机械臂控制综合系统的设计.docx

机械臂控制系统设计1 引言多年来，伴随制造业在中国高速发展，工业机器人技术也得到了快速发展。依据负载大小能够将机械臂分为大型、中型、小型三类。大型机械臂关键用于搬运、码垛、装配等负载较重场所；中小型机械臂关键用于焊接、喷漆、检测等负载较小场所。伴随国外工业机器人技术不停发展，尤其是部分中小型机器人，它们含有体积小、质量轻、精度高、控制可靠特点，甚至研发出更为轻巧控制箱，能够在工作区域随时移动，这么大大方便了工作人员操作。在工业机器人应用中最常见是六自由度机械臂。它是由6个独立旋转关节串联形成一个工业机器人，每个关节全部有各自独立控制系统。2机械臂硬件系统设计2.1 机械臂构型选择要使机器臂抓持器能够以正确位置和姿态移动到给定点，这就要求机器人含有一定数量自由度。机器臂自由度是设计关键参数，其数目应该和所要完成任务相匹配。为了使安装在双轮自平衡机器人上机械臂能够含有完善功效，能够完成复杂任务，将其自由度数目定为6个，这么抓持器就能够达成空间中任意位姿，而且不会出现冗余问题。在确定自由度后，就能够合理部署各关节来分配这些自由度了。因为计算数值解远比封闭解费时，数值解极难用于实时控制，这么，后3个关节就确定了末端实施器姿态，而前3个关节确定腕关节原点位置。采取这种方法设计机械臂能够认为是由定位结构及其后面串联定向结构或手腕组成。这么设计出来机器人全部含有封闭解。另外，定位结构全部采取简单结构连杆转角为0或90形式，连杆长度能够不一样，不过连杆偏距全部为0，这么结构会使推倒逆解时计算简单。 定位机构是包含形式关键有以下多个：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围3维空间任意抓取要求；直角坐标型机械臂投影面积较大，工作空间小；极坐标方法需要线性移动，机械臂如需较大工作空间，则臂长较长；和其它类型相比关节型机械臂在其工作空间内干涉是最小，是一个较为优良结构。所以初步确定本文机械臂构型为关节型。2.2臂杆长度确实定机械臂臂杆设计如表2-1所表示：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）5505001502.3 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模块化包含和简化结构，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是关节结构动力传输方案。图2-1 关节结构动力传输方案使用这种联接方法因中间零件少，故形变量和回程间隙全部较小，且能保持较高结构刚度。2.4 关键部件选型2.4.1 关节负载估算各关节动态参数是驱动元件选择和关节传动零件选择关键依据。由机器人动力学相关知识可知完整机器人动力学方程为：式中通常使用静力学方法和动力学方法计算机器人动力参数，速度较低机械，在运行过程中，惯性引发动载荷较小，通常使用静力学方法，忽略C和F影响。而对于运行速度较高机械，其动载荷也较大，即C项影响较大，甚至超出静载荷；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。本文设计要求是一款能够安装在全向移动平台上轻型机械臂，对关节旋转速度要求不高，所以估算机械臂力矩时采取静力学方法。图2-2 机械臂受力简图估量关节力矩之前，首先假设每个关节重力作用集中在中心，将连杆重量均分于各关节，机械臂受力简图图 2-2 所表示，使用静力学方法计算关节所受力矩最大值。六自由度机械臂三维静态仿真图图2-3所表示：图2-3 三维静态仿真图2.4.2 关节驱动系统电机选型机械臂驱动系统，有三种基础类型，即电动驱动、液压驱动和气动驱动，也能够依据需要组合成为复合式驱动系统。(1) 电机驱动现在机械臂上使用最多一个驱动方法是电动驱动，它利用多种电机产生力和力矩，直接或经过机械传动装置来驱动实施机构。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应用。(2) 液压驱动液压驱动关键优点是功率密度大。液压缸也可直接作为臂体一部分，所以结构紧凑，刚性好。因为液压油液不可压缩性，系统固有频率较高，快速响应好，可实现频繁平稳变速和换向。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。和液压驱动系统相比，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机器人控制系统中。综上，本设计决定使用电动驱动方法为机械臂提供动力，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法，应在驱动电机和机械臂关节间安装减速器做扭矩适配，降低输出轴速度，增大输出扭矩。