单轴机器人驱动器设计

2024-07-14

单轴机器人驱动器设计（精选4篇）

单轴机器人驱动器设计篇1

摘要：针对现有工业机器人负载自重比较低的问题, 吸收当前几种单马达驱动机器人的优点, 采用相邻关节轴线正交的结构, 设计了一种机器人运动模块。该运动模块由两个相邻轴线正交的关节组成, 每个关节的运动均由关节离合器组控制。为了研究结构的可行性, 建立了蛇形机器人的仿真模型, 以蛇形机器人末端直线运动轨迹为例, 研究了理想情况下该机器人的运动学问题。最后, 展示了所研制的XN-600-1六自由度蛇形机器人样机。

关键词：多关节,单马达,蛇形机器人,运动仿真

0 引言

目前工业机器人的负载自重比较低, 约为1/30～1/10, 而人的负载自重比可以大于1, 从仿生学的角度考虑, 机器人的负载能力还有很大的潜力。机器人的驱动主体是马达, 通常每个关节由1个马达驱动, 由伺服马达和减速器构成的机器人驱动系统的质量占机器人总质量的比例很高[1]。马达的体积和自重一直是一个有待解决的问题[2]。在马达设计未有明显突破的情况下, 采用新的关节设计以减少机器人内马达个数, 是获得更紧凑、更高负载自重比的一种方法。

单马达驱动技术是一种新型的机器人技术, 相对于其他机器人的显著不同在于, 关节处没有马达, 整个机器人仅由基座内的马达驱动。在相同质量和长度的条件下, 这种机器人可拥有更多的自由度。国内外一些研究者已经在这方面做了一些研究工作。新加坡南洋理工大学的金刚机器人[3]采用了单马达驱动技术, 结构精巧, 类似蜿蜒臂, 但由于关节运动方向受基座内马达与关节内离合器共同控制, 因而机器人难以完成复杂的轨迹;Karbasi等[4]设计的单驱动柔性机器人由2个可调速关节组成, 在结构上它更像1台由1个马达驱动的两轴联动机床, 由于其主轴为柔性轴, 从而使得末端操作器位姿对关节离合器的要求非常高;马培荪等[5]研制的单马达驱动蛇形柔性臂由多个弯曲关节组成, 主传动机构采用特殊万向节, 可实现臂节与臂节之间的运动传递, 末端吸盘的位姿在很大程度上依赖基座的旋转运动, 整机模块化程度较低。

基于单马达驱动技术, 我们研制了蛇形机器人XN-600-1, 它使用1个马达来驱动6个串联关节, 结构紧凑、运动灵活;机器人的主轴系统由刚性轴和齿轮组组成, 主轴速度近似恒定, 运动精度高于主传动轴为柔性轴的机器人;机器人的关节由关节离合器控制, 关节运动方向不受马达控制, 比金刚机器人更易于实现复杂的末端轨迹。

1 XN-600-1蛇形机器人总体介绍

按照拟人机器人的要求, 机器人的每个关节应有2个自由度, 即可以简化成球铰。由于制造和控制的困难, 实际中可用2个相邻正交布置的旋转关节来代替1个球铰, 当这2个关节的中心相当接近时, 可等效于球铰的控制效果。XN-600-1具有3个运动模块 (共6个关节) , 机器人末端操作器的位姿由6个关节共同决定。XN-600-1系统结构如图1所示。

XN-600-1中, 马达驱动1根高速运动轴, 通过交替布置的弯曲关节和扭转关节, 将高速运动传递到末端操作器;计算机通过任务规划产生特定的角度信息, 由运动控制系统控制关节的运动 (正转、反转、制动) ;机器人运动过程产生的角度信息和速度信息由信号采集系统读回计算机进行反馈控制。

2 XN-600-1蛇形机器人的机械系统

XN-600-1基座内马达产生的主运动, 通过多个齿轮组将主运动依次传递给各个关节, 其中, 扭转关节的运动轴线与弯曲关节的运动轴线垂直正交。马达作为动力源提供动力给3个运动模块, 运动模块遵循模块化设计原则, 每个运动模块均包含扭转和弯曲2个关节 (图2) , 其功能和结构原理完全一样。

主运动经扭转关节传递给弯曲关节, 扭转关节驱动弯曲关节及后续关节模块绕本关节轴线旋转, 弯曲关节驱动后续关节模块绕本关节减速器轴线旋转。模块化设计使得整个机器人具有很好的扩展性, 在结构强度和刚度允许的情况下, 可以制成10节或更多节的冗余自由度蛇形机器人。

2.1 扭转关节结构

扭转关节包含输入换向齿轮组、离合器组、输出换向齿轮组、减速器、驱动臂及直齿轮行星轮系, 关节运动轴线与主运动平行, 关节结构如图3所示。

通过输入换向齿轮组将高速运动经直齿轮行星轮系传递给弯曲关节, 实现主运动在关节内的传递;通过离合器组提取输入换向齿轮组上的动能, 经输出换向齿轮组和减速器, 驱动驱动臂实现关节运动。离合器组受计算机系统控制, 提供本关节正转、反转、制动三种状态。理论上, 扭转关节的运动范围为[0°, 360°], 由于关节传感器的限制, 实际样机扭转关节的运动范围会稍小。

