2021年機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)歐陽(yáng)光明(2021.03.07)1引言近年來(lái)，隨著制造業(yè)在我國(guó)的高速成長(zhǎng)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也獲得了迅速的成長(zhǎng)。根據(jù)負(fù)載的年夜小可以將機(jī)械臂分為年夜型、中型、小型三類。年夜型機(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)的不竭成長(zhǎng)，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)，甚至研收回更為輕巧的控制箱，可以在工作區(qū)域隨時(shí)移動(dòng)，這樣年夜年夜便利了工作人員的操縱。在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中最罕見的是六自由度的機(jī)械臂。它是由6個(gè)自力的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串連形成的一種工業(yè)機(jī)器人，每個(gè)關(guān)節(jié)都有各自自力的控制系統(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)器人具有一定命量的自由度。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。為了使裝置在雙輪自平衡機(jī)器人上的機(jī)械臂能夠具有完善的功能，能夠完成龐雜的任務(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)呈現(xiàn)冗余問題。在確定自由度后，就可以合理的安插各關(guān)節(jié)來(lái)分派這些自由度了。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。采取這種辦法設(shè)計(jì)的機(jī)械臂可以認(rèn)為是由定位結(jié)構(gòu)及其后面串連的定向結(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)都采取簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)連桿轉(zhuǎn)角為0或90°的形式，連桿長(zhǎng)度可以不合，可是連桿偏距都為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)*歐陽(yáng)光明*創(chuàng)編2021.03.07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，不克不及滿足本文對(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)械臂投影面積較年夜，工作空間小；極坐標(biāo)方法需要線性移動(dòng)，機(jī)械臂如需較年夜的工作空間，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)度簡(jiǎn)直定機(jī)械臂的臂桿設(shè)計(jì)如表21所示：表21機(jī)械臂臂桿長(zhǎng)度臂體名稱年夜臂L1小臂L2機(jī)械手長(zhǎng)度（mm）5505001502.3機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)計(jì)劃為了便于機(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)使用機(jī)電直接連接減速器，減速器連接臂體連接結(jié)構(gòu)。圖21是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力傳遞計(jì)劃。圖21關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)力傳遞計(jì)劃使用這種聯(lián)接方法因中間零件少，故形變量與回程間隙都較小，且能堅(jiān)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)的靜態(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)辦法和動(dòng)力學(xué)辦法計(jì)算機(jī)器人的動(dòng)力參數(shù)，速度較低的機(jī)械，在運(yùn)行過程中，慣性引起的動(dòng)載荷較小，一般使用靜力學(xué)辦法，忽略C和F的影響。而對(duì)運(yùn)行速度較高機(jī)械，其動(dòng)載荷也較年夜，即C項(xiàng)的影響較年夜，甚至超出靜載荷；且粘滯摩擦也較年夜，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)要求是一款可以裝置在全向移動(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)采取靜力學(xué)辦法。圖22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22所示，使用靜力學(xué)辦法計(jì)算關(guān)節(jié)所受力矩的最年夜值。六自由度機(jī)械臂三維靜態(tài)仿真圖如圖23所示：圖23三維靜態(tài)仿真圖2.4.2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電的選型機(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)。機(jī)電驅(qū)動(dòng)目前機(jī)械臂上使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方法是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，它利用各種機(jī)電產(chǎn)生的力和力矩，直接或通過機(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，且電源便利，所以在機(jī)器人中獲得了廣泛的應(yīng)用。液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率密度年夜。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。由于液壓油液的不成壓縮性，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)過載呵護(hù)，舉措平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動(dòng)、防爆性好。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)是氣源便利、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、維修便利。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)方法為機(jī)械臂提供動(dòng)力，步進(jìn)機(jī)電為驅(qū)念頭電。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)機(jī)電為驅(qū)念頭電為機(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)傳念頭構(gòu)組合方法，應(yīng)在驅(qū)念頭電和機(jī)械臂關(guān)節(jié)間裝置減速器做扭矩適配，降低輸出軸的速度，增年夜輸出扭矩。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)機(jī)電適配。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，因而承載能力年夜，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，而整體體積變更較小。2、蝸輪蝸桿減速器蝸輪蝸桿減速器的傳動(dòng)比年夜，一般為1080，也可以達(dá)到80以上。另外，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，平安性高。3、諧波減速器波產(chǎn)生器，柔輪，剛輪是諧波減速器的三年夜部分，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)承載力年夜，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)柔輪資料有較高的強(qiáng)度要求，工藝龐雜。