轻型无线化人机协作机械臂的研究

摘要

多轴机器人系统正逐步替代人工从事沉重乏味的包装、运输、搬运等重复性作业，具有极其重要的作用。传统的机械臂内部电缆线繁多、不具备力感知功能，导致机械臂的可靠性、安全性和可维护性极差，传统的多轴机器人在空间、战场、家庭等有着特殊任务要求的场合难以胜任，协作型机械臂正是基于这些特殊任务要求而产生的。本文开展了轻型无线化人机协作机械臂的研究，大大减少了机械臂的内部走线并使之具备柔顺控制能力，能与人协同完成作业任务。
　　针对复杂人机协同作业任务要求，详细分析了机械臂各项技术指标要求，在此基础上，提出轻型无线化人机协作机械臂的总体方案。机械臂关节采用永磁直流无刷电机作为动力，谐波减速器作为传动部件，并设计了失电制动器以在掉电状态下将关节抱死。关节内部安装有霍尔传感器、增量式编码器和绝对式编码器用于关节的位置和速度测量，同时在硬件电路上集成电流传感器，测量电机的电流换算成力矩。
　　机械臂的控制部分包括顶层的中央控制器以及底层的关节伺服控制器，将机械臂在MATLAB和ADMAS中的运动学、动力学算法移植到中央控制器，关节伺服控制器实现关节的位置、速度和电流三环控制。关节伺服控制器采用FPGA+ARM的双处理器架构，具有冗余备份功能。机械臂中央控制器与关节伺服控制器之间通过 ZIGBEE无线方式进行通讯，极大减少了关节内部走线的数量，提高了装配和调试的效率，更方便后续的维护。
　　对设计的两类模块化关节进行加工和装配，并将开发的关节伺服控制器集成到关节内部，完成了传感器的采样处理、控制算法的调试、关节之间的无线通讯。并在此基础上进行关节性能指标的测试，包括三环跟踪实验、关节刚度和阻力实验、负载实验，最后对电流和力矩的对应关系进行了标定，实验表明研制的两类模块化关节达到了要求的技术指标。
　　最后将七个模块化关节、臂杆、基座进行整体装配，中央控制器通过ZIGBEE下发七关节的角度指令信息，驱动整个机械臂运动，完成功能演示实验。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 轻型无线化人机协作机械臂结构设计

2.1 轻型无线化人机协作机械臂技术指标的确定

2.2 关节所需负载力矩计算

2.3 关节零部件选型

2.4 模块化关节的设计

2.5 机械臂整体装配

2.6 机械臂末端精度计算

2.7 机械臂运动学分析

2.8 机械臂阻抗控制仿真

2.9 本章小结

第3章 无线化关节伺服控制器硬件设计

3.1 关节电源模块

3.2 控制芯片最小系统

3.3 编码器差分电路

3.4 功率驱动电路

3.5 电流采样电路

3.6 模数转换电路

3.7 关节控制器实物

3.8 本章小结

第4章 无线化关节伺服控制器软件设计

4.1 电机矢量控制算法分析

4.2 基于FPGA的电机矢量控制算法的实现

4.3 信号采样处理及控制算法构建

4.4 通信程序设计

4.5 基于FPGA电机矢量控制系统结构

4.6 本章小结

第5章 多轴机器人样机性能试验

5.1 样机集成

5.2 关节测试平台介绍

5.3 电机实验

5.4 关节实验

5.5 机械臂功能演示实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