一種高負(fù)載自重比輕型機(jī)械臂的研究

陸志國，鄒 冀，劉作濤，李紅建，劉文顥

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110004）

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一種高負(fù)載自重比輕型機(jī)械臂的研究

陸志國，鄒 冀，劉作濤，李紅建，劉文顥

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110004）

摘 要：針對現(xiàn)有輕型機(jī)械臂負(fù)載自重比較小的問題，提出了將微型液壓系統(tǒng)作為輕型機(jī)械臂直接驅(qū)動(dòng)源的方案。設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)輕型機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用Arduino平臺(tái)搭建了控制系統(tǒng)，提出了控制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)的輕型機(jī)械臂負(fù)載自重比高，定位準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)；輕型機(jī)械臂；微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)；負(fù)載自重比；性能測試；控制

E－mail：zglu＠m(xù)e．neu．edu．cn

陸志國，鄒 冀，劉作濤，等．一種高負(fù)載自重比輕型機(jī)械臂的研究［J］．河北工業(yè)科技，2016，33（2）：146－150．

LU Zhiguo，ZOU Ji，LIU Zuotao，et al．Study of light weight manipulator with high load／weight ratio［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：146－150．

在傳統(tǒng)的焊接、噴涂和搬運(yùn)等工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上，工業(yè)機(jī)器人占據(jù)主導(dǎo)地位，但隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人在很多情況下已經(jīng)不能完全勝任它們的工作了，從而輕型機(jī)械臂應(yīng)運(yùn)而生［1］。輕型機(jī)械臂除了需要高精度的位置控制外，還需要其對未知工作環(huán)境具有柔順性，即當(dāng)機(jī)器人與未知環(huán)境相接觸時(shí)，不至于對機(jī)器人本身和操作對象造成損傷。德國宇航中心（DLR）的機(jī)器人專家HIRZINGER等［2］指出：“輕型機(jī)械臂是為了便于靈活移動(dòng)，與預(yù)先未知的環(huán)境、人發(fā)生交互作用而特意設(shè)計(jì)的。這種應(yīng)用往往要求較高的負(fù)載／自重比?！碑?dāng)前，輕型機(jī)械臂大多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)［3］，需在機(jī)械臂上安裝電機(jī)，這種結(jié)構(gòu)剛性較大，用于與人交互的服務(wù)型機(jī)械臂容易對人造成傷害，而且電機(jī)及其附屬機(jī)構(gòu)具有較大的自重，增加了機(jī)械臂的額外負(fù)擔(dān)［4］，減弱了機(jī)械臂的有效承載能力，降低了負(fù)載自重比。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，液壓系統(tǒng)的壓力取決于負(fù)載，這一方面可以提高機(jī)械臂的柔順性，另一方面可提供更大的驅(qū)動(dòng)力［5］，增強(qiáng)機(jī)械臂的有效承載能力。目前液壓控制技術(shù)已經(jīng)在諸如冶金、機(jī)械等工業(yè)部門，飛機(jī)、船舶等交通部門，航空航天技術(shù)，海洋技術(shù)，近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及武器控制等［6］得到廣泛應(yīng)用，但是，現(xiàn)有的大型液壓系統(tǒng)通常用于重型機(jī)械，且需要很多復(fù)雜設(shè)備作為輔助［7］。微型液壓系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、體積小、可提供較大的驅(qū)動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)［8］。為了增強(qiáng)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性、負(fù)載能力和環(huán)境適應(yīng)能力，液壓驅(qū)動(dòng)方式引起了機(jī)器人研究者的興趣［9］。因此，本文提出采用微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)作為輕型機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方案，可以滿足輕型機(jī)械臂在有效承載力、安全、定位等方面的要求。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)用機(jī)械臂為微型液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由大臂、小臂、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部件構(gòu)成。小臂通過肘關(guān)節(jié)與大臂相連，大臂通過肩關(guān)節(jié)固定在底盤上。實(shí)驗(yàn)用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。該機(jī)械臂大臂與水平方向夾角為10°～90°，小臂與大臂的夾角為30°～150°。

圖1　機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Sketch map of the manipulator

