多關(guān)節(jié)新型機械臂設(shè)計及其坐標反饋系統(tǒng)研究

任立敏，楊忠良，譚益松

(1．東北電力大學 機械工程學院，吉林 吉林132012;2．中國鐵路總公司，北京100844)

機械臂在國防、軍事、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，逐步代替了人類從事危險、重復、繁重的勞動，對整個社會文明的發(fā)展起到了極大的推動作用，廣大學者分別從不同的角度對機械臂展開了相關(guān)研究．

巧妙合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是機械臂研究的重點．劉艷華［1］設(shè)計了汽車后橋殼數(shù)控焊接機械臂的機械結(jié)構(gòu)，根據(jù)焊接的工藝特點，設(shè)計了焊接機械臂控制的硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)．趙凱［2］在分析微創(chuàng)手術(shù)機械臂構(gòu)型的基礎(chǔ)上，提出了采用中空走線的被動關(guān)節(jié)及新型的遠心機構(gòu)的機械臂設(shè)計方案．在此基礎(chǔ)上，開展了腹腔微創(chuàng)手術(shù)機械臂被動關(guān)節(jié)及遠心機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，并基于D－H法進行運動分析．呂曉軍［3］對空間機械臂一體化關(guān)節(jié)的設(shè)計和控制展開了研究，指出了內(nèi)部中心孔走線的機械臂設(shè)計方法．程曉鼎［4］設(shè)計了一種用于可變形模特機器人的機械臂，它可以改變手臂長度，做一些典型的試衣動作，增強了模特機器人的試衣效果;文中介紹了機械臂的設(shè)計依據(jù)以及最終結(jié)構(gòu)，運用D－H法建立了機械臂的運動學方程．李世其［5］設(shè)計了一種兩自由度機械臂運動模塊，并根據(jù)此模塊研制了一臺六自由度空間機械臂;為確定機械臂在工作過程中的強度和穩(wěn)定性，建立了機械臂的有限元模型，分析了其工作態(tài)的應(yīng)力情況和動態(tài)特性．趙亮亮［6］從危險作業(yè)機器人的任務(wù)需求出發(fā)，創(chuàng)新設(shè)計了一種帶有平移自由度的六自由度機械臂，建立了機械臂的虛擬樣機模型，運用D－H法建立機器人的連桿坐標系，進行了正向運動學分析，推導出機械臂的運動學方程以及手爪坐標系相對于基坐標系的位姿矩陣．

機械臂的控制性能直接決定了機械臂的工作性能，在這一方面學術(shù)界展開了廣泛的研究［7～12］．陳朝大［7］針對具有危險的特種環(huán)境，設(shè)計一個可以代替人工作業(yè)的排爆機器人控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)以DSP為中央處理核心，用6個伺服電機配合鋁制合金搭建機械臂硬件結(jié)構(gòu)，利用DSP增強型PWM模塊驅(qū)動伺服電機，上位機采用PC機進行控制實現(xiàn)了串口測試軟件向SCI模塊發(fā)送指令的功能，從而控制機械臂，模仿人手的各類運動．姜振廷［8］、李?。?］、陳濤［10］利用有限元分析軟件，對機械臂的結(jié)構(gòu)進行分析，獲得機械臂的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，從而為機械臂控制策略的制定提供依據(jù)．高文斌［11］對一種可重構(gòu)模塊化機器人系統(tǒng)進行定位精度標定方法研究．采用裝配映射矩陣描述任意給定的模塊化機械臂組成模塊間的裝配關(guān)系，并根據(jù)裝配信息自動生成指數(shù)積形式的運動學模型．孟祥萍［12］針對移動機器人在旋轉(zhuǎn)角度控制時，普通PID控制器存在超調(diào)、波動和普通積分分離式PID存在響應(yīng)速度慢的問題，并提出了改進型積分分離式PID控制算法．

本文設(shè)計了一種可用于科學研究、教學演示等場合的多關(guān)節(jié)新型機械臂，并對其控制系統(tǒng)展開研究，同時設(shè)計了機械臂的坐標反饋系統(tǒng)．

