【《某六自由度机械臂运动控制系统的结构设计案例分析》2200字】

某六自由度机械臂运动控制系统的结构设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u9967某六自由度机械臂运动控制系统的结构设计案例分析 1877(一)机械臂结构设计原则及要求 13681.设计指标 1249902.设计原则 213406(二)机械臂运动控制系统的总体设计 372851.运动控制系统整体结构组成 3216632.六自由度机械臂的结构 4262443.六自由度机械臂模型的D-H参数 5本章通过学习国内外关于六自由度机械臂模型的硬件设计，分析适用于教学型机械臂控制系统的硬件结构组成，按照成本低、灵活性高、功能全面等需求从整体和关键结构对控制系统进行构型选择，确定机械臂模型相关的参数，为后续的运动学分析及程序仿真等工作建立基础。机械臂结构设计原则及要求机械臂本体、驱动系统、控制系统三个部分是机械臂运动控制系统的关键部分，而其中机械臂本体的结构类型、参数控制和传动方法等是机械臂控制系统是否能够保持稳定的重要因素[9]。参考工业机器人的设计方法，明确机械臂结构设计的原则和要求对后续结构参数的选定具有重要意义。设计指标虽然工业机械臂的结构大同小异，但对各方面参数的要求仍旧存在差异，根据设计和研究需要，机械臂的设计指标包括以下五部分[9,13-15]：自由度在三维空间中研究物体的运动，需要对其位置和姿态进行描述，确定运动时的参数，由此根据不同的需求对应着不同自由度的机械臂，本文的研究是基于六个自由度的机械臂展开，因此自由度固定为六。工作空间工作空间是指操作臂末端的执行器在正常工作期间可以达到的最大范围，根据不同的工作场景受关节、连杆等部件的长度影响，六自由度机械臂是模仿成年人的手臂设计，故工作空间一般在1米到1.2米左右，为了能够满足最大限度的需求，本文将臂展设计为1.2米。最大负载机械臂的负载能力是指末端执行器在工作运行时能够承载的重量，最大负载即保持正常工作状态下能够承受的最大重力。常见的轻负载机械臂一般最大负载为10千克，但教学实验不需要过高的负载能力，本文将机械臂负载设定在5千克，能够满足正常演示需求即可。精度机械臂的精度包括位姿精度和重复定位精度两类，位姿精度通常指实际到达位置和姿态与理论状态的差距，重复定位精度则是在固定位置重复姿态运动所产生的误差，主要影响因素是减速装置的性能，同时收到多个因素干扰，常设定为小于2毫米。运动速度机械臂的运动速度主要收到驱动器的控制，是指各关节在驱动状态下能够达到的最高转速，转速的提升能够充分提高机械臂的运行精度，速度的确定一般根据驱动器的改变而各不相同。设计原则相较于低自由度机械臂，达到六自由度的机械臂可以完成空间中的任意姿态转换，其复杂的关节构造导致结构设计需要遵循一定的原则，根据国内外研究的状况[9,13-15]，主要包括以下几种设计原则：根据设计的需要选择合适的零件结构，满足机体稳定性的需求，首先保证零件的可靠性，其次是小臂、大臂、基座部分的稳定，最后是整体机械臂控制系统的稳定性。尽可能的将机械臂的转动惯量降低，因工作环境等因素，机械臂运动过程中会存在抖动等突发状况，这类影响导致的误差会随着转动惯量的减小而减弱。为提高稳定性，选择的材料和构件的强度和刚性尽可能的高，而材料的质量应该尽量减轻，这样在受力状态下，机械臂的变形和误差会大幅度减弱，与此同时，要考虑到构建系统的成本，展现经济性的原则。设计方案经过充分的合理性验证，采用模块化的方式，在检验过程中针对不满足要求的部分着重修改，便于完成整体结构的优化。机械臂运动控制系统的总体设计运动控制系统整体结构组成在LabVIEW环境下实现机械臂运动控制系统实时显示需要PC端控制界面、六自由度机械臂本体及舵机等控制器组成的运动控制系统三方面组成。本文需要完成在仿真系统中对机械臂运动姿态的控制，并在三维场景中显示机械臂模型随动的状态，且此状态要与实际机械系统的运动状态同步，这就要求即使不做实物运动的验证也要保证运动控制系统设计的完整性。图2-1一种分布式控制系统架构[11]张正豪在文献[11]中提出了一种上下位机分布式控制系统架构，其构成如上图2-1所示，以运动控制卡为控制核心，通过PCI端连接PC机，构成控制操作部分，采用通讯的方式连接下位机驱动部分，与控制板构成运动系统。根据机械臂结构设计的指标和要求，本文中六自由度机械臂控制系统架构也采用上下位机的分布式构造，基于PC端的LabVIEW开发环境设计人机交互的界面及示教盒编写，通过I/O实现与控制板的信息指令传递，最后驱动舵机实现机械臂实体的关节运动，系统架构的简要构成如下图2-2所示，本文在现有条件下主要完成上位机部分程序模块的设计，即用于离线教学的示教盒编写，对于硬件部分运动控制卡的选型及电路设计等工作待进行实物实验时再行分析。图2-2系统架构简要构成图[15]六自由度机械臂的结构在参考国内对六自由度机械臂模型的设计研究后，本文选取新松机器人公司提供的通用手册中工业机器人的模型作为设计原型[16,17]。新松机器人控制系统主要由机械臂本体、编程示教盒、控制柜三部分构成，其机械臂本体如图2-3所示，各关节组成及旋转角度如图2-4所示，本文将参照其结构组成设计示教系统使用的六自由度机械臂模型。在现有参数的基础上根据仿真实验的数据适当调整关节转角及连杆长度，以制作出适应实验教学使用的模型，并用于运动仿真系统中，鉴于是在现有机械臂的基础上建立模型，本文将直接给出用于制作机械臂模型的各参数，并在运动学仿真验证后进行适当修改和完善。图2-3新松工业机器人本体结构示意图[16,17]图2-4六自由度机械臂的构造及参数示意图[16]六自由度机械臂模型的D-H参数根据上述结构及参数，本文采用D-H法对机器人进行建模设计，D-H表示方法是Denavit和Hartenberg于1955年提出的一种建立模型的方法[4,18-19],此方法利用建立在机械臂各关节上的坐标系进行相互表示，从而构建整个机械臂的模型，基于工业机器人参数及设计需求，在此处直接给出机械臂的D-H参数，便于