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基于模块化机械臂关节设计及其输出特性研究摘要分析了机械臂关节细化模型,提出了一种包含有关节运动误差的机械臂关节的迟滞模型。分析了关节的输出特性,研究了存在运动误差和迟滞的原因。根据对机械臂关节输出特性的研究,完成了对关节运动误差以及关节迟滞的建模。在仿真软件中搭建仿真实验模型,对建立的模型进行仿真实验研究。结果表明:该模型体现出实际关节的特性,为基于模型的控制提供了理论依据。为验证论文所研究的机械臂关节输出特性理论的正确性,为验证本论文提出的包含关节运动误差的迟滞模型的正确性,建立关节特性验证实验平台。设计关节特性实验接口件,搭建实验平台。设计验证实验,并在实验平台上完成了机械臂关节运动误差、关节迟滞的实验,验证了机械臂关节运动误差以及关节迟滞的理论的正确性,所建模型的正确性。关键词:模块化,空间机械臂,关节建模,运动误差,迟滞DESIGN AND EXPERIMENT RESEARCH OF A FLEXIBLE INCHWORM PIPE ROBOTABSTRACTBased on the subject of mission requirements, I have detailed analyzed the manipulator of the model and the output characteristics of the joint, proposed a new model contains the relevant section of the hysteresis error of manipulator joint movement, researched the causes of the existence of motion errors and hysteresis. According to the study of characteristics of manipulator output, I have completed the modeling of joint movement and joint hysteresis error. In simulate software, I have built a simulation model and conducted research on model simulations. The results showed that: the model reflects the actual characteristics of the joint, which provided a theoretical basis for the model-based control. To verify the correctness of the thesis research output characteristics manipulator theory and the correctness of the model include joint motion hysteresis error which was proposed in this paper, I have built the experiment platform of the characteristics of the joint verification, designed the joint interface parts and the experimental platform. At last, I designed the verification test and completed the manipulator error and hysteresis joint experiments on experimental platform. And I have verified the correctness of theory of the joint hysteresis error, as well as the model built.Key Words: modular, space robotics, joint modeling, dynamic error, hysterics第1章 绪 论1.1 引言随着现代科学技术的发展,模块化机械臂技术得到不断的提高,模块化机械臂的应用领域也在不断的扩展,人们希望模块化机械臂能够更加灵活地适应不同的工作环境,完成越来越复杂的工作、任务1。