2.2 弯曲关节结构

与扭转关节类似, 在弯曲关节运动过程中, 低速的关节运动和高速的主运动并存, 通过离合器系统实现两种运动的耦合。弯曲关节的关节运动轴线与主运动轴线垂直, 关节结构如图4所示。

弯曲关节同样包含输入换向齿轮组、离合器组、输出换向齿轮组、减速器、驱动臂, 且功能与扭转关节类似, 与扭转关节的不同在于它通过一个锥齿轮行星轮系将主运动传给下一个关节模块。理论上, 弯曲关节的运动范围为[-90°, 90°], 但由于驱动臂外径的原因, 样机弯曲关节的运动范围较理论值稍小。

3 XN-600-1蛇形机器人运动学分析

3.1 XN-600-1坐标系统

为了研究关节变量空间与蛇形机器人末端执行器位置和姿态之间的关系, 建立样机的D-H坐标系统[6], 如图5所示。

从图5中的坐标系, 可得XN-600-1的D-H参数, 见表1。

表1中, α、a和d为机器人的结构参数, θ为关节变量。由于XN-600-1的关节正交布置, 连杆长度均为0, 表1中的l1～l6为臂节长度。由于相邻关节轴线正交, 故根据相邻连杆坐标系之间的变换矩阵计算公式, 可得到各个连杆的变换矩阵:

$\begin{array}{l} _{1}^{0} Τ = [\begin{matrix} \begin{array}{l} \cos θ_{1} \end{array} & \begin{array}{l} - \sin θ_{1} \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} \\ 0 & 0 & 1 & l_{1} + l_{2} \\ - \sin θ_{1} & - \cos θ_{1} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{2}^{1} Τ = [\begin{matrix} \begin{array}{l} \cos θ_{2} \end{array} & \begin{array}{l} - \sin_{2} \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} \\ 0 & 0 & - 1 & 0 \\ \sin θ_{2} & - \cos θ_{2} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{3}^{2} Τ = [\begin{matrix} \begin{array}{l} \cos θ_{3} \end{array} & \begin{array}{l} - \sin θ_{3} \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} \\ 0 & 0 & 1 & l_{3} + l_{4} \\ - \sin θ_{3} & - \cos θ_{3} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{4}^{3} Τ = [\begin{matrix} \begin{array}{l} \cos θ_{4} \end{array} & \begin{array}{l} - \sin θ_{4} \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} \\ 0 & 0 & - 1 & 0 \\ \sin θ_{4} & - \cos θ_{4} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{5}^{4} Τ = [\begin{matrix} \begin{array}{l} \cos θ_{5} \end{array} & \begin{array}{l} - \sin θ_{5} \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} \\ 0 & 0 & 1 & l_{5} + l_{6} \\ - \sin θ_{5} & - \cos θ_{5} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \\ _{6}^{5} Τ = [\begin{matrix} \begin{array}{l} \cos θ_{6} \end{array} & \begin{array}{l} - \sin θ_{6} \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} & \begin{array}{l} 0 \end{array} \\ 0 & 0 & - 1 & 0 \\ \sin θ_{6} & - \cos θ_{6} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$

机器人末端与基座之间的坐标系变换矩阵为

$_{6}^{0}$ T= $_{1}^{0}$ T $_{2}^{1}$ T $_{3}^{2}$ T $_{4}^{3}$ T $_{5}^{4}$ T $_{6}^{5}$ T

由于D-H参数的特殊性, 因此, $_{6}^{0}$ T计算较简单。

3.2 XN-600-1运动仿真

根据D-H参数表, 建立XN-600-1仿真模型, 设定蛇形机器人末端运动轨迹为直线, 从A点 (0, 0, 1.525) 运动到B点 (0.600, 0.400, 0.800) , 机器人末端初始与末了三维状态如图6所示。

设定所有关节转角范围均为[0°, 360°], 在直线轨迹内均匀插入20个中间点, 采用MATLAB机器人工具箱进行仿真分析, 在关节空间内求解后, 得到6个关节的位移与时间的关系, 如图7所示。从图7可知, 各个关节的运动较柔顺, 仿真证明该机械结构可行。

(a) 扭转关节 (b) 弯曲关节

4 XN-600-1蛇形机器人样机介绍

研制成功的XN-600-1长1.5m, 重45kg, 扭转关节运动范围为[0°, 300°], 弯曲关节运动范围为[-70°, 70°], 样机如图8所示。

XN-600-1蛇形机器人可通过程序控制其几个关节联动 (最多可以实现6个关节的联动) , 实验表明各个关节可灵活运转;关节由齿轮组离合器控制运动输入, 单节齿轮组、离合器、减速器质量为1.4kg, 基座马达质量为2.4kg, 因此, 相对于传统机器人设计, 关节质量有所减小;关节采用谐波减速器, 其减速比为120, 因此, 齿轮间隙对末端误差的影响非常小, 机器人的末端精度由关节内反馈控制系统的系统精度决定。

5 结论

本文采用单马达驱动技术研制了一个蛇形机器人, 通过MATLAB仿真研究了样机XN-600-1的运动学问题, 实验表明样机在可达范围内运动灵活, 具有原理样机的各项功能。相对于尺寸相当的史陶比尔六自由度机器人TX90XL (重116kg, 末端重复定位精度为±0.03°) , XN-600-1 (关节误差为0.5°) 与之还有一定差距, 因而关节控制系统需要进一步优化。由于样机并不能达到仿真时的运动范围, 因此需要在受约束的运动空间内进行运动规划, 这将是接下来需要研究的问题。

参考文献

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[5]马培荪, 王建滨, 朱海鸿, 等.一种蛇形柔性臂的系统及结构[J].上海交通大学学报, 2001, 35 (1) :72-75.

