机器人一体化关节模组驱控系统设计.pdf
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1、 机器人技术现代制造工程()年第 期机器人一体化关节模组驱控系统设计焦露张秋菊陈宵燕姚宇(江南大学机械工程学院无锡 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室无锡)摘要:机器人关节模组作为机器人的核心零/部件需要满足高精度、高可靠性的要求但由于体积、成本的制约加大了其设计难度 设计了一种高度集成的一体化关节模组及其驱控系统在满足“轻、薄”的机械结构设计要求基础上重点进行了驱控系统软硬件设计开发 采用 芯片为主控芯片设计了驱控系统硬件电路在此基础上完成了软件算法的设计 实验结果表明所设计的一体化关节模组结构紧凑、集成化程度高且运转平稳可以快速应用于机器人设计开发关键词:机器人关节模组一体化关节模块化设
2、计驱控系统中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.():.“”.:引言当前我国制造业数字化、智能化转型建设步伐日益加快有力推动了机器人市场的快速发展 传统的机器人关节由独立的电机、减速器和驱动器组合而成其设计过程包含了上述三部分的独立和综合设计已难以满足企业对于时间成本和研发成本越来越高的要求因此机器人一体化关节模组成为当前的研究热点模块化、标准化成为新的发展趋势自 年卡内基梅隆大学研究模块化机械手开始已经陆续有很多模块化关节的相关研究文献开发了一种结构紧凑、内嵌高精度传感器的机器人关节关节质量轻、控制精度高且负载能力强文献从模块化、智能化着手设计了一种可快速重构的机器人关节及其驱控系统
3、但体积较大文献设计了一种高性能驱控系统可以高效率地发挥模组性能但由于价格昂贵而无法广泛应用文献基于普通 芯片搭建了驱动器硬件电路实现了关节模组的控制 但功能简单且 电路设计复杂不能集成到关节内部江苏省博士后科研资助项目()焦露等:机器人一体化关节模组驱控系统设计 年第 期综上所述高精度、高可靠性是机器人一体化关节模组的性能要求轻量化、模块化及智能化是其发展趋势而体积、成本是其设计开发的主要制约因素如何兼顾性能、成本和集成度是一体化关节模组设计开发所面临的瓶颈问题本文设计了一种机器人关节模组针对模组的机械结构进行了模块化设计采用创新的谐波减速器结构和超薄型绝对值编码器在机械层面实现了模组的高度集
4、成和高精度设计 以 芯片为主控芯片结合驱动、位置反馈及电压电流采样等模块完成了驱控系统的软硬件设计且极大程度上降低了外围电路的复杂程度兼顾高性能和低成本的优势 所设计的模组还具有结构紧凑、组装灵活等特点可以快速部署在机器人应用上 机械结构设计本文所设计的关节模组主要由无框力矩电机、谐波减速器、绝对值编码器及驱动器等四大部件组成关节组织结构如图 所示图 关节组织结构为了减小传动间隙提高传动精度本文采用谐波减速器作为传动部件 但传统的谐波减速器相比于模组本身轴向尺寸大、质量重会导致模组的整体长度和质量增加不能很好地兼容空间紧凑的场景且成本较高本文重新设计了谐波减速器对传统谐波减速器结构进行了改进通
5、常谐波减速器由钢轮、柔轮和波发生器组成主要有 种输出方式:钢轮输出和柔轮输出钢轮输出方式下减速器整体尺寸较大、质量高 而柔轮输出方式下对加工工艺要求较高成本相应增加本文在柔轮输出方式的基础上将柔轮的输出功能单独拆分出来使得柔轮轴向尺寸更小柔轮改进如图 所示图 柔轮改进通过单独增加一个与柔轮啮合的输出轮降低了加工工艺要求解决了轴向尺寸大和成本高的问题同时减速器为完全中空设计方便中空走线改进前后的谐波减速器如图 所示图 改进前后的谐波减速器为了满足高控制精度要求本文采用了 超薄绝对值编码器作为位置反馈传感器 编码器有效数字位为 位可以达到.的绝对定位精度且厚度只有 超薄绝对值编码器如图 所示图 超
6、薄绝对值编码器超薄绝对值编码器相较于图 所示的普通编码器不仅精度高还可以缩小关节轴向尺寸使得关节设计更紧凑外形方面模组提供多套安装孔位和安装基准 年第 期现代制造工程()方便快速部署新的方案图 普通编码器安装孔位与安装基准如图 所示图 安装孔位与安装基准 驱动器硬件设计一体化关节模组不仅要有模块化的机械结构设计对驱动器的硬件设计也有很高的要求 相较于传统外置驱动器的配线连接一体化关节模组必须能够在完成机械连接的同时方便地完成电气连接 而且驱动器要很好地嵌入到一体化关节模组的内部以便形成完整的模块化结构本文设计的驱动器硬件原理如图 所示图 驱动器硬件原理驱动器硬件主要包括主控模块、驱动模块、位置
7、反馈模块、电流电压采样模块、电源模块和通信模块 采用 为主控芯片通过驱动模块驱动电机的运动.主控模块主控模块由主控芯片及其外围电路组成 主要负责生成电机控制指令、/数据采集校准、编码器信号解码以及通信功能主控芯片采用 系列 该芯片为 位浮点型 主频高达 同时拥有非常丰富的外设资源功能强大非常适合用于电机驱动器的开发外围电路除了主控芯片最小系统外还包括 下载调试接口和 信号指示灯方便进行系统的开发调试.驱动模块驱动模块由门驱动芯片和功率电路(三相半桥电路)两部分组成驱动芯片采用 公司的 功率电路由 个 组成三相半桥 主控芯片将运算得到的六路 信号输出至驱动芯片经由功率电路放大后提供驱动电机所需的
8、大电流实现电机的运动 驱动模块原理如图 所示图 驱动模块原理.位置反馈模块驱动器需要精确的位置信号来完成控制算法的实现 为了提高机器人控制精度本文采用 系列多圈绝对值编码器进行位置信号的反馈 是一种全双工同步串行总线通信协议由德国 公司开发专门为满足实时、双向及高速的传感器通信而设计因此本文选择 协议作为编码器的通焦露等:机器人一体化关节模组驱控系统设计 年第 期信协议以提高控制实时性 位置反馈模块利用主控芯片 的 可 配 置 逻 辑 块()外设采集编码器信号并进行数据解码获取电机的位置、速度等信息供主控模块完成电机的控制算法位置反馈模块原理如图 所示图 位置反馈模块原理.电源模块本文设计的驱
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