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2．1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)，由液壓缸、溢流閥、電磁式三位四通換向閥、油箱及齒輪泵組成。具體結(jié)構(gòu)為兩個(gè)液壓缸分別通過換向閥與兩個(gè)齒輪泵相連，再與油箱相連，然后再分別分出一個(gè)支路連接溢流閥。齒輪泵將液壓油壓入換向閥，換向閥不同的位置可以改變油路，使相應(yīng)的液壓缸伸長或縮短，從而使液壓缸推拉機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作。該換向閥為M型中位機(jī)能，換向閥處于中位時(shí)，液壓泵卸荷，液壓缸可以在任意位置停止。溢流閥的作用是：當(dāng)負(fù)載突然增大時(shí)，普通機(jī)械臂會(huì)卡死，甚至損壞，但在微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)中液壓油會(huì)通過溢流閥流回油箱，保護(hù)機(jī)械臂和人員的安全?，F(xiàn)有的類似驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，有的除了主泵外還需添加輔助泵、高速開關(guān)閥等復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu)［10］。與之相比，實(shí)驗(yàn)用微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高。

圖2　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成Fig．2 Composition of the driving system

2．2 液壓缸的選用

1）大臂液壓缸

設(shè)大臂在下極限位置時(shí)大臂液壓缸的長度為lmin，在上極限位置時(shí)大臂液壓缸的長度為lmax。由圖3可知：

圖3　大臂的極限位置Fig．3 Limit of the big arm

由式（7）可知，為保證大臂的活動(dòng)范圍，大臂液壓缸的行程至少應(yīng)為147mm，故取大臂液壓缸的行程為150mm。

2）小臂液壓缸

設(shè)小臂在下極限位置時(shí)小臂液壓缸的長度為Lmin，在上極限位置時(shí)小臂液壓缸的長度為Lmax。由圖4可知：

圖4　小臂的極限位置Fig．4 Limit of the small arm

由式（13）可知，為保證小臂的活動(dòng)范圍，小臂液壓缸的行程至少應(yīng)為209mm，故取小臂液壓缸的行程為210mm。

3）液壓缸特性方程

若輸入液壓缸的油量為q，液壓缸進(jìn)出口壓力分別為p1和p2，A1為無桿腔的有效工作面積；A2為有桿腔的有效工作面積。油液從工作端（無桿腔端）輸入，其活塞所產(chǎn)生的推力F和速度v為

2．3 齒輪泵工作原理

外嚙合齒輪泵作為液壓傳動(dòng)中最常用的動(dòng)力源之一，長期以來應(yīng)用相當(dāng)廣泛［11］，裝在泵體中的一對參數(shù)相同的漸開線齒輪互相嚙合，當(dāng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，泵的吸油腔的輪齒逐漸退出嚙合，使吸油腔容積增大而吸油。泵的壓油腔的輪齒逐漸進(jìn)入嚙合，使壓油腔容積減小，將油液壓出。

3 控制方法

實(shí)驗(yàn)用機(jī)械臂的控制系統(tǒng)由控制手柄，控制器，反饋器，Arduino uno及電機(jī)控制器組成。Arduino是一塊基于開放原始代碼的Simple I／O平臺(tái)。該平臺(tái)由2部分組成：硬件（包括微處理器、電路板等）和軟件（編程接口和語言）［12］，它的主控板采用AVR單片機(jī)［13］。控制器與反饋器均為B100K電位器。控制器裝在控制手柄的大臂與小臂關(guān)節(jié)處，改變控制手柄的姿態(tài)，即可改變輸入角度。反饋電位器裝在機(jī)械臂的大臂與小臂關(guān)節(jié)處，機(jī)械臂的不同姿態(tài)對應(yīng)不同的輸出角度。根據(jù)輸入角度與輸出角度，單片機(jī)通過電機(jī)控制器控制齒輪泵的電機(jī)使齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使機(jī)械臂完成俯仰動(dòng)作，直至機(jī)械臂姿態(tài)與控制手柄姿態(tài)吻合，機(jī)械臂停止動(dòng)作。機(jī)械臂控制流程如圖5所示。

圖5　機(jī)械臂控制流程圖Fig．5 Flow chart of the control of the manipulator

4 實(shí)驗(yàn)過程

4．1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，負(fù)載位于機(jī)械臂末端，采用向容器中加水的方式來改變負(fù)載，控制機(jī)械臂的Arduino uno與上位機(jī)間利用串口進(jìn)行通信，將控制手柄的輸入角度、反饋電位計(jì)的反饋角度實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)同時(shí)保存該數(shù)據(jù)。