[6]熊有伦.机器人学[M].北京:机械工业出版社, 1993.

单轴机器人驱动器设计篇2

地下穿孔机器人是一种可在土中自主行走的非开挖装置, 可遥控操纵, 在地表的一端进入土中, 按预定的轨迹前进, 行进中可以改变方向以修正偏差, 能够从地表的另一端指定位置穿出。它主要可实现PE或PVC管、电缆、光缆等管线的地下非开挖铺设。

随着城市建设的迅速发展, 对于地下管线的铺设, 从20世纪70年代起, 在西方发达国家中开始推广应用非开挖技术。这项技术可以在少量开挖地表的条件下探测、检查、修复、更新和铺设管道、线缆等多种地下设施。目前的非开挖技术主要包括定向钻进、冲击矛、微型隧道、水平螺旋钻、夯管锤等各种非开挖铺管技术, 以及各种各样的非开挖管道修复和探测技术[1,2], 其中, 气动冲击矛进行非开挖施工具有设备简单、操作方便、投资较小和施工成本低等优点, 是应用广泛的非开挖施工设备之一。

本文参考了国外可控气动矛[3,4]设备施工的特点, 按照地下穿孔机器人的工作机理, 给出了地下穿孔机器人的驱动装置设计思路, 并分析了其工作原理。

1 驱动装置结构设计及装配

气动矛工作原理如图1所示, 其地下穿孔机器人的驱动装置[5,6]主要由前部连接短接、气缸、冲击活塞组件、配气杆芯、配气杆座、气缸后端盖及进气管接头等部件组成, 如图2所示, 其中, 冲击活塞组件由冲击活塞3、支撑环4、活塞环6组成, 在冲击活塞上开有连通前后气腔的气孔, 此气孔与配气杆芯相配合构成了气压作用的反馈器, 随着活塞的运动位置的不同, 气孔形成的反馈作用就不同, 因而形成了对冲击活塞运动的控制。气缸、活塞由合金钢材料制造, 而支撑环、活塞环由非金属材料制造, 支撑环的作用是使活塞在运动中处于浮动状态, 避免活塞外壁与气缸内壁的刚性接触, 并减少摩擦阻力;活塞环则是在自身弹力及气体压力的作用下, 其外壁紧贴气缸内壁, 封闭气体泄漏通道, 起到活塞运动时气体密封的作用。此驱动装置由气管接头9经气管与空压机的出口阀相连。此驱动装置的特点是:结构简单、零部件少、质量轻、后座力小。

1.前部连接短接 2.气缸 3.冲击活塞 4.支撑环 5.配气杆芯 6.活塞环 7.配气杆座 8.气缸后端盖 9.进气管接头 a——前气腔 b——后气腔 c——活塞通气孔 e——进气孔道

将设计的驱动装置拆成零件, 并装配[7]成图3所示的三维图形, 进行干涉检验, 检验结果表明各个零部件的装配无干涉现象。

2 驱动装置工作原理

驱动装置的活塞为往复式冲击, 其工作过程可分为活塞冲程过程和活塞回程过程。

2.1 活塞冲程过程

图2中活塞的位置为冲程初始阶段, 按气体做功的动力过程, 可将活塞的冲程分为匀加速、变加速及减速撞击3个阶段。

(1) 匀加速过程——活塞位移S1距离。

压缩空气 (压力为p0) 经气管接头9、进气孔道e直接进入活塞后气腔b中, 推动活塞加速运动;而气缸前气腔a中的气体经活塞前孔道①、活塞与气缸的环形缝隙②、活塞通气孔c、配气杆芯与活塞内孔的环形缝隙③、配气杆座排气孔④、进气管与气缸后端盖环形缝隙⑤排到外界, 气体通道③中的常压气体与b腔中压力为p0=0.6～0.8MPa的气体之间的密封采用配气杆芯5迷宫密封, 因此, a腔中的压力为常压, b腔中的压力为p0=0.7～0.8MPa, 活塞做匀加速运动, 此段位移为S1。

(2) 变加速过程——活塞位移S2距离。

活塞位移S1后, 活塞通气孔c被杆芯迷宫密封完全封闭, 此时, b腔依然通压力为p0的压缩空气, 而a腔中气体的排出通道因活塞通气孔c被封闭而受阻, 这时, a腔中的气体将被压缩, 因时间很短可看作是绝热压缩过程, 同时对活塞运动产生一定的阻力, 故此段活塞将做变加速运动, 即加速度下降, 速度增加, 位移S2距离后, 活塞速度达到最大值。

(3) 减速撞击。

当活塞再位移S2后, 活塞通气孔c脱离杆芯迷宫密封与b腔气相通, 这时, 进气孔道e的压缩空气 (压力为p0) 经b气腔、活塞通气孔c、气体通道②、①进入到气缸前气腔a中, 由于a气腔直径D大于b气腔直径d, 故a腔气体作用力大于b腔气体作用力, 活塞加速度变负, 活塞做减速运动, 此段位移为S3, 最后, 活塞以一定的速度撞击气缸的前端, 冲程结束, 整个冲程活塞位移S=S1+S2+S3。

