五自由度机械臂系统设计与控制方式研究_王钧.pdf
《五自由度机械臂系统设计与控制方式研究_王钧.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《五自由度机械臂系统设计与控制方式研究_王钧.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 卷 第期青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)年 月 ()文章编号:();:五自由度机械臂系统设计与控制方式研究王钧,田垄翔,李斌,孙传珠,吴洋,符朝兴(青岛大学机电工程学院,山东 青岛 )摘要:针对机械臂在智能制造领域越来越大的需求,本文主要对五自由度机械臂系统进行设计,设计制作了一款具有人机交互功能的机械臂。通过对系统总体方案的设计,建立机械臂模型,选取关节连接件、电机、主控芯片和电源等部件,编写角度控制、姿态解算和用于解决冲击问题的比例积分微分(,)控制程序,并结合模拟数字转换器(,)角度反馈,实现机械臂误差补偿,确定 参数,通过拟合控制函数提高控制精度。同时,开发了实现人机交
2、互的上位控制系统,并对泡沫块、小木块和方块纸种不同物体在不同的位置分别进行抓取实验。实验结果表明,种物体抓取成功率分别为 ,和,实验过程稳定可靠,满足设计系统可行性要求。该研究扩大了机械臂在工业领域的应用范围,对改善传统工业结构具有重要意义。关键词:机械臂;五自由度;控制系统;人机交互中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:作者简介:王钧(),男,硕士研究生,主要研究方向为人工智能。通信作者:符朝兴(),男,博士,副教授,主要研究方向为人工智能和机械振动。:目前,工业机器人在各个行业得到了广泛应用,对于一些机械性的工作,有效的规划工业机器人,有利于提高生产效率,节省时间和财力。机械臂的研
3、究始于 世纪中期,主要目的是代替高压、高温、强干扰和辐射等恶劣环境下的人工,如在进行核物理研究时对核废料的处理等。世纪 年代,公司的研发团队生产了可编程通用装配机械手(,)机器人,标志着机器人学科成为国内外的重要研究课题。在欧美高速发展的同时,日本的 公司开发出 的最大抓取能力和快速分拣速度的视觉机械臂 ,在药品和食品加工行业得到广泛应用;郭新兰等人进行了基于径向基函数误差反向传播算法(,)的工业机械臂轨迹控制与跟踪算法研究,利用算法局部逼近最优控制轨迹,并基于高斯基函数的向量值获得最优权值和轨迹输出值。国内机械臂研究起步较晚,与西方发达国家有较大的差距,由于我国发达的制造业需要越来越高的人工
4、成本,机械臂在各大工厂生产线的需求也越来越大。近年来,我国机械臂系统有了一定的进展,但是存在考虑因素单一和控制不稳定等问题。基于此,本文对五自由度机械臂系统进行设计研究,制作了一款具有人机交互功能的械臂。该设计综合考虑了控制的实时性、稳定性、灵活性、灵敏性、人机交互和轻便性等因素,满足系统可行性的要求。该研究提高了工业领域内的生产效率,应用前景广阔。硬件设计总体方案设计机械臂是具有传动执行装置的机械,由手臂、关节和末端执行原件组合成的一个相互连接、相互依赖的运动机构,并且可以反复编程,是机器人核心部件之一。机械臂系统包含电源模块、控制系统、软件算法、机械机构等诸多模块单元。本文设计一款五自由度
5、的桌面级机械臂,机械臂设计简图如图所示。第期王钧,等:五自由度机械臂系统设计与控制方式研究根据实际需要,确定机械臂各部件运动。各部件主要运动有基座回转运动,长臂和短臂、短臂和腕部之间俯仰运动,末端执行器和腕部间的回转运动。根据运动形式,选择该机械臂的坐标结构为柱面坐标形式,确定机械臂各连接件长度及关节旋转角度。基座高 ,长臂 ,短臂 ,腕部 。基座轴转动,长臂轴俯仰,短臂轴俯仰,腕部轴俯仰,腕部轴转动。此外,电机控制末端执行器夹爪的开闭,其转动范围为 。根据确定的设计标准和各项参数,设计机械臂整体结构,主要硬件为机械结构、关节电机、主控芯片、电源、调理模块及其他硬件。五自由度机械臂如图所示,图
