān)節(jié)控制器利用它和從增量編碼器實(shí)際測(cè)得的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，利用積分分離PID算法求解位置環(huán)的控制量。 3.1.2 關(guān)節(jié)控制器程序流程 主程序的流程圖如3-2所示： 圖3-1 主程序流程圖 寄存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)置串口通訊波特率為：38.4kbPs；設(shè)置定時(shí)器/計(jì)數(shù)器相關(guān)寄存器；設(shè)置QEP電路單元相關(guān)寄存器；設(shè)置中斷控制寄存器等等。串口數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序流程圖如3-3所示。在中斷服務(wù)程序中，讀取數(shù)據(jù)接收寄存器中的數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)接收區(qū)，而并不作任何進(jìn)一步分析和處理。數(shù)據(jù)接收區(qū)是內(nèi)存中暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的區(qū)域，當(dāng)存滿一條完整指令信息后，由主程序分析和處理。 圖 3-2 串口數(shù)據(jù)接收中斷服務(wù)程序流程圖 控制周期2ms定時(shí)中斷服務(wù)程序的流程見圖3-4。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3為位置環(huán)和速度環(huán)控制周期定時(shí)2ms，每3ms進(jìn)入定時(shí)中斷服務(wù)程序一次，讀取位置反饋值和速度反饋值，進(jìn)行積分分離PID運(yùn)算,最后輸出給DA轉(zhuǎn)換成模擬量。 每一個(gè)插補(bǔ)周期(50ms)，主計(jì)算機(jī)向關(guān)節(jié)控制器發(fā)送一次運(yùn)動(dòng)規(guī)劃后的目標(biāo)位置。該目標(biāo)位置是以增量編碼器信號(hào)四倍頻后的脈沖數(shù)為單位，以前一次的目標(biāo)位置作為脈沖計(jì)數(shù)的零點(diǎn)，因此，關(guān)節(jié)控制器在讀取新的目標(biāo)位置后，也應(yīng)該以前一次的目標(biāo)位置作為新的增量碼盤脈沖計(jì)數(shù)零點(diǎn)，測(cè)量實(shí)際的電機(jī)位置，與新的目標(biāo)位置比較、運(yùn)算。主計(jì)算機(jī)根據(jù)需要可以查詢當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際位置，關(guān)節(jié)控制器返回的位置則是關(guān)節(jié)角的絕對(duì)位置，單位是0.1度。 圖3-3 控制周期定時(shí)中斷服務(wù)服務(wù)程序流程圖 4 結(jié)束語(yǔ) 本文提出了一套機(jī)械臂結(jié)構(gòu)方案。硬件上，對(duì)機(jī)械臂的構(gòu)型、臂桿長(zhǎng)度、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、減速器、傳感器和主控制器進(jìn)行了選型。并且對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，其中包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)、連接件的設(shè)計(jì)和抓手的設(shè)計(jì)。軟件方面設(shè)計(jì)了DSP關(guān)節(jié)控制器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)位置和速度閉環(huán)控制?；赗S485總線和DSP的分布式控制體系結(jié)構(gòu)，具有高速、穩(wěn)定、可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適合于六自由度機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制。 5 參考文獻(xiàn) [1] 王羅羅. 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009. 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