2.2 活塞回程过程

活塞的回程与冲程相反, 可看作冲程的逆过程, 即反向匀加速、气体绝热膨胀做功变加速、减速撞击气缸后端盖3个过程。

(1) 反向匀加速过程——活塞位移S3距离。

活塞撞击结束, 反弹向回运动, 在位移S3阶段, 活塞在a、b腔作用力差的作用下匀加速向回运动。

(2) 变加速过程——活塞位移S2距离。

当位移S3后, 活塞通气孔c被配气杆芯5迷宫密封封闭, 此时, b腔依然通压力p0=0.6～0.8MPa的空气, 而a腔中压力为p0=0.6～0.8MPa的气体将进行绝热膨胀, b腔气体做负功, a腔气体膨胀绝热做正功, 负功小于正功, 活塞的速度将继续增加, 此阶段活塞的位移为S2。

(3) 减速回撞——活塞位移S1距离。

在位移S2后, 活塞通气孔c越过迷宫密封, 这时, a腔中的气体经活塞前孔道①、活塞与气缸的环形缝隙②、活塞通气孔c、配气杆芯与活塞内孔的环形缝隙③、配气杆座排气孔④、进气管与气缸后端盖环形缝隙⑤与外界常压气体相通, 活塞在b腔压力为p0的气体的作用下将做减速运动, 在位移S1后, 以一定的速度撞击气缸后端盖, 回程结束, 下一冲程开始, 相应回程位移S=S1+S2+S3。

这样, 从活塞启动后, 活塞分别以一定的速度撞击气缸的前后端盖, 形成具有一定频率与速度的自激振动, 通过调节通气孔c与配气杆芯的起始配合位置, 就可以调节前进与后退速度, 从而控制机器人在土中的前进与回退两个行走方向。

3 驱动装置主要参数对性能的影响

驱动装置的输出性能[8] (冲击能、冲击频率等) 分别受到操作压力p0、活塞质量m、各加速阶段位移 (配气参数) S1、S2、S3等因素的影响。下面以主要参数为基本数据, 推导主要参数与输出性能的关系方程并求解, 同时, 通过只改变要分析的参数而其他参数不变的方法来分析各因素对输出性能的影响。

对于气腔a、b中的气体, 其压力p与活塞位移S的关系如图4所示。下面以冲击过程为例建立驱动装置动力过程的参数方程。

(a) a腔 (b) b腔

驱动装置的冲击能Ek为

Ek=mv2/2 (1)

式中, m为冲击活塞质量, kg;v为活塞撞击速度, m/s。

当冲击机构的基本参数确定后, 活塞质量m与结构尺寸有关, 冲击速度v与压缩空气做功有关。

匀加速过程为图4中位移S1段, b腔气体压力为p0, a腔气体压力为p1, 活塞摩擦力为常数F, 则有

$a_{1} = [\frac{π}{4} (d^{2} p_{0} - D^{2} p_{1}) - F] / m (2)$

$t_{1} = \sqrt{2 S_{1} / a_{1}} (3)$

$v_{1} = \sqrt{2 S_{1} a_{1}} (4)$

式中, a1为位移S1段活塞加速度, m/s2;t1为位移S1段时间, s;v1为位移S1时的速度, m/s;d为b气腔截面直径, m;D为a气腔截面直径, m。

变加速过程为图4中位移S2段, 此时, b腔气体作用不变, 做正功, a腔气体绝热压缩, 做负功, 对于绝热压缩过程, pvk为常数, k为绝热系数, 对此过程, 采用准稳态方法计算, 有

$p_{S} = p_{1} (\frac{V_{1}}{V_{1} - A_{1} S})^{k} (5)$

aS= (p0A0-pSA1-F) /m (6)

$A_{0} = \frac{π}{4} d^{2} (7)$

$A_{1} = \frac{π}{4} D^{2} (8)$

式中, pS为活塞位移S时a气腔压力, MPa;V1为a气腔初始体积, m3;S为活塞位移, m;aS为活塞位移S时的加速度, m/s2;k为绝热系数, 取k=1.41。

由式 (5) 、式 (6) 、式 (7) 得:

$\begin{array}{l} \frac{d^{2} S}{d t^{2}} = a_{S} = {\frac{π}{4} [p_{0} d^{2} - \\ p_{1} (\frac{V_{1}}{V_{1} - \frac{π}{4} D^{2} S})^{k} D^{2}] - F} / m (9) \end{array}$

初始条件为t0=0, S0=0, v0=v1。

终了位移为S1=S2;之后, 求出位移S2处的速度v2、时间t2。

减速撞击过程为图4中位移S3段, a、b腔均通压力为p0的压缩空气, 在a、b腔压力差作用下, 活塞减速撞击气缸前端盖, 有

$a_{3} = [\frac{π}{4} (D^{2} - d^{2}) p_{0} - F] / m (10)$

v3=v2-a3t3 (11)

S3=v2t-0.5a3t $_{3}^{2}$ (12)