模块化机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块化关节组成,可以快速装配出适应不同工作任务的机械臂2。模块化机械臂关节至今为止仍然没有一个完整的、统一的定义,但是如今所有的定义都包括有以下几点:(1)是可控的、含多传感器的标准化模块;(2)在各模块间具有统一的机械和电气接口;(3)模块可用于传递运动、能量、力矩,可以进行通信;(4)通过对模块进行不同连接断开操作来改变机械臂的整体构型;(5)通过改变构型,可使机械臂适用于不同的任务3。模块化机械臂能够根据不同的工作任务,运用不同的模块以快捷的方式搭建而成。可根据不同的任务需求搭建成不同的机械臂系统,来适应不同的工作环境以及应用场合,提高机械臂系统的完成任务的工作能力和系统的工作效率4。由于具有超强的适应能力以及方便快捷的重构特性,模块化机械臂在实验研究、军事等各种极限环境中都发挥着极其重要的作用。尤其是在航天领域内,由于太空环境的复杂化、空间任务的多样化,机械臂的需要完成的动作越来越多、越来越复杂,因此对模块化机械臂关节的性能的要求也越来越高。模块化机械臂关节是模块化机械臂基础的组成部件,是模块化机械臂最重要的部分,机械臂关节的重量、尺寸以及性能对机械臂系统的性能有着最直接的影响。随着控制系统以及机械加工等技术的不断的进步,模块化关节也在不断的发展中,模块化关节呈现出了精度越来越高、反应越来越灵敏、小型化、智能化、力矩输出增大化等发展趋势,以适应不断发展变化的机械臂的应用需求5。机械臂的模块化是未来机械臂发展的一个重要的研究方向,在以后的生活、科研等领域中,机械臂将会在各个方面为人类服务,而机构简单、可靠性强、适应性高、方便组装及维护成本低廉的模块化机械臂无疑会具有更加实际的应用价值。本文设计研制出一种应用在地面模拟实验平台的四自由度模块化机械臂。该机械臂由高集成度、高精度的模块化关节构成。对该模块化关节的整体结构的优化与系统的集成进行深入研究和探讨,并对关节的整体输特性进行分析与研究,为模块化关节的控制及路径规划等提供一定的参考。1.2机械臂关节研究现状国外科研机构对模块机器人的研究起步较早,研究也比较的深入,取得了很大的研究成果。美国卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)机器人研究所于1988年研制了 RMMS机器人,国外的研究机构陆续研制出了多种高性能的、用途多样的、形式不一的模块化机器人。国外第一台可重构机器人为模块化机械手系统(RMMS) 6,7。RMMS中的各组成部分由系统统一控制,控制方法是分布控制各组成部分硬件。系统中的模块内部包括:动力源、传动装置、感知装置和统一的接口等。研制RMMS的目的是想研制出拥有多类型、多用途的可用的机械手模块结构。系统共6种不同类型的模块:基座模块、连接模块、一种自旋转关节模块和三种旋转关节模块。其中连接模块和基座模块是固定模块,而关节模块则属于可动模块,每个都仅有一个自由度。如图1-1为RMMS关节模块实物图。RMMS能够使模块化机器人在机械结构上可根据不同任务进行重新构型,而且各个模块可以通过接口轻松的连接到其他的模块上。在机械连接建立的一瞬间,电信号也会随之机械连接的建立而建立。链式模块化机器人通过多个模块之间的连接组合成链式或树状结构,可用作机械臂进行操作也可用作生物模拟操作。学者们对这类模块化机器人研究比较多,其中具有代表性的有PolyBot8、CKbot9。PolyBot型机器人是由美国的Palo Alto研究所(PARC)设计完成的。PolyBot包含有两种基本模块,分别为:主动模块和节点模块。其中主动模块具有两个模块接口。节点模块则是刚性的立方体,它的六个面都具有可连接功能的接口,但是该模块本身却不具备运动能力10。模块采用锥形孔式连接机构,利用线圈驱动连接机构内部的旋转卡板旋转锥销上的环形槽来实现模块之间的锁紧和断开操作11,通过对这两种模块的连接组合,可以组织成不同机械结构的机器人。PolyBot还可以搭建不同的实验平台,对不同的机器人技术进行研究。Yim12等人在PolyBot平台的基础上开展了多种机器人技术的研究,并且取得了显著的研究成果。