1 多關(guān)節(jié)新型機械臂機械系統(tǒng)

多關(guān)節(jié)新型機械臂機械系統(tǒng)的設(shè)計主要分為兩個部分:結(jié)構(gòu)設(shè)計和D－H坐標變換分析．其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要目的是對機械臂的機械本體進行虛擬仿真研究，并對其關(guān)鍵零部件進行設(shè)計，實現(xiàn)機械臂的機械運動;D－H坐標變換主要完成機械臂的數(shù)學建模，獲得末端運動點的空間三維坐標．

1.1 機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械臂機械系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，并且在自身結(jié)構(gòu)上解耦等一系列要求．在上述設(shè)計準則的指導下，本文設(shè)計的多關(guān)節(jié)新型機械臂的結(jié)構(gòu)如圖1所示．

基關(guān)節(jié)采用低成本步進電機1作為動力源，直接驅(qū)動整個機械臂旋轉(zhuǎn)．步進電機體積小，質(zhì)量輕，控制簡單，較為適合在小型機械臂上運用．同時采用輕型薄壁軸承2支撐，輕型薄壁軸承承載能力大、結(jié)構(gòu)緊湊，是近年來在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域廣泛采用的一種軸承．薄壁軸承內(nèi)部具有較大的中心孔，在基關(guān)節(jié)內(nèi)部設(shè)計有走線槽3，走線槽直接穿過薄壁軸承內(nèi)部中心孔，機械臂的驅(qū)動線路和控制線路從薄壁軸承內(nèi)部中心孔通過，這在保證機械臂安全運行的同時，又保證了整機外形的輕巧美觀．第一俯仰關(guān)節(jié)采用步進電機4直接驅(qū)動．受安裝體積等因素的影響，第二俯仰關(guān)節(jié)無法通過步進電機直接驅(qū)動，本文設(shè)計了步進電機+同步帶的傳動方式:步進電機5通過同步帶6和同步帶輪7將動力傳遞給第二俯仰關(guān)節(jié)，相比于傳統(tǒng)的V帶傳動，同步帶傳動具有傳動比準確的優(yōu)點，可以保證機械臂第二俯仰關(guān)節(jié)的傳動精度．末端球關(guān)節(jié)點采用重力錘原理自動布置．

1.2 機械臂D－H坐標變換

為了獲得機械臂末端球點的空間坐標，需要建立機械臂的D－H坐標模型．本文建立的多關(guān)節(jié)機械臂的D－H坐標模型，如圖2所示．

圖1 多關(guān)節(jié)機械臂虛擬樣機

表1 空間坐標測定D－H參數(shù)

圖2 多關(guān)節(jié)機械臂D－H坐標模型

X0Y0Z0表示基坐標系，θ0表示基關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，L01代表基關(guān)節(jié)到第一俯仰關(guān)節(jié)的距離．空間坐標儀D－H參數(shù)，如表1所示．

由基坐標系X0Y0Z0到第一俯仰關(guān)節(jié)坐標系X1Y1Z1的坐標變換可以由公式(1)表示:

由第一俯仰關(guān)節(jié)坐標系X1Y1Z1到第二俯仰關(guān)節(jié)坐標系X2Y2Z2的坐標變換可以由公式(2)表示:

由第二俯仰關(guān)節(jié)坐標系X2Y2Z2到末端關(guān)節(jié)坐標系X3Y3Z3的坐標變換可以由公式(3)表示:

末端關(guān)節(jié)坐標系X3Y3Z3到末端測量點的坐標變換可以由公式(4)表示:

機械臂的D－H坐標變換Ttotal可以由公式(5)獲得:

通過公式(5)可以獲得機械臂末端點的空間坐標為

在機械臂各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的過程中，可通過公式(6)實時獲得機械臂末端點坐標．

2 機械臂電氣控制系統(tǒng)

2.1 機械臂電氣系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的多關(guān)節(jié)機械臂控制系統(tǒng)采用了AT－89C51單片機作為核心控制單元，該款單片機具有功耗低、運算速度快、可在線編程、調(diào)試簡單等一系列優(yōu)點，是較為理想的主控芯片，電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示．