式中, a3为活塞位移S3段加速度, m/s2;v3为活塞撞击速度, m/s;t3为活塞位移S3段时间, s;t为力作用时间。

相应冲程时间tc=t1+t2+t3。活塞的回程运动与冲程类似, 相应可求得返程时间tb, 回撞速度v′1。

活塞运动周期:T=tc+tb, 相应的频率为p=1/T。

返程初始速度可由下式确定:

$v^{'} = \frac{m - m_{w} e}{m + m_{w}} v_{3} (13)$

$u = \frac{(1 + e) m}{(m + m_{w})} v_{3} (14)$

式中, v′为活塞撞击后速度, m/s;u为冲击机构前进速度, m/s;mw为除去活塞的冲击机构总质量, kg;e为恢复系数, 对于钢对钢撞击, e取0.56。

在MATLAB环境编制程序, 对驱动装置的动力过程进行模拟计算, 计算框图如图5所示, 输出结果如图6～图8所示, 其中, vc为冲击速度, vb为回撞速度。

由图6可以看出, 冲击能Ek、冲击速度vc随着S1的增大而增大, 而频率f、回撞速度vb随着S1的增大而减小。说明匀加速阶段位移S1对冲击能、冲击速度起主要作用。

由图7可看出, 冲击能Ek、冲击速度vc、回撞速度vb随着S2的增大而增大, 但增大的幅度没有S1作用明显;频率f随着S2的增大而减小, 这是由于S2的增大使得活塞冲击及回程时加速度减小, 在相同位移内, 运动时间长引起的。S2的大小主要由活塞与配气杆之间迷宫密封的最小长度决定, 在满足密封要求的条件下, 可以适当增大S2改善输出性能。

与匀加速阶段位移S1的作用相反, 减速阶段位移S3的作用则是降低活塞冲击速度, 提高回程速度的, 由图8可以看出, 冲击能Ek、冲击速度vc、频率f随着S3的增大而减小, 而回撞速度vb随着S3的增大而增大, S3对活塞的回撞速度起决定作用, 因而在保证一定的冲击速度和冲击能的情况下, 适当地提高S3对装置的振动是有利的。

4 性能测试试验

应用传感器直接测得气动冲击机构的冲击力, 建立的测试系统[9]由冲击器、测力传感器、变送器、电源与示波器、单片机采样系统及计算机系统组成, 如图9所示。驱动装置的主要性能参数测试结果如图10所示。

(d) 单片机采样系统 (e) 计算机检测系统

(c)

图10中冲击能Ek由下式确定:

$E_{k} = \frac{1}{2} m v^{2} = \frac{1}{2} m (\frac{F_{1} t}{m})^{2} (15)$

式中, F1为测得的冲击力, N。

由图10可看出, 当系统供气压力增大时, 冲击能、冲击速度和频率均增大。

从试验结果与理论计算的对比分析可知, 试验值与理论计算结果相一致。

5 结论

(1) 驱动装置的三维结构设计无干涉, 可以验证设计的合理性, 为实际工程制造提供参考。

(2) 工程设计的目的是在满足一定的冲击能、冲击频率条件下, 使得冲击机构具有最短的长度, 配气参数对性能的影响将对实际设计具有指导作用。

(3) 冲击能与活塞质量、活塞速度的平方成正比, 一般在设计时应保证一定的活塞质量。

(4) 理论与试验均表明系统供气压力与冲击能、冲击速度、回撞速度呈递增趋势, 因此, 在满足操作能力的前提下, 提高系统供气压力对于驱动装置的前进冲击运动是十分有利的。

参考文献

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单轴机器人驱动器设计篇3

关键词：双差速驱动,嵌入式系统,图像采集,路径规划,闭环控制,采摘机器人

0 引言

在果蔬采摘机器人的驱动系统设计过程中,机器人的转弯性能和寻迹能力是设计的核心问题,采用双差速驱动来控制采摘机器人的移动是一种典型的非完整系统,该控制系统具有强耦合性和非线性等特点,其控制问题受到了国内外专家和学者的广泛关注。四轮驱动采摘机器人和两轮驱动相比,控制模型更加复杂,耦合也更加严重。四轮驱动主要采用双差速驱动系统实现机器人的全向运动,其运动灵活,不受非完整约束; 但其摩擦因数小、承载能力有限,因此其设计较为困难。本研究针对双差速驱动系统的非线性和冗余运动约束问题,首先建立了速度协同运动的非线性运动模型,并进行了线性优化,提出了一种基于嵌入式监控图像采集反馈信息的控制系统,对采摘机器人移动性能的改进具有重要的意义。

1 驱动系统总体设计

采摘机器人的双差速驱动部分主要由4 个三相步进电机和驱动结构组成,步进电机驱动前后轮,推动机器人前进和后退,驱动左右轮的速比,实现机器人的转弯。为了提高采摘机器人转弯的灵活性,将传统的双轮结构改为平面轴承,从而降低了采摘机器人结构的复杂度,驱动电机通过齿轮和轴带动轮旋转,其结构如图1 所示。

步进电机的转速可利用脉冲信号的频来改变,实现较高精度的调速。利用对电机施加不同的脉冲信号,可以实现采集机器人的前进、后退、左转、右转和调头功能。双差速驱动系统可实现机器人在任意半径下的转弯,也可以实现原地旋转,转弯的速度可利用单片机程序进行控制,方便简单。采摘机器人服务器系统结构如图2 所示。