CKbot是Pennsylvania大学研制的模块化机器人,该型机器人中的各模块通过CAN总线进行通讯,采用分布式的控制方法,并且配有红外线收发装置。CKbot具有较强的自组装、容错、构型识别等能力。这两种机器人模块如图1-2.1-3所示:日本的 AIST 研究所设计了 M-TRAN13 (Modular Transformer)机器人属于混合自重构模块化机器人。M-TRAN模块化机器人如图1-4所示:系统的模块由两个半圆柱型的机构连接而成,利用电机来驱动两个机构进行运动,通过形状记忆金属和永磁铁来实现两个模块之间的连接和断开,在模块内部通过行一个的触电进行通信。模块不具备三维空间的对称性,通过模块之间不同的组合方式进行自重构。模块两端的连接面不相同,因此作用也就不同,导致模块通用性变差。M-TRAN模块化机器人如图1-4所示。Toronto大学的学者们研制出了 MRS型模块化机器人14。整个系统中的关节模块包括有转动关节模块、移动关节模块以及腕部关节模块等三种模块。学者们对该系统的运动学模型进行了深入的研究。学者们还研制了另外一种模块化机械人系统, IRIS机器人系统。该系统是可进行重构的模块化的机器人系统。系统机构包含有2个4自由度机器人, 每个机器人均为可通过重构构成新的机器人系统。这些机器人由转动关节构成, 每个关节由单独的直流伺服电机驱动,并且配备有力矩、位置等传感器。Stuttgart15大学研制出的模块化机械臂由连杆模块和多自由关节模块组成,每个多自由度的关节模块都由交流伺服电机驱动,由差动齿轮进行减速和传动的。由于机械结构的设计,使得模块之间的连接非常简单易行16。在数据库文件中存有该型模块化机械臂的构型设计程序,通过选择不同的连杆模块和关节模块,可以组装成特定任务需要的不同的操作臂。Texas大学研制出了更加细化的模块化机器人。该机器人系统根据模块的不同作用将模块分成了3种不同的关节模块,分别为:肩关节和腕关节模块、肘关节模块以及指关节模块。3种模块由于具有不同的作用,因此具有不同的机械结构。肩关节和腕关节模块是为了给机械臂提供全方位动作的能力,因此具有3个自由度。財关节只需要给机械臂提供一个可以使机械臂收缩和展开功能,所以肘关节具有1个自由度。指关节作为机械臂的末端执行器需要灵活的完成各种动作,因此,指关节具有两个自由度。该机器人采用的基于关节功能的以及元件的设计方法,使得机器人的不同关节的模块在具有不同的机械结构。学者们根据不同的形状以及尺寸,对机械臂的各个连杆模块进行了设计。模块化机械臂在航天领域运用时非常广泛的,多国在轨机械臂都是这一类型。最典型的是国际空间站中美国船段的美国航天局和加拿大航天局联合研制机械臂系统MSS。该系统由一个灵巧的操作臂SPDM和一个空间站遥操作系统SSRMS组成。每个关节都有很强的互换性,可完成在轨更换。关节内部有两套控制系统和驱动系统,可互相备份,每个关节都具有标准的机械和电气接口。如图1-5所示:德国宇航中心(German Aerospace Center, DLR)开展了轻型机械臂在轨验证项目ROKVISS的研制17,于2005年1月安装在俄罗斯服务舱段的船夕卜, ROKVISS系统的核心组件是二自由度的轻型机械臂操作系统。如图1-6为德国宇航中心DLR的ROKVISS。1.3 输出特性研究现状早期为了研究空间机械臂的动力学特性,学者们往往会采用简化模型来描述机械臂关节的动力学特性19。但是随着机械臂越来越广泛的应用,对机械臂关节的控制精度的要求也就越来越高。传统的简化关节模型由于都是在假设关节变形小的情况下提出的20、而且只适用与刚性较高、传动较为简单的机械臂关节,已经不能适用于现在的需求。因此,学者们对机械臂关节的模型进行细化建模,来满足控制对模型的需求。细化模型是指在对空间机械臂关节建模的过程中将机械臂关节内部的摩擦、柔性、非线性等因素都考虑在内的建模方式。关节的迟滞模型是关节细化模型的重要组成部分,对正确的表示出关节的特性有着重要的意义。准确的关节迟滞模型对机械臂关节的控制补偿精度有着重要的意义。关节的迟滞是指的输出力矩滞后于输入轴与输出轴夹角的输入输出的关系21。Huang等22以分段线性化的形式近似的表达出了谐波的非线性滞回刚度,证明非线性滞回刚度对关节有重要的影响。Dhacmad23等建立了迟滞的微分方程形式的模型,该模型考虑了关节迟滞的记忆特性,但是由于没有考虑关节迟滞的非局部记忆特性,而使得该模型表达不够准确。Magnani24等利用关节的实验共振频率反推出刚度值,实验复杂,由于受到精度的影响,因此准确性难以保证。