机械臂控制系统的设计

机械臂控制系统的设计

1 引言

近年来，随着制造业在我国的高速发展，工业机器人技术也得到了迅速的发展。根据负载的大小可以将机械臂分为大型、中型、小型三类。大型机械臂主要用于搬运、码垛、装配等负载较重的场合；中小型机械臂主要用于焊接、喷漆、检测等负载较小的场合。随着国外工业机器人技术的不断发展，尤其是一些中小型机器人，它们具有体积小、质量轻、精度高、控制可靠的特点，甚至研发出更为轻巧的控制箱，可以在工作区域随时移动，这样大大方便了工作人员的操作。在工业机器人的应用中最常见的是六自由度的机械臂。它是由6个独立的旋转关节串联形成的一种工业机器人，每个关节都有各自独立的控制系统。

2机械臂硬件系统设计

2.1 机械臂构型的选择

要使机器臂的抓持器能够以准确的位置和姿态移动到给定点，这就要求机器人具有一定数量的自由度。机器臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。为了使安装在双轮自平衡机器人上的机械臂能够具有完善的功能，能够完成复杂的任务，将其自由度数目定为6个，这样抓持器就可以达到空间中的任意位姿，并且不会出现冗余问题。在确定自由度后，就可以合理的布置各关节来分配这些自由度了。

由于计算数值解远比封闭解费时，数值解很难用于实时控制，这样，后3个关节就确定了末端执行器的姿态，而前3个关节确定腕关节原点的位置。采用这种方法设计的机械臂可以认为是由定位结构及其后面串联的定向结构或手腕组成的。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：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。

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

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。

图2-2 机械臂受力简图

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：

图2-3 三维静态仿真图

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