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)功率規(guī)模和速度規(guī)模年夜，廣泛用于各種儀器儀表中，但其制造和裝置精度要求高，高減速比時(shí)結(jié)構(gòu)較為龐雜，體積一般較年夜。綜上，初步去確定使用諧波齒輪減速器，減速比年夜，傳動(dòng)精度高，體積小巧，輸入軸與輸出軸軸線重合，可很便利地與步進(jìn)機(jī)電組合裝置成為機(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)。本文將采取HarmonicDriveCSFmini系列組合型諧波減速器，其中腰關(guān)節(jié)采取型號(hào)為CSF141002XHF；肘關(guān)節(jié)俯仰和肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)采取CSF111002XHF，腕俯仰采取CSF81002XHF。2.4.4機(jī)電驅(qū)動(dòng)器的選型雖然步進(jìn)機(jī)電廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，但步進(jìn)機(jī)電其實(shí)不克不及像普通的直流機(jī)電那樣通過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，將直流電釀成分時(shí)多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)機(jī)電供電，步進(jìn)機(jī)電才干正常工作。罕見的有單片機(jī)I/O直接控制，步進(jìn)機(jī)電驅(qū)動(dòng)芯片、運(yùn)動(dòng)控制卡。1、單片機(jī)I/O直接控制方法使用單片機(jī)內(nèi)部的鎖存器、計(jì)數(shù)/按時(shí)器，和并行I/O接口，可*歐陽(yáng)光明*創(chuàng)編2021.03.07以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)機(jī)電的控制，脈沖環(huán)形分派器的功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完成，通過軟件中斷方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)機(jī)電的變速控制，修改通電順序則可修改轉(zhuǎn)向。2、步進(jìn)機(jī)電專用驅(qū)動(dòng)芯片步進(jìn)機(jī)電專用驅(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)機(jī)電；STEP為脈沖輸入，輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)機(jī)電產(chǎn)生微動(dòng)；DIR為標(biāo)的目的，修改DIR邏輯電平即可換向。3、運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)控制通過計(jì)算機(jī)可直接控制步進(jìn)機(jī)電，運(yùn)動(dòng)控制卡是專用于步進(jìn)機(jī)電控制的PC插卡，是應(yīng)對(duì)龐雜系統(tǒng)的控制而呈現(xiàn)的，一般可同時(shí)控制十幾臺(tái)甚至幾十臺(tái)步進(jìn)機(jī)電的運(yùn)動(dòng)，一般價(jià)格很高。綜上，本設(shè)計(jì)將使用步進(jìn)機(jī)電專用驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)機(jī)電。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)機(jī)電專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，其他軸選用A4988微步驅(qū)動(dòng)器。表23步進(jìn)機(jī)電驅(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THB712840VDC±3.3A4085(°C)半流鎖定1128(8種)A498835VDC±2A2085(C)無(wú)116(5種)2.4.5傳感器的選型本文將使用步進(jìn)機(jī)電和諧波齒輪減速器為機(jī)械臂提供動(dòng)力，步進(jìn)機(jī)電只需要通控制驅(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)機(jī)電以細(xì)分后的步距角為基本單位進(jìn)行定位。以兩相機(jī)電為例，其步距角為1.8°，使用1/16細(xì)分方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，那么每給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖步進(jìn)機(jī)電轉(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)算方法與上式相同。本文使用限位開關(guān)的型號(hào)為Omron微動(dòng)開關(guān)SS5擺桿型限位開關(guān)。表24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SS51.47N1C（雙投型）±0.5mm85°2.4.6下位機(jī)的選型對(duì)機(jī)器臂控制，需要對(duì)多臺(tái)機(jī)電進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。為了實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)電之間的通信和控制，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)控制單位間的數(shù)據(jù)交換。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的散布式控制技術(shù)能夠解決這些問題。但罕見的散布式控制系統(tǒng)又有USB總線，SERCOS總線，RS485總線和CAN總線等這幾種。本設(shè)計(jì)將采取RS485總線來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的散布式控制。本設(shè)計(jì)選用了TI公司的2000系列DSPTMS320LF2407作為控制單位。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JTAG接口可以便利的對(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80mA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，芯片自己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)模塊電路的方法辨別介紹控制器硬件電路。⑴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(hào)。管角5,6通過濾波電容輸出作為2407的供電電壓（3.3V）。如圖25。圖24電源電路⑵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，夕卜部時(shí)鐘電路和鎖相環(huán)電路如圖26所示。圖25時(shí)鐘電路⑶JTAG接口電路仿真接口電路如圖27所示.目標(biāo)條理的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*歐陽(yáng)光明*創(chuàng)編2021.03.07兩個(gè)TI擴(kuò)展口(EMU0、EMU1)。JTAG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拜訪并提供仿真功能。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26JTAG電路外接SRAM電路TMS320LF2407最多可尋址64K的外部法度空間和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可用作法度存儲(chǔ)器，但在開發(fā)階段使用Flash作為法度存儲(chǔ)器極為便利，因?yàn)槊恳淮畏ǘ鹊男薷亩夹枰獙?duì)Flash進(jìn)行清除、擦除和編程操縱，并且進(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)充法度RAM。這里用的是CY7C1021V33芯片，它是64K*16bit的SRAM，存取時(shí)間為15ns，故不需要拔出等待周期，可包管系統(tǒng)全速運(yùn)行。圖28為外接SRAM擴(kuò)展電路圖。