采摘机器人的Internet服务器主要由服务程序、服务数据库和通讯模块组成; 机器人控制服务器主要由主控模块、图像采集模块和通信模块组成,其核心是一台Windows XP系统的计算机。计算机装有通信控制卡、图像采集卡等硬件,利用这两层服务器可以非常好地分离网络信息处理模块和机器人硬件控制模块,提高了控制系统的灵活性和可靠性。

图3 为采摘机器人的控制系统框架结构图。控制系统采用C /S和B /S混合模式,提高了系统的灵活性,图像监控采集系统和远程网络系统利用嵌入式控制板来实现,集成在采摘机器人中,降低了系统的规模和系统成本。通过无线传感网络提高了机器人对环境的感知能力,利用标准化接口提高了系统的扩展能力,可以利用扩展卡和USB接口来实现外部设备的扩展,各功能单元可以独立运行,也可以并行工作。

2 双差速驱动系统设计

嵌入式监控系统控制的双差速采摘机器人主要利用采集图像信息对转速进行控制,当左右两轮的转速不同时,可以实现转弯功能; 当两轮转速相同时,实现直线行驶功能。假设驱动模块两轮的速度差为 Δvf和Δvr,则4 个驱动轮的速度模型可以表示为

前后驱动的角速度可以写成

假设前后驱动模块的质心速度vf和vr在x轴和y轴上的投影分别为vfx、vrx、vfy、vry,其表达式为

则采摘机器人的姿态偏差导数可以表示为

综合式( 3) 、式( 4) 可得

因为前后驱动模块在y轴方向的速度相同,于是可以得到

将式( 3) 带入式( 6) 可得

在采摘机器人时间控制过程中,控制方式采用离散方法进行控制,每个控制周期都需要采用速度约束对速度进行控制,假设距离偏差的导数为四轮驱动采集机,前、后驱动模块与机器人的夹角的导数为,机器人的控制模型可写成

利用嵌入式监控系统的反馈信息可以对采摘机器人驱动模块进行控制,系统的硬件系统主要由5 个组成部分,包括USB无线卡模块、USB摄像头模块、内部控制和传感器模块、运动控制模块和主控模块,其框架结构如图4 所示。

嵌入式监控系统的控制核心为S3C2410 微处理器,操作系统采用Linux系统,主控板上连接USB无线网卡,利用无线路由将机器人键入Internet; 图像采集由USB摄像头来完成,获取采摘环境信息,机器人内部和运动信息由传感器采集提供给机器人,其得到环境和自身内部反馈信息后,利用主控模块控制机器人的移动,其中运动模块的设计框架如图5 所示。

控制板的布线方式为双层布线,电机调速的接口为8 个,传感器接口为6 个,数字接口通道为2 个,可以对监控系统采集图像进行传输; 运动和内部传感模块利用数据串口与主控板连接,利用自定义的命令接口进行通讯服务,最终将硬件系统进行底层封装,完成采摘机器人控制系统的设计。

3 双差速驱动果蔬采摘机器人性能测试

为了验证本次研究设计的双差速果蔬采摘机器人的性能,对其沿轨迹行驶的性能进行了测试,测试项目主要包括直线行驶和转弯行驶性能。测试过程的场景如图6 所示。

测试对象为草莓采摘,给定机器人预设轨迹路线,利用嵌入式监控系统对路线进行轨迹跟踪,通过测试得了双差速采摘机器人的轨迹跟踪结果如图7 所示。

图7 中,实线部分表示果蔬采摘机器人的实际移动路径,虚线表示机器人双轮的运动轨迹。由图7 可看出: 利用嵌入式监控系统对双差速机器人进行控制后,机器人双轮可以严格地按照跟踪轨迹行走,其轨迹和预定跟踪轨迹平行,在转弯处行走精度也很高,从而验证了本次研究设计的采摘机器人的可靠性。

表1 为传统机器人和嵌入式监控系统机器人路径跟踪耗时的测试结果对比表。由表1 可以看出: 利用嵌入式监控系统可以大大提高双差速机器人路径跟踪的速度,缩短了路径跟踪的耗时,从而提高了果蔬菜采摘的效率。

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4 结论

1) 利用嵌入式监控系统集成化模式,采用双差速驱动控制系统设计了一种具有自主寻迹能力的移动式采摘机器人,并建立了控制姿态偏差和距离偏差的协同运动模型,从而大大提高了采摘机器人移动和转弯的灵活性。

单轴机器人驱动器设计篇4

机器人是近年来国内、外研究较多的热点课题,在生产和生活中的应用也日趋广泛。机器人各种功能的实现大都依赖于各种传感器采集的环境信息,云台作为承载机器人传感器的装置,其运行性能的优劣直接决定了传感器采集环境信息的准确性,从而对机器人运动控制、目标识别和追踪都有着至关重要的影响。

目前大多数的云台采用单片机加步进电机的控制方案[1,2]。选用单片机作为主控芯片,其数据交换和传输速度有限;另外,系统硬件的驱动部分和控制部分分离,采用两块电路板,结构复杂。

本文提出的设计方案采用DSP作为云台控制部分的主芯片,选用两相混合式步进电机作为云台的执行机构,硬件上采用控制驱动一体化的设计,弥补了上述不足。

2 总体设计方案

本云台主要应用在室内移动机器人上,受室内空间的限制,云台的体积应当有一定的限制,以方便传感器对于一些比较特殊的环境信息的采集。实际设计出的云台体积为:长10cm,宽10cm,高12cm。云台实物图如图1所示。