通常行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器、齿轮减速器等能够和步进电机适配。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，所以承载能力大，属纯扭矩传动，工作平稳。单级行星齿轮减速器减速比通常较小，需要增加减速比时只需增加行星轮系级数即可，而整体体积改变较小。2、蜗轮蜗杆减速器蜗轮蜗杆减速器传动比大，通常为 10-80，也能够达成 80 以上。另外，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、含有机械自锁能力，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，传动误差只有一般圆柱齿轮传动 1/4 左右，传动空程小，适适用于反向转动，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，其传动正确，平稳高效，传动功率范围和速度范围大，广泛用于多种仪器仪表中，但其制造和安装精度要求高，高减速比时结构较为复杂，体积通常较大。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，输入轴和输出轴轴线重合，可很方便地和步进电机组合安装成为机械臂关节一部分，同时便于机械臂模块化设计。本文将采取 Harmonic Drive CSF-mini 系列组合型谐波减速器，其中腰关节采取型号为 CSF-14-100-2XH-F；肘关节俯仰和肘关节旋转采取 CSF-11-100-2XHF，腕俯仰采取 CSF-8-100-2XH-F。2.4.4电机驱动器选型即使步进电机广泛地应用于各行各业，但步进电机并不能像一般直流电机那样经过控制输入等效电压就能够驱动和调速。它必需利用电子电路，将直流电变成份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 直接控制方法使用单片机内部锁存器、计数/定时器，和并行 I/O 接口，能够实现对步进电机控制，脉冲环形分配器功效由单片机系统实现完成，经过软件中止方法实现步进电机变速控制，改变通电次序则可改变转向。2、步进电机专用驱动芯片步进电机专用驱动芯片通常集成度较高，外围电路简单,通常有 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经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 PC 插卡，是应对复杂系统控制而出现，通常可同时控制十几台甚至几十台步进电机运动，通常价格很高。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 THB7128 3A 128 高细分步进电机专用驱动芯片驱动，其它轴选择 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THB712840VDC3.3A-40-85（）半流锁定1-128（8 种）A498835VDC2A-20-85（）无1-16（5 种）2.4.5传感器选型本文将使用步进电机友好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数量，即可简单实现较高精度定位，并使工作物在正确地停在目标位置。步进电机以细分后步距角为基础单位进行定位。以两相电机为例，其步距角为1.8，使用 1/16 细分方法进行驱动，那么每给驱动器一个脉冲步进电机转子旋转角度为角度=1.8*1/16=0.1125，转子旋转一周需要脉冲数为 360/0.1125=3200，需要旋转到其它任意角度计算方法和上式相同。本文使用限位开关型号为 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-51.47N1C（双投型）0.5mm852.4.6下位机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通信和控制，必需建立一套数据通信系统来完成主计算机和各运动控制单元间数据交换。基于现场总线分布式控制技术能够处理这些问题。但常见分布式控制系统又有 USB 总线，SERCOS总线，RS-485 总线和 CAN 总线等这多个。本设计将采取RS-485 总线来实现机械臂分布式控制。本设计选择了TI企业系列 DSP TMS320LF2407 作为控制单元。其时钟频率可达 40MHz，含有高速处理能力，片内资源丰富，尤其是它特有两个内置事件管理器模块（EVA、EVB）。经过JTAG 接口能够方便对 DSP 进行全速在系统调试仿真。