4．2 機(jī)械臂的極限載荷

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得，實(shí)驗(yàn)用機(jī)械臂的極限載荷可達(dá)5．1kg，包括齒輪泵及油箱在內(nèi)的機(jī)械臂自重為4．8kg，負(fù)載自重比可達(dá)1．06［14］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相關(guān)參考文獻(xiàn)中機(jī)械臂的負(fù)載自重比，如表1所示。

表1　負(fù)載自重比對照表Tab．1 Contrast of load／weight ratio

4．3 機(jī)械臂的動(dòng)作速度與定位性能

為進(jìn)一步檢測實(shí)驗(yàn)用機(jī)械臂的動(dòng)作速度與定位性能而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分別研究了機(jī)械臂在半極限載荷和極限載荷2種情況下的運(yùn)動(dòng)。

如圖6所示，半極限載荷時(shí)，設(shè)定小臂目標(biāo)輸入角度為相對于大臂120°，大臂目標(biāo)輸入角度為相對于水平方向85°。在最初狀態(tài)，小臂的輸出角度為相對于大臂80°，大臂的輸出角度為相對于水平方向45°。從目標(biāo)輸入角度輸入單片機(jī)到目標(biāo)位置的達(dá)到，實(shí)現(xiàn)時(shí)間為8s。動(dòng)作結(jié)束后，小臂的輸出角度為相對于大臂120°，大臂的輸出角度為相對于水平方向84．5°，與目標(biāo)輸入角度基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖6　半極限載荷動(dòng)作過程Fig．6 Action process of the manipulator with half of limit load

圖7　半極限載荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．7 Experimental results of the manipulator with half of limit load

圖8所示為機(jī)械臂的負(fù)載為極限載荷時(shí)的動(dòng)作過程。從目標(biāo)輸入角度輸入單片機(jī)到目標(biāo)位置的達(dá)到，實(shí)現(xiàn)時(shí)間為10s，大小臂的最終角度與目標(biāo)輸入角度基本一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖8　極限載荷動(dòng)作過程Fig．8 Action process of the manipulator with limit load

圖9　極限載荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．9 Experimental results data graph of the manipulator with limit load

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在半極限和極限載荷2種情況下，機(jī)械臂均可達(dá)到預(yù)定位置，定位較為準(zhǔn)確。

5 結(jié) 語

針對現(xiàn)有輕型機(jī)械臂負(fù)載自重比較小的問題，提出采用微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)作為輕型機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)用機(jī)械臂的末端載荷可達(dá)5．1kg，機(jī)械臂自重4．8kg，負(fù)載自重比為1．06，大于多數(shù)現(xiàn)有的機(jī)械臂，定位較準(zhǔn)確，動(dòng)作速度較快。

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Study of light weight manipulator with high load／weight ratio

LU Zhiguo，ZOU Ji，LIU Zuotao，LI Hongjian，LIU Wenhao
（Department of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang，Liaoning 110004，China）

Abstract：Aiming at the problem that existing light mechanical arms are usually with low load／weight ratio，aplan that using the direct－driving hydraulic system as the driving system of the light mechanical arm is proposed．According to the plan the mechanical structure is designed，the control system is constructed with Arduino，the control method is put forward，and the experiment is carried out．The experimental results show that the load／weight ratio of the light mechanical arm with mini direct－driving hydraulic system is high，and the positioning accuracy is in good condition．

Keywords：industrial robot technology；light weight manipulator；mini direct－driving hydraulic system；load／weight ratio；performance test；control

作者簡介：陸志國（1982—）男，遼寧義縣人，講師，博士，主要從事欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)式機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多運(yùn)動(dòng)模式仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、多點(diǎn)接觸閉合運(yùn)動(dòng)鏈內(nèi)力最優(yōu)分配方面的研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51505069）；教育部青年教師科研創(chuàng)新基金（N120403016）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（N140304008）；遼寧省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015020150）；沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目（F15－123－9－00）

收稿日期：2015－12－12；修回日期：2016－01－11；責(zé)任編輯：馮 民

文章編號(hào)：1008－1534（2016）02－0146－05

中圖分類號(hào)：TP241

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02009