图1中,(1)、(6)为水平方向上的限位开关,(2)、(4)为俯仰方向上的限位开关,(3)为水平方向上的步进电机,(5)为俯仰方向上的步进电机,(7)为串口通信接口。

云台旋转带动传感器对周围环境进行扫描或对某些特定对象进行追踪,在扫描周围环境时,需要云台匀速、平稳运动;而在追踪某些特定对象时,其运动速度就需要随着对象的变化而及时改变。两者都要求云台有较高的速度性能。另外,高性能的云台也应具有非常精确的定位功能。

因此,根据需要,云台应具备以下性能:

(1)在水平-(2)90~90度,俯仰-(3)60~60度两个自由度上运动;

(4)运动速度范围为水平0~75度/秒,俯仰0~22.5度/秒,在此范围内可任意匀速或变速运动;

(5)在水平和俯仰运动范围内可精确定位,定位精度可达到0.225度;

(6)具有开机自检复(7)位功能;

(8)可选择工作在位置模式、速度模式和扫描模式;

(9)能够及时地和上位机进行信息交互。

系统运动控制部分总体设计框图如图2所示。

云台的运动控制核心部分采用数字信号处理器芯片,该芯片中主要负责水平和俯仰两个自由度上的电机的运动控制以及与上位机的通信,保证了芯片工作的专一性,提高了芯片工作的效率。上位机通过串行通信将运动控制指令发送至DSP,在DSP中会校验上位机发送的控制指令数据的完整性,当确认信息无误时响应上位机的指令,通过光耦进行电平转换后,把运动控制信号传送给电机驱动芯片,保证了电机能够准确的按照上位机的指令运动。另外,在水平和俯仰两个方向上均安装了限位开关,一方面可以防止云台失控后的随意运动,另一方面在开机复位时能够保证复位的精准度。

3 硬件部分设计

3.1 DSP性能

本系统的DSP芯片采用TI公司的TMS320LF2407定点DSP,该芯片专用于电机的运动控制,其内部包含两个专门用于电机控制的事件管理器模块EVA和EVB,能够方便地实现电机的数字化控制;具有JTAG仿真接口能够实时在线仿真;包含串行通信接口模块以及高速的中断处理功能[3]。以上优点和其相对低廉的价格使得该款芯片非常适用于本云台系统。

3.2 步进电机特性及其选择

步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件,其具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点,广泛应用于机电一体化产品中[4]。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量,通过控制脉冲个数来控制角位移量;同时通过控制发送脉冲的频率来控制电机转动的速度和加速度。

由于步进电机在没有通电时,定子锁住转子的力矩比较小,为防止云台在俯仰方向上滑落,特别选用了自带减速箱的步进电机,以增大力矩。

3.3 系统驱动策略

步进电机在开环控制中无累计误差,可以精确控制,鉴于成本方面的考虑,本设计方案中采用开环控制系统。

尽管步进电机具有控制方便、无累计误差等特点,但如果仅仅运行在整步状态,其运行不够平稳,转轴的抖动很剧烈;另外,市场上大部分的混合式步进电机的步距角均为1.8度,限制了定位的精度,为了解决上述问题,必须对步进电机进行步距角的细分。

所谓细分,是指将原来步进电机的一步细化,分为N细步走完,即当有脉冲输入时,绕组中的电流不是一次升到幅值,而是分为N个阶级,逐个阶级的升到幅值[1]。这样,每输入一个脉冲,步进电机运行原步距的1/N,增加了旋转的精度;细分的步数越多,绕组内的电流波形越近似于正弦波,步进电机的运行就越平稳。

本系统采用ALLEGRO公司的两相步进电机专用细分驱动芯片A3977。该芯片体内部特殊的译码电路简化了电机的控制。只需要“DIR”、“STEP”、“ENABLE”三路信号就能够完成最简单的步进,通过改变“MS1”、“MS2”引脚的高低电平组合就可以工作在不同的细分状态,省去了编写复杂的相序表,最多可细分到1/8微步,完全满足了云台高精度的要求。A3977外围电路连接图如图3所示。

3.4 控制驱动一体化电路板设计

3.4.1 电源模块

本系统中需要多种供电电压,如核心的DSP芯片供电电压为3.3V,驱动芯片和串口模块的供电电压为5V,而机器人本体只能够提供24V的直流电压,这就需要作电平的转换;另外,云台的控制驱动一体化电路板即含有数字器件,如DSP芯片,又包含模拟器件,如驱动芯片A3977,对于模、数混合电路,数字地和模拟地的相互干扰将严重影响系统的稳定运行。

本系统采用数字供电系统和模拟供电系统分开的方式。首先,用DC/DC稳压模块将24V电压转化为5 V电压,通过LM1117-3.3将5V电压降为3.3V供给DSP芯片,采用DC/DC稳压模块把数字地和模拟地完全分离,减小了模拟地的干扰。其次,利用稳压芯片7812和7805通过两级转换把24V电压降为5V电压,供给模拟器件。采用两级转化是为了在稳压过程中减小功耗。在实际的研发过程中,取得了很好的效果,整个系统的供电非常稳定。

