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移动机械手结构设计_10

1 引言

  所谓移动机械手,就是将机械手安装在移动平台之上。这种结构使机械手拥有几乎无限大的操作空间和高度的运动冗余性,并同时具有移动和操作功能,这使它优于移动机器人和传统的机械手,因此在危险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用前景。但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在,都使得对移动机械手的研究具有相当的挑战性。近年来,对移动机械手的控制策略、运动规划等方面的研究已越来越受到国内外的重视,并已经取得了一些很有价值的研究成果。我国在这方面起步较晚,研究多集中在理论方面,目前还停留在仿真阶段[1-2]。因此,设计制造一个实际的移动机械手平台,无论在理论上还是实践上都是非常有意义的。

  实际的移动机械手系统可能具有不同的外型结构及功能[3-4],但在原理、模型等方面往往具有相似性。本文将以实验室中新近设计装配的移动机械手为研究对象(见图1),详细阐述系统的结构,论述将分为移动平台、机械手、运动控制等三个主要方面。

2 移动平台

  2.1 移动平台结构设计

  移动平台本身就是通常所说的移动机器人,目前,可供选择的移动平台大体可分为三种:足式、履带式和轮式。前两种目前还处于实验阶段,尤其是足式机器人在技术上还不成熟、不完善。而轮式移动机器人因其控制简单,运动稳定等特点,因此设计移动机械手的移动平台时就选择了轮式移动平台。

  根据运动平台的运动特性,又可以把移动平台分为两种:全方位移动机器人和非全方位移动机器人。常见的移动机器人多为差分驱动型或car-like型,其成本较低容易制作,但不可避免的引入了非完整约束,给规划和控制带来了困难。若移动平台具有前后、左右、及自转3个自由度,则为全方位移动机器人,否则即为非全方位移动机器人。这里所采用的是全方位移动平台,这样就与其他典型移动机器人不同,没有诸如转弯半径等的几何限制,因此具有良好的运动性能。这是所设计的移动平台的一大优势。

  全方位移动机器人通常由3个或3个以上的偏心方向轮构成,这里所选用的全方位移动机器人是由对称分布的3个偏心方向轮构成,轮间夹角120,实物图如图2所示,其运动学分析详见文献[5]。

  2.2 电机及驱动器的选择

  移动平台所用电机均为伺服电机。车轮转向电机型号为maxon f2260-889(圆形,48v 80w),减速比为25.909;车轮滚动电机型号为maxon re75-118829(方形,48v 250w),减速比为13.292。每个车轮的转向和滚动均通过1个二自由度的差动轮系来实现。车轮的滚动不影响转向;但车轮转向时,若滚动电机没有补偿驱动,车轮的滚动会产生随动,二者的速比为4.0923,滚动电机补偿驱动(反向驱动以消除随动)时,两个电机的驱动速比为9.0596。

  这里所选用的是驱动器是maxon 4-q-dc servoamplifierads,该驱动器采用pwm技术对直流电机进行调速。其适用电机的功率范围为10w~500w,因此移动平台的转动、滚动电机均可选用该种驱动器。

  2.3 传感器

  在移动平台的车轮上装有光电编码器,通过对车轮转动和滚动的记录可以大略地确定平台的当前位姿,这种方法虽然简单但不精确,当车轮与地面打滑时将产生误差,并且这种误差会随运动距离的增加而累积增大,因此平台的定位还要综合考虑超声、红外、视觉等其他方法。单个超声传感器只能探测一定方向范围内的障碍物,不能发现其他方向上的障碍物。同时由于幻影的存在,即使障碍物和机器人很近,机器人却误认为障碍物很远,从而导致碰撞的发生,因此需要采用多个超声传感器,得到其他方向上的障碍物信息,消除幻影的干扰。在移动平台的外表面,分布有超声传感器和红外传感器,用于移动平台的定位与导航。超声传感器共18个,红外传感器共36个,均匀分布在平台的圆周上,分别用于探测远、近的距离。其中超声传感器的探测距离为6inch~35feet,红外传感器为10~80cm。在机械手顶部安装有数码摄像机,其拍摄的图象由数据采集卡传给计算机,用于视觉定位。仅靠某种传感器来定位是不够精确的,必须综合利用多种传感器的信息。如何合理有效的对这多个传感器的信息进行融合也是一个值得研究的方向。

3 机械手

  3.1 机械手结构的设计

  就目前期望该移动机械手完成的任务(具有自主导航能力,完成触动开关等简单任务)而言,有四个自由度就已经可以满足要求了,但考虑到以后功能的增加,这里设计了一个具有五自由度的机械手,这五个自由度分别是手关节、腕关节、肘关节、肩关节和升降关节。其结构见图3。图3中虚线为各关节轴的方向,除升降关节外每个关节均可绕轴方向转动,升降关节可沿直线导轨上下运动。