TMS320LF2407 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 关节控制器是以 DSP 芯片为关键，芯片本身及其外围电路性能直接决定了系统性能。故芯片选择及其外围电路设计，也就显得十分关键。下面将经过单个模块电路方法分别介绍控制器硬件电路。(1) 电源电路经过开关电源，接入B0505LS模块产生稳定5V 电压作为TPS7333芯片供电电压，管脚8做为2407 上电复位信号。管角 5,6 经过滤波电容输出作为 2407 供电电压（3.3V）。图2-5。图2-4 电源电路(2) 时钟电路TMS320LF2407 时钟源能够来自外部有源晶振也能够用晶体，利用内部振荡器。通常常常使用外部时钟输入，因为使用外部时钟时，时钟精度高、信号比较稳定，外部时钟电路和锁相环电路图 2-6 所表示。图2-5 时钟电路(3) JTAG 接口电路仿真接口电路图2-7所表示.目标层次TI调试标准使用5个标准IEEE1149.1(JTAG)信号（TRST、TCK、TMS、TDI、TDO）和两个TI扩展口（EMU0、EMU1）。JTAG 目标器件经过专用仿真端口支持仿真，此端口由仿真器直接访问并提供仿真功效。JTAG 接口电路为仿真器和微机接口电路，便于系统进行在线调试。图2-6 JTAG电路(4) 外接SRAM电路TMS320LF2407最多可寻址64K外部程序空间和64K外部数据空间。因为控制算法需要，本系统需扩充外部 RAM。TMS320LF2407片内 Flash可用作程序存放器，但在开发阶段使用 Flash 作为程序存放器极为不便，因为每一次程序修改全部需要对 Flash 进行清除、擦除和编程操作，而且进行CCS 调试时只能设置硬件断点，故从调试角度考虑，应扩充程序 RAM。这里用是CY7C1021V33芯片，它是64K*16bitSRAM，存取时间为15ns，故不需要插入等候周期，可确保系统全速运行。图 2-8 为外接 SRAM 扩展电路图。图2-7 SRAM扩展电路图(5) 编码器处理电路增量式编码器信号处理电路图2-9所表示。图 2-8 增量式编码器信号处理电路(6) 霍尔靠近开关电路本设计选择 A31443E 常开型霍尔靠近开关。其接法图 2-10，提供电压为5V，因为输出采取了集电极开路门，必需经过 10K 上拉电阻接到 5V 电源上。当磁源某一极和霍尔传感器距离达成一定范围以内时，输出低电平，不然输出高电平，不需要外接放大电路。一套关节控制器将采取 3 支霍尔靠近开关。HALL1、HALL2 分别固定在关节控制器运动极限位置，其信号经过 IOPE5、IOPE6 不停查询。HALL3 用于绝对零位检测，采取中止方法。图2-9 霍尔靠近开关接法2.5 机械臂模块化设计机械臂大小臂体和关节在整个机械臂中含有高度相同性，同时机械臂是机电一体化经典，其主体结构和联接结构全部有一定复杂性，而采取模块化设计思想，能够一定程度上简化设计步骤，只需对不一样应用对象进行少许修改便可完成组适宜配。2.5.1 旋转关节设计机械臂基础单元有旋转关节和俯仰关节，其结构含有相同性，本文关键介绍旋转关节设计。旋转关节包含有电机、减速器、编码器、制动器和其它附件，本文使用步进电机直连谐波减速器驱动方法，使用限位微动开关确定机械臂初始定位零点，以计步进电机已发脉冲数为关节相对旋转角度参考，是一个开环运动控制系统，动力传输链路为：电机-波发生器-柔轮-刚轮输出轴。机械臂旋转关节模块在运行过程中会受到来自机械臂末端弯矩，所以需要对输出轴做轴向和径向卸荷，降低输出轴负载，确保系统刚度，延长使用寿命。通常来说，一根轴需要两个支点，每个支点由一个或一个以上轴承组成，每组轴承间有以下三种常见配置方法。1、双支点各单向固定这种轴承配置常见两个反向安装圆锥滚子轴承或角接触球轴承，两个轴承各限制轴向一个方向轴向移动。这种配置方法轴向移动限制比较正确、也便于调整轴承预紧程度。另外深沟球轴承也可用于双支点各单向固定，经过调整外壳和轴承端盖端面厚度来赔偿轴受热伸长，所以这种配置方法不适合需要对轴做正确轴向定位场所。2、一支点双向固定，另一端支点游动对于热伸长量较大轴，这种轴通常跨距较大且工作温度较高，应该采取一支点双向固定，另一支点游动支撑结构。其双向固定端需要使用能承受双向轴向载荷轴承，内外圈全部需要固定。3、两端游动支撑对于人字齿轮轴，因为本身含有相互间轴向限位作用，其中只需确保一根轴和机座有相对固定轴向位置，另一根轴上两个轴承必需游动，预防人字齿轮卡死或两侧受力不均匀。本文将采取一支点双向固定，另一端支点游动方法组合成卸荷轴承组，其中双向固定端使用深沟球轴承，游动端使用滚针轴承。其中腰关节使用型号为 HRB 61809-2Z、SKF HK5020，肘关节旋转使用型号为 HRB 61806-2Z、SKF HK3512。2.5.2 旋转关节设计各运动轴基于模块化设计，设计时已考虑各运动轴联接，使用简单金属板件便能将各运动轴连接可靠，并含有一定刚度。