Ruderman25等通过去工业机械臂的研究建模,应用了 Preisach模型对关节迟滞进行了较为准确的建模,但是由于Preisach模型计算过程复杂,该模型很难应用到实际控制补偿中。HD Systems, Inc26公司的产品说明书中建议用分段线性化来描述谐波传动的关节迟滞中的非线性刚度,该方法用在关节中由于其他因素的干扰而不能准备表示出关节的真实特性。因此,为了适应机械臂关节控制的越来越高的需求,对装有谐波减速器的空间机械臂关节进行研究,并建立合适的关节迟滞模型。1.4 模块化设计在机械设计中的应用模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合可以构成不同的产品,以满足市场不同需求的设计方法27,28。模块化设计中的模块有以下特点:(1)每个模块具有相对的独立性,在设计、加工、组装、调试阶段可以独立完成;(2)每个模块具有较强的互换性,模块的接口部件具有标准化的特点,在实际运用中可以实现互换29,30。近年来,模块化设计在机械设计中得到了越来越广泛的应用。在机械设计中通过准确的模块化划分,可以将整体的机械设计分割成若干个机械模块,进而简化机械的设计过程。在进行模块化机械设计时要注意各个模块之间的装配问题。因此为了保证运用不同的模块时机械能够正常工作,需要保证模块的可更换性。则在进行模块机械设计时需要为每个模块的接口进行标准化的设计。运用模块化的设计方法,在设计中通过划分组合的方式来完成整个机械的设计、加工、组装、调试等工作,不仅有利于提高设计的设计效果,而且能降低机械设计的成本,从而提高整体设计的科学性,对促进机械设计的顺利进行具有非常重要的意义31。第二章 模块化关节设计2.1 关节特点分析通过分析已有机械臂关节的特点,本文设计的机械臂关节需要具有以下主要特点:1)机械臂关节需要具有稳定的动力系统和可靠、高效的传动系统。本文中采用分体式直流永磁无刷伺服电机作为关节的动力源,利用短轴柔轮杯型谐波减速器作为关节的减速装置。这两部分构成机械臂关节的传动装置,该装置具有单级输出扭矩大、总体质量轻、传动精度高等特点。2)机械臂关节需要具有高精度的控制能力。本研究中的关节内部装有旋转编码器、旋转变压器等测量装置,利用这些装置可以精确的测量出机械臂关节的实时姿态以及机械臂关节旋转的角度、角速度等数值,通过这些数值的反馈改变机械臂的控制策略,完成对机械臂关节的精确控制。3)机械臂关节需要高度的集成化。本研究中的机械臂关节的外部直径为100mm,内部集成了多种零部件,分别为:分体式直流无刷伺服电机、短轴柔轮杯型谐波减速器、增量式光电编码器、旋转变压器、关节驱动器、高精度的深沟球轴承等。4)机械臂关节要具有标准化的、统一的机械与电气接口,具有良好的互换性。本研究中的关节釆用了模块化关节的设计思想,机械臂关节的外部接口釆用了标准化的设计,具有一致的机械接口。同时外部也具有标准的统一的电气连接接口。使机械臂关节具有良好的互换性。5)机械臂关节采用相同的实时串行通讯总线结构。机械臂关节采用CAN总线通讯,便于机械臂关节的电气连接与控制。2.2机械臂关节的结构设计本文中的机械臂系统由4个单自由度机械臂关节、1个手爪、2个碳纤维臂杆组成。机械臂主要实现按照中央控制器的指令,以所要求的精度控制关节运动的功能。机械臂关节控制主要有两种工作控制模式:1)角度控制模式;2)角速度控制模式。根据机械臂的总体构型设计,本文中的机械臂具有两种不同的机械臂关节,分别可以使机械臂臂杆在平行于实验平台的平面内运动,以及使得手爪可以在垂直于实验平台的平面内进行旋转运动。整个机械臂系统由两种不同的机械单关节组成,分别为:直角型单关节和直线型单关节。这两种关节内部选择的各种元器件基本上相同,而且具有相同的外部机械与电气接口,因此可以通过简洁的方式连接起来。2.2.1机械臂单关节的组成及功能本文中的机械臂关节由于所在位置以及功能的不同设计有两种不同的外形,分别为直角型单关节和直线型单关节。本文中的四自由度机械臂关节分为肩部关节、肘部关节、腕部关节三个部分。根据模拟实验的要求,以及地面气浮实验平台的要求可知,肩部与肘部的机械臂单关节只需要提供一个自由度。这两部分的关节只需要提供机械臂在平行于实验平台的平面内的转动就可以。机械臂的腕部关节的作用是:1)在平行于实验平台的平面内转动;2)控制机械臂末端手抓的姿态。因此,机械臂的腕部关节需要提供两个转动,分别是在平行于实验平台平面内转动和在垂直于实验平台平面内转动。