  所设计的机械手的一大特点就是其质量较轻(相对平台而言),这样在机械手运动时对平台的稳定性的影响很小,也就不会造成平台因机械手的运动而翻到的严重后果。

  3.2 电机及驱动器的选择

  这里为每个关节选用了步进电机,与同扭矩的伺服电机相比,步进电机具有以下优点:质量轻、体积小、不需减速机构、成本低。而且步进电机控制比较容易,电机的角位移正比于所给的脉冲数,电机的速度正比于脉冲的频率,所以对步进电机的位置控制最终可归结为对脉冲数的控制,速度控制可归结为对脉冲频率的控制。

  虽然步进电机曾经有高频易丢步,低频易共振等问题,但随着混合式步进电机以及基于交流逆变和pwm恒流控制驱动器的出现,这些问题已得到改善。本次设计均选用2相混合式(亦称感应子式)高扭矩步进电机。各关节主要的相关参数见附表。

  从附表可以看出,若驱动器不带细分功能,由电机步距角为1.8可知,每给电机一个脉冲,电机转动1.8,相当于细分数为200,这样的精度显然太低了。在选择控制器时必须要保证足够的精度,也就是要求驱动器有较高的细分数。这里选择的是db6630两相步进电机控制器,其细分数从400到40000分为8挡,可根据精度需要设定。

  3.3 机械臂长度的设计

  监控系统的主机安装于移动平台中,显示器置于导轨后端。控制结束后,机械手收敛于导轨前端,该状态也是控制开始时的初始状态,如图4所示。

  显然,对机械臂长度的设计的主要依据就是底座(移动平台上表面)的半径32cm。如图4所示,机械手的初始状态应位于底座圆面之内。在此原则下,设计手长21cm,前臂长30cm,上臂长25cm,实践证明满足要求。

  在这样的臂长下,比较一下驱动器不带细分和驱动器细分数为20000的情况下,腕关节角为0时,机械手末端的最大误差。显然机械手末端最大偏差出现在肩、肘和腕关节都伸直的状态下,每个关节相对与前一关节的最大偏差为一个脉冲角,如图5所示。机械手各关节伸直状态下的机械手总长76cm。

  当驱动器无细分时,最大偏差角为1.8,可得最大偏差为4.648cm。当驱动器细分数为20000时,最大偏差角为0.018,最大偏差为0.046cm。驱动器需要高细分数的必要性就一目了然了,而且越是远离手部的关节对精度要求越高。这里,步进电机的细分数均设为20000。

4 运动控制(motion control)

  所选用的是两块galil公司的dmc1860运动控制卡,这两个都是六轴控制卡,可以控制六轴联动,进行直线插补和圆弧插补等运动。dmc1860运动控制卡可直接安装于pci插槽中,具有通讯速度快、编码速度快、命令丰富和抗干扰能力强等优点。可以对该控制卡的每个轴进行组态,既可以用来控制伺服电机,又可以用来控制步进电机。这里分别用来控制移动平台的6个伺服电机和机械手的5个步进电机。控制系统框图如图6所示。为方便起见,这里两种情况只各画一组电机。

  对移动平台的伺服电机而言,dmc1860可为其提供10v的控制信号,这个控制信号将被驱动器转换成相应的电流信号用以驱动电机。dmc1860每个轴的控制信号的输出da精度可达16位,足以满足系统对精度的要求。对伺服电机采用闭环控制,电机的运行状态通过编码器反馈给控制卡,每轴均采用pid滤波算法,p、i、d参数各自独立调节,互不影响。

  对机械手的步进电机而言,dmc1860可为其提供步进脉冲信号pulse和方向电平信号dir,步进脉冲信号用于控制步进电机的位置和速度,控制脉冲的个数及频率就可以很方便地达到步进电机的调速和定位目的。

  步进电机没有编码器,因此对步进电机的控制是开环控制,见图6,因此控制器无法知道电机的当前状态,所以必须对机械手的初始状态加以确定,确定初始位姿后,以后各关节的位姿可由步进电机运行的脉冲数计算得到。为了确定初始位姿,为各关节安装了限位开关,这样就能够保证每次运行都具有相同的初始位姿。dmc1860带有通用i/o接口,其中包括12bit的ad和数字量输入,限位信号接在数字量输入端。

5 结束语

  本文详细地论述了移动机器人的结构设计过程,列举了一些主要参数。从最终的调试效果来看,所设计的移动机械手满足预期的要求。工欲善其事,必先利其器,要弥补在实践中的空白,就必须建立一个结构合理、切实可用的移动机械手的实验平台。现在已经建立了一个这样的平台,在此基础上,将在后续工作中建立起该平台的控制系统,对移动机械手的理论进行应用和创新。

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