本文各运动轴均为法兰端面输出，和金属板材间经过螺钉联接固定，依靠金属板和法兰端面摩擦力传输扭矩到金属板材。图 2-11 为肩关节联接金属板材机械加工工程图：图2-10 肩关节联接金属板2.5.3 抓手设计一款通用型机械臂应该含有抓取多个物体能力，也为某一目标物体专门设计一款抓手，所以在设计机械臂臂体和机械抓手时，需要设计一个合理联接结构，方便机械抓手能够快速更换。机械抓手在抓取物体时需要保持一定夹持力，本文将使用舵机为机械手爪提供动力，舵机在旋转到位后能连续提供一定扭矩以保持夹持状态。使用舵机型号为 TowerPro MG945 全金属齿舵机，表2-5舵机型号及相关参数型号舵机类型机械尺寸（mm）扭力工作电压工作死区MG945模拟舵机40.7*19.7*42.912kg/cm(6V)4.8-6V5us图2-12 为和机械抓手配合臂体联接结构。同理只要末端实施器设计为可和该联接结构配合，即可实现更换，以完成对不一样物体抓取任务。图2-11 机械臂实施器联接结构3机械臂软件系统设计整个机械臂控制系统软件包含主计算机监控软件和各关节控制器软件。主计算机接收目标位姿数据,完成路径计划算法。另外，主计算机要实时读取关节控制器反馈数据，统计机械臂目前位姿,并显示在屏幕上。不仅直线运动、点到点运动、复位动作完成需要主计算机监控软件协调，而且像各关节绝对位置确实定过程、各关节运动范围是否越界也必需由主计算机实时参与,立即做出决议。主计算机还要提供给用户友好人机交互界面，方便于用户输入多种命令，存放设置好参数，许可数据以表格或曲线等形式导出。3.1 关节控制器软件设计3.1.1 PID控制算法关节控制器TMS320LF2407来实现，完成电机位置环控制和速度环控制，图3-1所表示。位置环控制周期设为2ms，速度环控制周期也设为2ms。因为采取了速度环，系统动态性性能能够得到显著提升。两个闭环全部采取积分分离PD控制，依据实际调试情况，能够对控制律进行合适化简。零位霍尔靠近开关在系统上电时用于较粗略确实定电机绝对位置，再结合增量编码器Z通道信号，就能够较正确确实定出电机绝对位置。主计算机路径计划求得目标位置，应该换算成增量码盘脉冲数后，再发给关节控制器。关节控制器利用它和从增量编码器实际测得脉冲数进行比较，利用积分分离PID算法求解位置环控制量。3.1.2 关节控制器程序步骤主程序步骤图如3-2所表示：图3-1 主程序步骤图寄存器初始化操作关键包含：设置CPUCLK为外部晶振2倍频，即16MHZ；设置串口通讯波特率为：38.4kbPs；设置定时器/计数器相关寄存器；设置QEP电路单元相关寄存器；设置中止控制寄存器等等。串口数据接收中止服务程序步骤图如3-3所表示。在中止服务程序中，读取数据接收寄存器中数据，存入数据接收区，而并不作任何深入分析和处理。数据接收区是内存中临时存放数据区域，当存满一条完整指令信息后，由主程序分析和处理。图 3-2 串口数据接收中止服务程序步骤图控制周期2ms定时中止服务程序步骤见图3-4。定时器/计数器3为位置环和速度环控制周期定时2ms，每3ms进入定时中止服务程序一次，读取位置反馈值和速度反馈值，进行积分分离PID运算,最终输出给DA转换成模拟量。每一个插补周期(50ms)，主计算机向关节控制器发送一次运动计划后目标位置。该目标位置是以增量编码器信号四倍频后脉冲数为单位，以前一次目标位置作为脉冲计数零点，所以，关节控制器在读取新目标位置后，也应该以前一次目标位置作为新增量码盘脉冲计数零点，测量实际电机位置，和新目标位置比较、运算。主计算机依据需要能够查询目前电机运行实际位置，关节控制器返回位置则是关节角绝对位置，单位是0.1度。图3-3 控制周期定时中止服务服务程序步骤图4 结束语本文提出了一套机械臂结构方案。硬件上，对机械臂构型、臂杆长度、电机、驱动器、减速器、传感器和主控制器进行了选型。而且对机械臂进行了模块化设计，其中包含旋转关节设计、连接件设计和抓手设计。软件方面设计了DSP关节控制器，实现了电机位置和速度闭环控制。基于RS485总线和DSP分布式控制体系结构，含有高速、稳定、可靠、易于维护等优点，适合于六自由度机械臂实时控制。5 参考文件1 王罗罗. 机械臂结构设计及控制研究D. 哈尔滨工业大学, .2 招绍坤. 轻型机械臂模块化设计和运动控制研究D. 哈尔滨工业大学, .3 王再明. 轻型臂电控系统研究D. 哈尔滨工业大学, .4 方红根，杨军. 基于模块化关节轻型机械臂研制J. 上海电气技术, .5 濮良贵. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，：186-273.6 李世其, 刘洋, 朱文革 ,刘燕, 贾阳. 多关节轻型机械臂设计研究J. 航天器工程, .7 刘宝志. 步进电机正确控制方法研究D. 山东大学, .8 雷凯. 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