机器人模块化关节的设计与实现

1、开发与创新 !引言 “ 模块化设计”是针对常规机器人的设计方法的不 足提出的。模块化是系统设计和建立的一种现代方法。 模块化正成为自!#年以来机器人多功能性、灵活性 和容错性研究后新的机器人研究热点，近年来引起了日 本、美国等大学和研究机构的极大兴趣。机器人采用模 块化设计的优点：!重构性好；冗余性好；#装配方 便；$灵活性好；%便于维护。 本文在对国内外机器人模块化关节调研的基础上， 提出了集机械和基于$%方向上所受到的最大应力分 别为!/44#0=1、!47!0=1，远小于所选材 料的屈服极限，该模块满足工作强度要求。 其中:方向的应力有两个值分别表示:正反两个方 向上的应力最大值，其余意

2、义相同。 $模块化关节的几何误差模型 按照图! )1,所示，可以计算出可能影响机器人末 端运动精度的关节误差有三种：同轴度误差!?、垂直度 误差!(、长度误差!。其中:#A#(#为基座坐标系， :#BA#B(#B为有误差参数后实际连杆坐标系，:#BA#B(#B为 中间变换坐标系。按图!所示从:#BA#B(#B到:!BA!B(!B带 机器人模块化关节的设计与实现 贾庆轩 !，杨 磊 ，孙汉旭，马国伟，郐永涛 （!4北京航空航天大学 机器人研究所，北京!#C5；*4北京邮电大学 自动化学院，北京!#C/7） 摘要：提出了一种集机械和控制为一体的机器人模块化关节的设计方案。进行了模块化关节外壳的应力

3、 和应变分析，并建立了关节的带有误差参数的矩阵变换模型。完成了!#适配卡和$%!伺服控 制器的设计。并对所研制的模块化关节进行了主要性能测试。测试结果表明按照该方案研制的关 节性能指标满足设计要求。 关键词：机器人；模块化关节；$%!$总线接口电路、直流无刷电 机与光电编码器组成。 67:适配卡的总体电路结构如图存储扩展电路、高速896处 理 电 路 、 逻 辑 控 制 与 中 断 申 请 电 路 。 采 用 两 片 :8(?%5A并进行了数据总线宽度扩展。 逻辑控制芯片 实现了对整块板卡逻辑控制、中断申请和双口=;控 制管理。同时选用(9空闲状态 下，由67:接口电路将数据或控制信息写入双口

4、=;， 然后由中断申请通知896芯片，896按照命令执行相应 的操作，并通过7;$接口芯片向7;$总线发送数据或 控制指令。896接收到从7;$节点的反馈信息时，在获 取双口=;控制权后，将其写入双口=;，最后由中 断申请电路启动内核驱动程序，并通知应用程序取走反 馈信息。使用双口=;，将67:适配卡的内存空间直接 映射到主机内存空间，实现了7;$总线与中央处理机的 高速数据交换 !#。 伺服运动系统工作原理：位置控制器由给定的位置 信号与从编码器得到的位置信号间的偏差给出速度控制 （!） 理论坐标系与实际坐标系不重合（） 连杆坐标系 图5关节坐标系描述 #$%5 .#/$*/0 12 :;

5、/./)4(* 5 开发与创新 !#$% :)+%/*10,)2 3(040/5 2 ?-0/*； #A,-%B %9 :1%C*0%/2 3(040/5 6/07(+)08 %9 D%) */; E(B(,%CC1/0,*0%/)2 3(040/5 =FG2 ?-0/*H 415)/.6)7 E-0) I*I(+ I+()(/) * C(-%; 9%+ C%;1B*+ +% ,%/+%B )8)(C# :9(+ -( */*B8)( %9 )+() */; ;0)%+0%/2 0 )() 1I * C*+0J C%;(B K0- (+%+)#: -( )*C( 0C(2 D?. *;*I(+

6、 */; LAD )(+7% ,%/+%BB(+ *+( ;()05/(;# E-( ,-*+*,(+0)0,) %9 -( C%;1B( *+( ()(; */; */*B8M(;# E-( C*0/ ,-*+*,(+0)0,) C( -( ;()05/ *+5(# 89 :%/,5：+%1B(；LAD；D?. 表2测试结果及分析 T a b . 2T h er e s u l t a n da n a l y s i s o f t h e t e s t 型号 电机转速 #$% 载 荷 -。控制系统的软件流程如图 3所示。 !模块化关节的性能测试 模块化关节的性能测试是在北京某谐波传动有

7、限责 任公司进行的，流程见图3所示。该公司是谐波传动国 家重点工业试验基地、国家谐波传动技术研究推广中心。 !#运动误差和空回误差测试 （!）测试设备及装置。!光栅式测量仪；=.23秒 的!面棱体；#!7的!-.!型平直度测量仪 （ 准直光 管） ；$基准工作台；%测试附件 （ 支架、连轴节等） 。 （）测试结果及分析。设计指标：回差均小于236， 运动误差均小于236。测试结果符合设计要求。关节精 度测试记录见表!。 !$额定力矩和最大力矩测试 设计指标：额定输出扭矩不小于54，最大输出扭矩 不小于!.!许雪峰， 董星涛2谐波齿轮传动误差分析;+2浙江工业大学学报， !441，!2 ;?8控制器原理及其在运动控制系统中的应用;:2北 京清华大学出版社A .0，00-B05.2 ;0:设备驱动程序开发;:2北京： 电子工业出版社，.0，-2 ;-尔桂花， 窦曰轩2运动控制系统;:2北京清华大学出版社A .，31B112 表3性能比较