基關(guān)節(jié)步進電機和第二俯仰關(guān)節(jié)步進電機采用基于ULN2803的專用步進電機驅(qū)動器，一個驅(qū)動器可以驅(qū)動兩路5線制輸入步進電機，減小了系統(tǒng)的體積;第一俯仰關(guān)節(jié)步進電機的輸出力矩較大，輸入電流較高，因而需要選擇驅(qū)動功率較大的步進電機驅(qū)動器．本文選擇了基于Toshiba TB6560的專用步進電機驅(qū)動器，最大驅(qū)動電流可以達到3．5 A，可以滿足第一俯仰關(guān)節(jié)對驅(qū)動力矩的要求．

2.2 機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計

機械臂的坐標反饋系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r對機械臂末端的位置進行反饋，并且需要將末端點的坐標顯示在1602液晶顯示屏上，本文設(shè)計的機械臂的坐標反饋系統(tǒng)的控制流程如圖4所示．

文中所采用的AT89C51單片機的機器周期為1us，相對于機械臂的機械運動周期，計算速度足夠快，因而機械臂主控系統(tǒng)采用循環(huán)掃描方式，在每個掃描周期檢測機械臂狀態(tài)的變化，在每個掃描周期結(jié)束時更新液晶顯示屏輸出，實現(xiàn)了機械臂末端點空間位置實時變化的要求．

圖3 多關(guān)節(jié)機械臂電氣控制系統(tǒng)框圖

圖4 多關(guān)節(jié)機械臂控制系統(tǒng)流程圖

3 實驗研究

文中研制的多關(guān)節(jié)機械臂樣機及其坐標反饋系統(tǒng)實物圖，如圖5所示．本文最終在該多關(guān)節(jié)機械臂實物樣機上分別進行了多組控制性能實驗和坐標反饋實驗．

圖5 多關(guān)節(jié)新型機械臂樣機實物圖

為驗證機械臂工作性能，分別進行了機械臂各個關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn)、加減速等實驗．在坐標反饋系統(tǒng)實驗中，通過設(shè)定若干個關(guān)鍵測量點，控制多關(guān)節(jié)機械臂的運動達到關(guān)鍵測量點，將坐標反饋系統(tǒng)的輸出與外界絕對測量坐標進行對比，以驗證坐標反饋系統(tǒng)的性能，多次實驗結(jié)果表明本文研制的多關(guān)節(jié)機械臂坐標反饋系統(tǒng)可以實時地獲得并準確顯示機械臂末端點的位置信息，其中一組實驗的具體實驗過程如圖6所示．

圖6 多關(guān)節(jié)新型機械臂樣機實驗過程

從以上實驗過程可以看出:本文設(shè)計的多關(guān)節(jié)新型機械臂的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，運動能夠滿足預期設(shè)計要求;電氣控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，空間坐標反饋系統(tǒng)能夠?qū)崟r反映出末端測量點的位置變化，并且能夠在液晶顯示屏上輸出空間坐標及其變化過程，整機性能完全滿足設(shè)計要求．

4 結(jié) 論

通過對上述多關(guān)節(jié)新型機械臂的研制過程及其實驗結(jié)果，可得如下結(jié)論:

(1)設(shè)計了一種多關(guān)節(jié)新型機械臂及其坐標反饋系統(tǒng)，坐標反饋系統(tǒng)能夠?qū)崟r反映機械臂末端的坐標變化，可以滿足該機械臂在科學研究、教學演示等多場合的任務(wù)要求;

(2)采用步進電機作為多關(guān)節(jié)機械臂的動力源，具有控制簡單、成本低的優(yōu)點;

(3)應(yīng)用輕型薄壁軸承支撐整個機械臂，能夠?qū)崿F(xiàn)中心走線，增強整個設(shè)計的美觀性;

(4)采用51單片機+專用步進電機驅(qū)動器結(jié)合的電氣控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)簡單、可靠．

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