机械臂控制系统的设计.docx

### 机械臂控制系统的设计 #### 1. 引言 近年来，伴随着中国制造业的迅猛发展，工业机器人技术亦取得了显著进步。机械臂按照承载能力的不同，可以被划分为大型、中型以及小型三大类别。其中，大型机械臂适用于搬运、码垛及装配等重型负载作业场景；中型和小型机械臂则主要应用于焊接、喷涂和检测等轻型负载领域。随着国外技术的不断演进，特别是中型和小型机器人，因其体积小巧、重量轻便、定位精确及控制稳定等特点而受到广泛关注。部分先进的设计方案甚至实现了控制箱的小型化，使得其能够在工作区域内灵活移动，极大提升了操作便捷性。在工业机器人领域，六自由度的机械臂是最常见的配置之一。此类机械臂由六个独立的旋转关节串联而成，每个关节都配备有自己的控制系统。 #### 2. 机械臂硬件系统设计 ##### 2.1 机械臂构型的选择 为了确保机械臂的抓持器能够精确地移动至指定位置和姿态，必须为其赋予适当的自由度。自由度的数量是设计过程中的关键参数，应当与所需完成的任务相匹配。为了实现复杂任务的处理并具备完备的功能，本文设计的机械臂配备了六个自由度，这样可以确保末端执行器能够达到三维空间内的任意位置和姿态，同时也避免了冗余问题的发生。在确定了自由度之后，可以通过合理布局各个关节来有效分配这些自由度。考虑到数值解法在实时控制中的计算成本较高，本文将最后三个关节用于确定末端执行器的姿态，而前三个关节则用于确定腕关节原点的位置。采用这种方式设计的机械臂可以实现封闭解。此外，定位结构采用简单的连杆转角为0°或90°的形式，即使连杆长度不相同，但所有连杆的偏移量均为零，这使得求解逆问题时的计算变得更为简便。 定位机构的主要形式包括SCARA型机械臂、直角坐标型机械臂、圆柱坐标型机械臂、极坐标型机械臂以及关节坐标型机械臂等。SCARA型机械臂为平面关节型，无法满足本文中机械臂在三维空间内任意抓取的需求；直角坐标型机械臂的工作空间相对较小；极坐标型机械臂需要较长的臂长才能覆盖较大的工作空间；相比之下，关节坐标型机械臂在其工作空间内干扰最小，是一种更优的结构。因此，初步决定本文中使用的机械臂构型为关节坐标型。 ##### 2.2 臂杆长度的确定 机械臂臂杆的设计如表2-1所示： | 臂体名称 | 大臂 L1 | 小臂 L2 | 机械手长度（mm） | |----------|---------|---------|------------------| | | 550 | 500 | 150 | ##### 2.3 机械臂结构设计 ###### 2.3.1 关节结构方案 为了便于机械臂关节的模块化设计和简化结构，本设计采用电机直接连接减速器的方式，并通过减速器与臂体相连。这种连接方式减少了中间环节，降低了形变和回程间隙，同时保持了较高的结构刚度。 ##### 2.4 关键部件的选型 ###### 2.4.1 关节负载的估算 关节的动态参数是驱动元件和关节传动部件选择的基础。根据机器人动力学原理，完整的动力学方程可以表达为一系列复杂的数学模型。对于运行速度较低的机械臂，通常使用静力学方法来估算动力参数，忽略惯性力和粘滞摩擦力的影响。而在高速运行的情况下，则需要考虑惯性力和粘滞摩擦力的作用。由于本文设计的机械臂属于低速型，因此采用静力学方法来估算各关节的力矩。 在计算关节力矩之前，假设每个关节的重力作用集中在其中心，并将连杆的重量均匀分配给各个关节。图2-2展示了机械臂的受力简图，通过静力学方法可以计算出关节所承受的最大力矩值。  **图 2-3 六自由度机械臂三维静态仿真图** 通过三维静态仿真图，可以直观地了解到机械臂在不同位置时各关节的受力情况。 ###### 2.4.2 关节驱动系统电机的选型 机械臂的驱动系统主要包括电动驱动、液压驱动和气动驱动三种基本类型，有时也会根据实际需求采用复合式的驱动系统。 - **电机驱动**：这是目前使用最广泛的驱动方式之一，利用电机产生的力和力矩直接或通过机械传动装置驱动执行机构。电机驱动系统的效率高于液压驱动和气动驱动，而且电源获取方便，因此在机器人领域得到广泛应用。 - **液压驱动**：液压驱动的优点在于其高功率密度和结构紧凑性，由于液压油的不可压缩性，系统的固有频率较高，响应速度快，能够实现频繁且平稳的变速和换向。此外，液压系统还具有良好的过载保护功能，动作平稳、耐冲击、耐振动等特性。 - **气动驱动**：气动驱动系统的组成部分包括气缸、气阀、气罐和空压机等。其特点是结构简单、成本低廉且易于维护。然而，与液压驱动相比，气动驱动系统的功率密度较低，难以进行精确的速度控制，适用于中、小负载且对精度要求不高的机器人控制系统中。 本文选择使用电动驱动方式为机械臂提供动力，并选用步进电机作为驱动电机。这种方式不仅效率高、成本适中，而且能够满足本文设计的机械臂对精度和负载的要求。