圖27SRAM擴(kuò)展電路圖編碼器處理電路增量式編碼器信號(hào)處理電路如圖29所示。圖28增量式編碼器信號(hào)處理電路霍爾接近開關(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210，提供電壓為5V，由于輸出采取了集電極開路門，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達(dá)到一定規(guī)模以內(nèi)時(shí)，輸出低電平，不然輸出高電平，不需要外接放年夜電路。一套關(guān)節(jié)控制器將采取3支霍爾接近開關(guān)。HALL1、HALL2辨別固定在關(guān)節(jié)控制器運(yùn)動(dòng)的極限位置，其信號(hào)通過IOPE5、IOPE6不竭查詢。HALL3用于絕對(duì)零位檢測(cè)，采取中斷的方法。圖29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)械臂的年夜小臂體和關(guān)節(jié)在整個(gè)機(jī)械臂中具有高度的相似*歐陽(yáng)光明*創(chuàng)編2021.03.07*歐陽(yáng)光明*創(chuàng)編2021.03.07性，同時(shí)機(jī)械臂是機(jī)電一體化的典范，其主體結(jié)構(gòu)和聯(lián)接結(jié)構(gòu)都有一定的龐雜性，而采取模塊化設(shè)計(jì)思想，可以一定水平上簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，只需對(duì)不合的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行少量修改即可完成組合適配。2.5.1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)機(jī)械臂的基本單位有旋轉(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)包含有機(jī)電、減速器、編碼器、制動(dòng)器以及其他附件，本文使用步進(jìn)機(jī)電直連諧波減速器的驅(qū)動(dòng)方法，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)機(jī)電已發(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：機(jī)電波產(chǎn)生器柔輪剛輪一輸出軸。機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊在運(yùn)行過程中會(huì)受到來(lái)自機(jī)械臂末真?zhèn)€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，包管系統(tǒng)的剛度，延長(zhǎng)使用壽命。一般來(lái)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經(jīng)常使用的配置辦法。1、雙支點(diǎn)各單向固定這種軸承配置經(jīng)常使用兩個(gè)反向裝置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)標(biāo)的目的的軸向移動(dòng)。這種配置方法軸向移動(dòng)限制比較精確、也便于調(diào)整軸承的預(yù)緊水平。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(lái)賠償軸的受熱伸長(zhǎng)，因而這種配置方法不適合需要對(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)熱伸長(zhǎng)量較年夜的軸，這種軸一般跨距較年夜且工作溫度較高，應(yīng)該采取一支點(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接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)人字齒輪軸，由于自己具有相互間的軸向限位作用，其中只需包管一根軸與機(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)，避免人字齒輪卡死或兩側(cè)受力不均勻。本文將采取一支點(diǎn)雙向固定，另一端支點(diǎn)游動(dòng)的方法組合成卸荷軸承組，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HRB618092Z、SKFHK5020,肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)使用型號(hào)為HRB618062Z、SKFHK3512。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211為肩關(guān)節(jié)聯(lián)接金屬板材機(jī)械加工工程圖：圖210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)需要堅(jiān)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)到位后能繼續(xù)提供一定的扭矩以堅(jiān)持夾持狀態(tài)。使用舵機(jī)型號(hào)為TowerProMG945全金屬齒舵機(jī)，表25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*42.912kg/cm(6V)4.86V5us圖212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)不合物體的抓取任務(wù)。圖211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)軟件包含主計(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)控制器的反響數(shù)據(jù)，記錄機(jī)械臂的以后位姿,并顯示在屏幕上。不但直線運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、復(fù)位舉措的完成需要主計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件協(xié)調(diào)，并且像各關(guān)節(jié)絕對(duì)位置簡(jiǎn)直定過程、各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)模是否越界也必須由主計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)介入，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，便利于用戶輸入各*歐陽(yáng)光明*創(chuàng)編2021.03.07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)3.1.1PID控制算法關(guān)節(jié)控制器TMS320LF2407來(lái)實(shí)現(xiàn)，完成機(jī)電的位置環(huán)控制和速度環(huán)控制，如圖31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。由于采取了速度環(huán)，系統(tǒng)的靜態(tài)性性能可以獲得顯著提高。兩個(gè)閉環(huán)都采取積分別離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)用于較粗略簡(jiǎn)直定機(jī)電的絕對(duì)位置，再結(jié)合增量編碼器的Z通道的信號(hào)，就可以較精確簡(jiǎn)直定出機(jī)電的絕對(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，利用積分別離PID算法求解位置環(huán)的控制量。3.1.2關(guān)節(jié)控制器法度流程主法度的流程圖如32所示：圖31主法度流程圖寄存器初始化操縱主要包含：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)置按時(shí)器/計(jì)數(shù)器相關(guān)寄存器；設(shè)置QEP電路單位相關(guān)寄存器；設(shè)置中斷控制寄存器等等。串口數(shù)據(jù)接收中斷辦事法度流程圖如33所示。在中斷辦事法度中，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)，而其實(shí)不作任何進(jìn)一步闡發(fā)和處理。數(shù)據(jù)接收區(qū)是內(nèi)存中暫時(shí)寄存數(shù)據(jù)的區(qū)域，當(dāng)存滿一條完整指令信息