为了提高整个机械臂系统中的各种关节的互换性,按照模块化关节的设计方法,这两种机械臂关节内部核心模块具有以下几个相同点:1)可以提供一样的驱动力矩和同样的传动精度。两种机械臂关节的内部选用相同的分体式电机、短轴谐波减速器。2)可以达到同样的控制精度,完成同样精度的任务。两种关节内部选用相同的测量元器件,采用同样的旋转变压器和旋转编码器。3)内部核心模块可以互换。内部核心模块的动力产生装置、传动装置采用相同的机械结构。同时又由于两种机械臂具有不同的安装位置,不同的作用,因此两种机械臂关节又具有以下几种不同点:1)连接部件不同。与两种机械臂关节相连接的零部件不同,因此接口件的机械结构不同。直线型单关节需设计与机械臂末端手爪连接的接口件;2)内部空间设计不同。由于两种机械臂单关节的功能不同,因此两种关节的机械结构不同,则关节内部的空间不同。为了充分利用不同关节的内部空间,关节控制器等的安装位置以及机械臂关节内部的走线需进行不同的设计。通过上文所述可知,本文设计的模块化机械臂单关节共有两种,分别为:直角型单关节和直线型单关节。机械臂单关节的结构需要满足整个系统的设计指标要求,同时要考虑机械臂关节内部的零部件的具体的安装位置:1)机械臂关节的基本构形为圆柱形,具有标准化的机械接口与电气接口;2)谐波减速器、直流无刷电机和编码器采用顺序串联的结构通过中心轴进行连接;3)采用模块化设计方法,将机械臂关节的主要的零部件:分体式直流电机、谐波减速器、编码器等集成到一个核心模块中;4)采用谐波减速器组件作为减速装置,减速器体积小、单级减速比大、减速多齿咱合、传动平稳。关节内部包含的直流无刷电机、谐波减速器、旋转变压器、码盘等各种零部件,按照作用可分为:动力传动系统、传感系统、控制系统等部分。关节内部各部分组成如图2-1、2-2所示:图2-1直角型单关节结构图 图2-2直线型单关节结构图2.2.2 动力传动系统动力传动系统的作用是为关节输出提供输出动力,本文设计的关节中包括有:作为动力源的电机和作为传动机构的减速器。上文第二章中的机械臂关节的性能指标对机械臂关节的输出力矩以及关节运动角速度范围有着严格的要求。本文设计的关节属于空间机械臂关节,因此需要在较小的体积内完成设计,同时需要机械臂关节具有较大的输出扭矩。所以,本文首先选择体积小额定扭矩大的直流无刷电机作为关节的动力源,为关节的转动提供动力。其次,选用大减速比的减速装置来满足输出扭矩的要求,有两种方案可以实现这种功能:(1)采用大减速比的谐波减速器单级减速方案;(2)采用多级减速器依次串联的减速方案。若采用大减速比的单级减速器方案,则优点有:减速装置零部件少,体积小能够满足设计的空间要求;谐波减速器结构简单,精度较高,比较容易实现关节内部核心模块中各零部件的同轴,满足关节传动的精度以及测量的精度的要求。但是由于谐波减速器本身结构的原因,采用谐波减速器会造成机械臂关节的输出特性更加复杂,使关节具有较为复杂的摩擦、非线性刚度等特性,增加关节输出特性的研究难度。采用多级减速器依次串联使用的方案,则优点有:关节传动性能稳定,减速器传动效率高。多级传动方案的缺点是需要多个减速器,串联以后结构体积大,各部分同轴度难以保证。本文选用的直流无刷电机可以与减速器同轴相连,从而大大增加了电机与谐波减速器的同轴度,进而提高整个传动系统的传动效率。选择的谐波减速器为超薄谐波减速器,可以在比较小的空间内完成较大减速比的传动。本文设计的机械臂关节有着严格的质量指标,因此,通过综合分析两种方案的优缺点,本文选用直流无刷电机加谐波减速器作为机械臂关节的动力传动装置。直流无刷电机与谐波减速器通过电机轴相连,谐波减速器柔轮通过法兰盘与关节动块相连。刚轮固定在核心模块上,波发生器为主动件,谐波的柔轮作为从动件。机械臂关节转动时,首先电机接受命令转动,带动主轴旋转,进而驱动谐波组件中的波发生器转动。由于刚轮是固定在核心模块上的,此时,波发生器就会驱动谐波的柔轮转动,从而实现了电机的减速。同时,通过柔轮与外接法兰驱动动块进行旋转运动。2.2.3 传感系统空间机械臂关节的两种控制形式:(1)以速度形式控制机械臂关节,使关节按照一定的速度匀速转动;(2)以角度形式控制机械臂关节,使关节可以精确的运动一定的角度。为了使关节能够实现这两种运动形式,关节内部需要用到精确的测量装置,为关节的控制反馈回精确的位置数据。在关节运动过程中,首先测量出关节的初始绝对位置,然后根据关节的初始绝对位置来制定控制策略来完成整个任务。