6、 标识了个电机的位置与对应序号。图机械臂设计简图图五自由度机械臂硬件选型及配置舵机舵 机是能实现闭环角度伺服驱动的伺服电机,主要结构 包括外壳保护结构、齿轮减速箱直流电机、图舵机及其结构电位器或其他角度传感单元及控制电路板。舵机及其结构如图所示。舵机内部的电位器用来检测输出轴转角,然后由控制电路板获取结果 ,而控制电路板通过“闭环控制”的方式将结果作用于输出模块,依次实现舵机的高精度输出与控制。由于五自由度机械臂不同,关节处的电机输出轴所受扭力不同,因此在设计时需综合考虑舵机尺寸、自重、控制方式和抓载极限,预留 的扭矩余量。机械臂各关节舵机选型参数如表所示。表机械臂各关节舵机选型参数表关节种类
7、控制方式 供电电压额定扭矩()额定转速()极限转角()数字舵机 数字舵机 数字舵机 总线舵机 总线舵机 数字舵机 主控芯片比较 、和树莓派等单片机后,该控制系统选择选取 芯片作为主控芯片,主控芯片如图所示。芯片 可以满足机械臂控制实时性、稳定性和人机交互等要求,同青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)第 卷图主控芯片时具备主频高、速度快、支持通讯和性能稳定等特点。结合机械臂的使用环境和设计要求,芯片需要搭配舵机、有 机 电 激 光 显 示(,)屏、角度传感器、上位机等硬件,部分硬件如图所示。因此,需要使用 的脉冲宽度调制(,)、集成电路总线(,)、定时器、通用同步和异步串行接收器和转发器
8、(,)等 资 源。其 中,芯 片 的 复用为功能,从而输出路信号,控制对应的个数字舵机。控制个关节的总线舵机,实现单片机与上位机的交互。图部分硬件其他硬件在机械臂控制系统中,除了用于完成执行动作的舵机、用于控制系统的微控制单元(,)和提供能量的电源外,还有用于显示角度与进行反馈的 。本文选用 寸的 屏,使用 协议与 通讯。选用 位精度的磁编码器和电位器,通过 引脚接入,用于测量舵机输出轴角度,实现角度反馈,提高控制精度。此外,还使用了保护舵机的继电器。系统电路设计本设计中的轻量级机械臂既可以放置在移动设备上,也可以固定于特定位置,因此该电路设计了通用性的电源接口。根据舵机选型参数,选取 硬件供
9、电电压。由于输入的电源电压为,但总线舵机的电压为 ,部分传感器的电压为,因此需要通过降压电路进行降压。在降压电路中,最大电流是总线舵机,负载工作时电流达数安培,一般的线性稳压器驱动力不足,需要使用稳压芯片,因此选择 制作降压电路。降压电路图如图所示。图 降压电路图第期王钧,等:五自由度机械臂系统设计与控制方式研究此外,单片机获取传感器信号时,通过 进行采集,再通过 通讯协议或以形式向单片机传送。其中,使用 通信协议获取的速度,比使用单片机 采集的速度慢。因此,本设计采用 方式采集传感器信号。通过芯片手册,芯片 引脚如表所示。表 芯片 引脚名称信号类型备注 正模拟参考电压输入 高正参考电压,模拟
10、电源电压等于 模拟电源输入全速运行时,(),低速运行时,()负模拟参考电压输入 低负参考电压,模拟电源接地输入模拟电源接地电压等于 模拟输入信号 个模拟输入通道图 电阻分压电路由表可以看出,芯片的 位 引脚,最大输入参考电压为 ,角度传感器常用模拟电压为 。因此,引脚无法直接采集大于 的模拟电压,需要通过电阻分压的方式降低电压,从而通过芯片的 引脚采集。电阻分压电路如图所示,选择的分压电阻为 。控制系统控制系统结构根据控制系统已选型各硬件的功能及特点,绘制控制系统结构图,控制系统结构图如图所示。上位机与 (主控芯片)之间通过串口进行通信,主控芯片通过控制舵机旋转,实现对机械臂末端的定位,使用
11、提高控制进度,并搭建一个 ,对机械臂进行调试。图控制系统结构图定位与角度控制定位为实现机械臂定位,首先要控制电机角度。对于数字舵机,根据表的电机参数,只需改变对应的 值 即 可 控 制 电 机 角 度。的 可以输出路 信号,可控制个数字舵机。首先调整定时器,自动重装载值为 ,分频系数为,设置 频率为 。舵机采用 的控制模式,对应定时器的装载值为 ,对应的装载值为 ,编写角度控制函数。将输入的角度信息转换为 值,实现舵机控制。计算舵机最终目标值,即 ,()式中,修正参数 和 通过实验测得;为通过运动学计算的转角;,为测量的最大限定值。其余个数字舵机的最终目标值计算方式与该方式相同。对于串行总线舵
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自由度 机械 系统 设计 控制 方式 研究 王钧
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。