3.4.2 串口通信模块

本系统的串口通信采用RS-232的标准,DSP的串口是CMOS电平,需要设计电平转换电路将CMOS电平转化为232电平。在设计中选用TI公司出品的MAX232芯片来实现电平转换,其接口电路简单、方便,只需要“发送”、“接收”和地三路信号就可以实现与上位机通信。

4 软件部分设计

整个系统的软件部分的设计主要分为两部分:一部分是云台各项功能的实现,另一部分是与上位机之间制定的通信协议。系统软件部分流程图如图4所示。

本系统的软件开发采用C语言和汇编语言混合编程的方式,开发环境采用TI公司提供的CCS集成开发环境,集成了编辑、编译、连接和调试等多种功能,在线调试非常方便[3]。

4.1 云台功能的实现

本云台具有以下四个基本功能为:开机自检复位功能、调速功能、定位功能和自动扫描功能。

开机自检复位功能(水平方向为例)的实现流程如图5所示。

云台上电,DSP初始化完成后,首先运行复位程序。复位程序单独编写成一个复位函数,当两个限位开关的位置固定后,云台从一个限位开关处旋转到另一个限位开关处所需输入的脉冲数N是固定的,只需发送N/2个脉冲,云台就会停止在两个限位开关的中间位置。由于步进电机没有累积误差,低速运行时不会产生失步,因此,每次完成自检复位后,云台都会停止在同样的位置。

在本系统中,采用查询I/O口电平的变化来检测云台是否碰撞到限位开关。将限位开关的触点连接到DSP的I/O口(这里作为输入端口使用),这时DSP接收到I/O口的输入为低电平,当云台碰撞到限位开关时,该I/O口的输入变为高电平,这就意味这云台已经旋转到某一方向的最大位置。在复位函数中,通过循环查询DSP的不同I/O口高低电平的变化,判断云台碰撞到的是左侧还是右侧的限位开关。

脉冲频率由DSP的定时器控制,每产生一次定时中断,就将发送脉冲的I/O口的电平翻转一次,步进电机接收到由低到高的脉冲信号时会产生一次步进,于是,脉冲的发送周期就是定时器中断周期的两倍;采用延时的方式改变发送脉冲的频率,改变定时器延时常数即可调整云台运行速度。

在定位模式状态下,将云台期望旋转的角度和速度折算到步进电机运行的步数和脉冲发送的频率,通过串口发送至DSP,云台就可以按照既定速度运行,当电机运行实际步数与期望运行步数相等时,停止脉冲发送,即可实现定位功能。

将A3977调整为1/8微步工作模式,每输入一个脉冲,步进电机仅旋转步距角1.8度的八分之一,云台定位精度可达到0.225度。

在自动扫描功能模式下,云台每次旋转碰撞到限位开关时,不会断掉使能信号,仅仅改变运动方向,这样,云台就能在最大运动范围内以任意可达到的速度自动扫描。

4.2 串行通信协议

上位机与DSP的串行通信选用115200bps的波特率,最大程度地提高通信速度。为了保证数据传递的准确、可靠,制定了两者之间的通信协议。其中上位机传递给DSP的数据格式为:

数据1代表自由度和工作模式的选择,DSP内部的串行通信接口模块的所有寄存器为8位,因此其串口数据发送都是八位的,二进制表示的数据1的低六位表示工作模式的选择,高两位代表自由度的确定。例如:0x40二进制表示为01000000,01代表水平电机工作,后六位表示工作在扫描模式。数据2代表在不同的工作模式下需要发送给电机的数据个数,即数据2的值决定了数据3至数据N的个数。例如:工作在位置模式下,数据2为0x08,N的值为10,其中,数据3、数据4代表水平方向的速度,数据5、数据6代表俯仰方向的速度、数据7、数据8代表水平方向上的相对位置,数据9、数据10代表俯仰方向上的相对位置。校验采用了循环冗余校验算法(CRC),保证了数据发送的可靠性。

5 实验分析

为了验证本设计方案中云台定位的精确性,设计如下实验:将光电编码器与步进电机同轴相连,把编码器的信号反馈至DSP,与云台期望旋转的角度作比较,通过期望旋转角度与实际旋转角度的误差来判断云台定位的精确性。本实验选用两相输出的绝对式光电编码器,精度为360线,即编码器旋转一圈输出360个脉冲。DSP中有专门的编码器脉冲接收电路,并在内部将接收的脉冲四倍频,即编码器发送一个脉冲,定时器计数四次。

在0~180度区间内,运行速度为45度/秒时实验结果如表1所示。

表1所示的实验结果表明:云台在其速度范围内运行时,实际旋转的角度与期望旋转的角度的误差在-0.25~0.25度范围内,考虑机械结构的影响,本设计满足了期望达到的定位精度。

6 结束语

本文提出的设计方案将DSP和步进电机的控制系统应用于机器人云台,采用控制驱动一体化设计,将控制部分和驱动部分集成在一块电路板上。本设计方案已申报国家专利[5]。按照本方案设计出的云台结构简单、体积小、具有调速、精确定位、开机自检复位和自动扫描功能。下一步将准备引入光电编码器和步进电机构成闭环控制系统,另外,在步进电机的加、减速控制方面加以改善,进一步地提高云台的性能。

参考文献

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[4]史敬灼等.步进电动机伺服控制技术[M].北京:科学技术出版社,2006.

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