在完成整个任务的过程中,不仅需要知道关节的绝对位置,还要知道关节精确的速度等信息。因此本文选用增量式编码器和旋转变压器组成关节的速度、位置反馈系统。本文选用的编码器具有的特点是体积小、结构紧凑合理,并且有多重输出方式和多种轴径可供选择。旋转变压器的特点是分辨率高、精度高、稳定性好、可靠性高。增量式编码器与电机轴直接相连,可以直接测量出电机轴转动的角度,从而换算出关节转动的速度,完成对关节的速度形式的控制。旋转变压器通过中心轴与谐波减速器柔轮相连,即与关节的动块直接相连,通过测量关节动块转动的角度,测量出关节的绝对位置,从而来完成关节角度形式的控制。2.2.4 控制系统机械臂控制系统包括上位机控制系统和下位机控制系统。上位机控制系统为控制PC机中的控制系统,可以完成对关节的数据分析、控制策略分析、路径规划等任务。下位机控制系统为机械臂关节上配备的控制器,包括控制板和驱动器。本文在完成直流无刷电机、编码器、旋转变压器等元器件的选型的基础上,根据设计指标的要求选择了 ELMO驱动器,该型驱动器本身做的已经足够强大,使之能独立完成对电机的位置、速度、扭矩控制。根据需要的各零部件,根据设计指标中要求的关节速度、角度等控制精度自行设计电路板。通过驱动器以及电路板可以实现对关节角度、速度的精确控制。2.2.5 直角型单关节的结构设计直角型单关节外部结构由两部分构成,分别为一个动块和一个静块。直角型的动块与静块结构是由两个圆柱相互贯通组成。核心模块装配位置与控制器装配位置互相垂直。其中动块与传动法兰相连接,传动法兰则与核心模块中的谐波减速器的柔轮相连接。因此在动块上留有和法兰相连接的孔。静块内部需要安装机械臂关节的控制器,机械臂关节静块需要与核心模块保持静止。在静块上留有螺纹孔,以便将静块与核心模块通过螺钉进行连接。同时需要在静块上留出走线孔,以便于将模块内部的分体式电机、旋转变压器、旋转编码器等器件的导线以及数据线引出。直角型关节的动块可以相对于静块旋转,为关节的动力输出部分。关节内部集成了直流永磁无刷伺服电机、短轴柔轮杯型谐波减速器、增量式光电编码器、旋转变压器、关节驱动器、高精度的深沟球轴承、控制板、驱动器等零部件或元器件。直角型单关节的结构设计如图2-3所示。图2-3 直角型单关节示意图根据选择的零部件尺寸对直角型单关节进行具体的结构设计,具体结构如下图2-4所示。图2-4直角型单关节结构图2.2.6直线型单关节的结构设计直线型单关节外部由两部分构成,包括一个动块和一个静块。同轴型的动块与静块结构类似。核心模块装配位置与控制器装配位置同轴。其中动块与传动法兰相连接,传动法兰与核心模块中的谐波减速器的柔轮相连接,因此在动块上留有和法兰相连接的孔。静块内部需要安装机械臂关节的控制器,机械臂关节静块需要与核心模块保持静止。在静块上留有螺纹孔,以便将静块与核心模块通过螺钉进行连接。同时需要在静块上留出走线孔,以便于将内部的分体式电机、旋转变压器、旋转编码器等器件的导线以及数据线引出。直线型关节的动块可以相对于静块旋转,为关节的动力输出部分。关节内部集成了直流永磁无刷伺服电机、短轴柔轮杯型谐波减速器、增量式光电编码器、旋转变压器、关节驱动器、高精度的深沟球轴承等零部件或元器件。直线型单关节的结构设计如图2-5所示:图2-5同轴型单关节示意图根据选择的零部件尺寸对直角型单关节进行具体的结构设计,具体结构如下图2-6所示。图2-6同轴型单关节示意图由图2-5可知,直线型和直角型在内部零件中最大的区别在于没有自己独立的控制系统,即没有独立的驱动器和控制板。根据设计要求,本文直角型单关节选用的驱动器为ELMO驱动器,驱动器本身的功能非常强大,能够满足同时控制两个关节的动作,所以为了节省空间,将直线型单关节设计成这个构型,利用简单的接口就能够与直角型关节进行连接,同时利用电气接口通过简单的操作就可以将之与直角型关节中的控制系统连接。2.2.7 机械臂关节设计总结图2-7直线型单关节实物图在本章中对机械臂关节的设计过程进行了详细的阐述,利用机械模块化设思想对机械单关节进行了分析,根据本文设计指标对机械臂关节的主要零部件进行选型,然后根据传动系统、传感系统、控制系统等各部分的特点完成对机械臂关节结构的整体设计。按照设计图纸加工原型样机,直角型单关节与直线型单关节实物图如上图2-7所示。上述机械臂关节在结构上更加紧凑,因此关节内部空间比一体化双关节更小,情况更加复杂。本文不再采用一体化双关节集中走线的走线方式,而是采用根据关节内部零件,分部走线的方式,将内部零件通过合理的分布,使内部零件各种线均匀分布,然后设计与之相适应的的走线孔。该走线系统中,各种线不需要集中占用很大的空间,能够减轻各零件线路之间的干扰,降低装配难度,提高装配精度,进而提高关节的精度。本文中的设计的机械臂关节对输出扭矩有着较高的要求,根据选用的直流电机RBE-01510的各参数进行核算。两种单关节核心模块的构成是相同的,则核心模块性能相同。根据电机的设计、谐波减速器的选型及传动轴系的效率,可求得电机运行时关节的峰值输出扭矩T约为: (2-1)其中：Tmax一电机的堵转扭矩,0.555Nm;ih一谐波减速器减速比,100;D传动系统的效率,取估计值50%。由以上计算可知关节最大输出扭矩为27.75Nm,远大于设计要求的l0Nm,符合设计要求。经测试知两种单关节的角度运动范围、角度测量精度、角速度范围、输出力矩等都能够满足设计指标要求,且具有较大的设计余量。该机械臂需用在地面模拟实验平台上,本文采用气浮法来模拟微重力,因此对机械臂关节的重量有较高的要求,经测量本文设计的机械臂各部分的重量如下表2-1所示表2-1机械臂各部分质量由上表可知,机械臂单关节实际重量如上表所示,机械臂总重量为22.155kg,符合设计指标中的单关节质量小于5kg,机械臂总质量小于25kg要求,满足设计要求。第三章 机械臂关节输出特性研究3.1 选用机械臂关节的性能介绍本文为了对空间机械臂关节的输出特性进行研究,选用本课题组技术更加成熟的空间一体化机械臂双关节进行研究。该双关节为地面模拟实验平台六自由度空间机械臂的肩关节。该双关节的各项参数如表3-1所示:表3-1北邮双关节主要性能指标3.2 机械臂关节特性分析本文中所选用机械臂关节的减速装置为谐波减速器,因此其输出特性带有显著的谐波减速器的特征。谐波减速器具有单级减速比大、结构紧凑等优点。但是由于谐波减速器本身的结构特点造成了机械臂关节存在有运动误差、迟滞等输出特性,为准确建立关节模型,需对关节以上特性进行分析研究。经研究分析,随着对控制精度要求的越来越高,在控制中需要将机械臂关节中谐波减速器导致的运动误差考虑在控制补偿内,但是由于关节运动误差的数值远小于机械臂自身所有的测量装置的测量的精度,因此,需要对关节运动误差进行研究,同时建立合适的运动误差的模型。机械臂关节的迟滞模型是关节细化模型的重要组成部分。准确的机械臂关节迟滞模型对机械臂关节的控制补偿精度有着极其重要的意义。关节的迟滞是指的输出力矩滞后于输入轴与输出轴夹角的输入输出的关系。Huang等以分段线性化的形式近似的表达出了谐波的非线性滞回刚度,证明非线性滞回刚度对关节有重要的影响。Dhaouadi等建立了迟滞的微分方程形式的模型,该模型考虑了关节迟滞的记忆特性,但是由于没有考虑关节迟滞的非局部记忆特性,而使得该模型表达不够准确。Ruderman等通过对工业机械臂的研究建模,应用了 Preisach模型对关节迟滞进行了较为准确的建模,但是由于Preisach模型计算过程复杂,该模型很难应用到实际控制补偿中。HDSystems,Inc公司的产品说明书中建议用分段线性化来描述谐波传动关节的迟滞中的非线性刚度,该方法用在关节中由于其他因素的干扰而不能准确表示出关节的真实特性。因此,为了适应机械臂关节控制的越来越高的需求,对装有谐波减速器的空间机械臂关节进行研究,并建立合适的关节迟滞模型是非常有必要的。3.3 机械臂关节的运动误差和迟滞建模3.3.1 机械臂关节建模本文建立的关节模型考虑了机械臂关节的非线性刚度、关节运动误差和关节迟滞等多种因素,将机械臂关节分为两部分,分别为输入轴(电机轴)和输出轴,同时将输入轴(电机轴)与输出轴等效为两个惯性系统。输入轴和输出轴两个部分依靠运动误差和迟滞非线性进行转角和力矩的传递。本研究建立的包含非线性刚度、关节运动误差和关节迟滞等的关节模型原理图如图3-1所示,下面讲具体介绍各部分的建模过程。图3-1关节模型原理图3.3.2 机械臂关节的动力学建模在机械臂关节建模过程中,由于非线性刚度和运动误差的存在,关节的输入轴和输出轴的状态变量不同,所以把机械臂关节的惯量分为输入轴和输出轴两个部分,对这两部分分别建立动力学模型,然后采用运动误差模型与迟滞模型将这两部分进行连接,通过整合得到机械臂关节的整体的模型。根据牛顿第二定律,能够写出本研究的输入轴和输出轴的动力学方程: (3-1) (3-2)上式中：Jw, Jc分别为输入轴和输出轴的惯量；w, c分别为输入轴和输出轴的转角；h为阻力力矩；N为谐波减速器减速比；Te外部扰动力矩。3.4 数值建模及特性分析3.4.1 Matlab模型建立根据以上所建立的关节动力学模型,通过Matlab中Simulink搭建了整个关节的仿真模型。以本课题研究的一体化双关节为研究对象,搭建整个关节传动的机电动力学模型:关节输出连接一个负载,只考虑转动惯量,其动力学方程由式(3-1)描述。其中关节输出轴的转动惯量由额定输出确定。电机及驱动部分模型采用Matlab中现有的模型,选用电机的参数为电机的生产厂家提供,电机的主要参数如下表所示:表3-2 电机各项参数通过建模,构成的整个传动系统的仿真模型如图所示:图3-2 Simulink仿真模型3.4.2 关节模型特性分析本节在上文所建的模型基础上进行了仿真实验研究,来验证本文所建立的关节综合模型表现出来的多种特性,具体包括关节的非线性刚度、关节的运动误差以及在关节的迟滞特性,证明该模型具有良好的模拟实际关节各特性的能力。为了分析关节模型的运动误差特性,以关节设计的额定速度作为关节电机轴的输入速度,进行仿真实验。其中开始时关节不转动关节静止,没有运动误差。控制关节模型开始以恒定的速度开始转动时,可以得出运动误会开始在一定的范围内变化。可以知道在任意一点的关节的运动误差的在范围内是随机的,在运动误差零点附近上下波动。从总体来看,关节的运动误差有着类周期性的波动,而且周期是恒定的。关节的运动误差有类似于正弦函数的周期性的函数,而且在谐波减速器转动的一个周期的时间内运动误差有两个明显的变化周期。关节存在运动误差、迟滞和非线性刚度,综合起来形成如图3-3所示的关节的迟滞曲线,主要表现为输入扭转力和输出角度之间的滞后关系。在下图3-3中,分别在不同的扭转力的极限情况下对关节进行研究,给出了迟滞回路的总图。同时,迟滞具有和输入频率无关的特性38,即当输入信号的频率变化时,迟滞曲线不发生变化。从图中可以看出关节在运动过程中有很明显的迟滞特性。图3-3 关节迟滞模型仿真图第四章 结论与展望针对轻型空间机械臂关节设计中的非线性表现明显、以及关节存在自身难以测量的运动误差等问题,设计完成了空间机械臂地面模拟实验平台、搭建了机械臂关节输出特性测试实验平台;研究了面向轻型空间机械臂关节的动力学建模及结构设计、关节建模等关键技术,并进行了仿真和实验验证。论文的研究为空间机械臂关节的设计和机械臂关节的细化模型的建立提供了理论依据。具体研究成果如下:1、在详细调研分析国内外模块化机械臂以及空间机械臂的基础上,通过对机械臂末端精度、负载力矩等的计算,以及机械臂设计指标的分析,确定了地面模拟平台中四自由度机械臂的总体方案设计,并且对方案进行了分析论证。2、在机械臂总体方案确定的基础上,完成了适用于该模拟平台的空间机械臂单关节的方案设计。分析机械臂关节的设计指标,完成了对机械臂关节主要零部件的选型,完成对机械臂关节详细的结构设计。对机械臂关节进行三维建模,完成了虚拟装配。具体包括:分体式电机的安装、短筒柔轮谐波减速器的安装、关节各零部件的安装以及模块化接口的结构设计等。选择关节加工件的材料,完成关节的内部走线设计。利用有限元分析软件对关节的关键零部件进行了校核。结果表明本研究设计的关节结构合理,关键零部件强度满足设计要求。3、建立了含有关节运动误差的机械臂关节的迟滞模型。对机械臂关节的输出特性进行研究,将机械臂关节分为输入轴和输出轴两个部分。对机械臂关节运动误差的研究,建立运动误差的模型。采用关节的转动误差构建了运动误差模型。建立含有机械臂关节运动误差的关节迟滞模型。该关节建模方法为基于模型的空间机械臂关节的控制奠定了基础。4、基于以上的理论研究,设计关节输出特性测试实验平台。基于本文选用的机械臂关节设计关节与实验平台的接口件。对接口件的材料进行了选择。通过三维建模对机械臂关节接口件进行了虚拟装配。基于对机械臂关节的运动误差和关节迟滞的理论研究设计实验方案,按照实验方案搭建实验平台。完成机械臂关节的运动误差和关节迟滞的验证实验。通过将实验结果与建立的模型以及仿真实验进行对比,验证了建模的准确性。参考文献1何永强.三分支机器人模块化关节的设计D.北京:北京邮电大学,2011.2陈永亮,焦明生,徐燕申.基于机械电子总线的模块化机器人系统设计J.3王兵,蒋蓁.模块化重构机器人技术的现状与发展综述J.机电工程,2008,25(5): 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