基于模块化机械臂关节设计及其输出特性研究
摘要
分析了机械臂关节细化模型,提出了一种包含有关节运动误差的机械臂关节的迟滞模型。分析了关节的输出特性,研究了存在运动误差和迟滞的原因。根据对机械臂关节输出特性的研究,完成了对关节运动误差以及关节迟滞的建模。在仿真软件中搭建仿真实验模型,对建立的模型进行仿真实验研究。结果表明:该模型体现出实际关节的特性,为基于模型的控制提供了理论依据。为验证论文所研究的机械臂关节输出特性理论的正确性,为验证本论文提出的包含关节运动误差的迟滞模型的正确性,建立关节特性验证实验平台。设计关节特性实验接口件,搭建实验平台。设计验证实验,并在实验平台上完成了机械臂关节运动误差、关节迟滞的实验,验证了机械臂关节运动误差以及关节迟滞的理论的正确性,所建模型的正确性。
关键词:模块化,空间机械臂,关节建模,运动误差,迟滞
DESIGN AND EXPERIMENT RESEARCH OF A
FLEXIBLE INCHWORM PIPE ROBOT
ABSTRACT
Based on the subject of mission requirements, I have detailed analyzed the manipulator of the model and the output characteristics of the joint, proposed a new model contains the relevant section of the hysteresis error of manipulator joint movement, researched the causes of the existence of motion errors and hysteresis. According to the study of characteristics of manipulator output, I have completed the modeling of joint movement and joint hysteresis error. In simulate software, I have built a simulation model and conducted research on model simulations. The results showed that: the model reflects the actual characteristics of the joint, which provided a theoretical basis for the model-based control. To verify the correctness of the thesis research output characteristics manipulator theory and the correctness of the model include joint motion hysteresis error which was proposed in this paper, I have built the experiment platform of the characteristics of the joint verification, designed the joint interface parts and the experimental platform. At last, I designed the verification test and completed the manipulator error and hysteresis joint experiments on experimental platform. And I have verified the correctness of theory of the joint hysteresis error, as well as the model built.
Key Words: modular, space robotics, joint modeling, dynamic error, hysterics
第1章 绪 论
1.1 引言
随着现代科学技术的发展,模块化机械臂技术得到不断的提高,模块化机械臂
的应用领域也在不断的扩展,人们希望模块化机械臂能够更加灵活地适应不同的工作环境,完成越来越复杂的工作、任务[1]。
模块化机械臂是指的由一套具有不同大小、不同尺寸和不同性能的模块化关节组成,可以快速装配出适应不同工作任务的机械臂[2]。模块化机械臂关节至今为止仍然没有一个完整的、统一的定义,但是如今所有的定义都包括有以下几点:(1)是可控的、含多传感器的标准化模块;(2)在各模块间具有统一的机械和电气接口;(3)模块可用于传递运动、能量、力矩,可以进行通信;(4)通过对模块进行不同连接断开操作来改变机械臂的整体构型;(5)通过改变构型,可使机械臂适用于不同的任务[3]。
模块化机械臂能够根据不同的工作任务,运用不同的模块以快捷的方式搭建而成。可根据不同的任务需求搭建成不同的机械臂系统,来适应不同的工作环境以及应用场合,提高机械臂系统的完成任务的工作能力和系统的工作效率[4]。
由于具有超强的适应能力以及方便快捷的重构特性,模块化机械臂在实验研究、军事等各种极限环境中都发挥着极其重要的作用。尤其是在航天领域内,由于太空环境的复杂化、空间任务的多样化,机械臂的需要完成的动作越来越多、越来越复杂,因此对模块化机械臂关节的性能的要求也越来越高。
模块化机械臂关节是模块化机械臂基础的组成部件,是模块化机械臂最重要的部分,机械臂关节的重量、尺寸以及性能对机械臂系统的性能有着最直接的影响。随着控制系统以及机械加工等技术的不断的进步,模块化关节也在不断的发展中,模块化关节呈现出了精度越来越高、反应越来越灵敏、小型化、智能化、力矩输出增大化等发展趋势,以适应不断发展变化的机械臂的应用需求[5]。
机械臂的模块化是未来机械臂发展的一个重要的研究方向,在以后的生活、科研等领域中,机械臂将会在各个方面为人类服务,而机构简单、可靠性强、适应性高、方便组装及维护成本低廉的模块化机械臂无疑会具有更加实际的应用价值。
本文设计研制出一种应用在地面模拟实验平台的四自由度模块化机械臂。该机械臂由高集成度、高精度的模块化关节构成。对该模块化关节的整体结构的优化与系统的集成进行深入研究和探讨,并对关节的整体输特性进行分析与研究,为模块化关节的控制及路径规划等提供一定的参考。
1.2机械臂关节研究现状
国外科研机构对模块机器人的研究起步较早,研究也比较的深入,取得了很大
的研究成果。美国卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)机器人研究所于1988年研制了 RMMS机器人,国外的研究机构陆续研制出了多种高性能的、用途多样的、形式不一的模块化机器人。
国外第一台可重构机器人为模块化机械手系统(RMMS) [6,7]。RMMS中的各
组成部分由系统统一控制,控制方法是分布控制各组成部分硬件。系统中的模块内部包括:动力源、传动装置、感知装置和统一的接口等。研制RMMS的目的是想研制出拥有多类型、多用途的可用的机械手模块结构。系统共6种不同类型的模块:基座模块、连接模块、一种自旋转关节模块和三种旋转关节模块。其中连接模块和基座模块是固定模块,而关节模块则属于可动模块,每个都仅有一个自由度。如图1-1为RMMS关节模块实物图。
RMMS能够使模块化机器人在机械结构上可根据不同任务进行重新构型,而且各个模块可以通过接口轻松的连接到其他的模块上。在机械连接建立的一瞬间,电信号也会随之机械连接的建立而建立。链式模块化机器人通过多个模块之间的连接组合成链式或树状结构,可用作机械臂进行操作也可用作生物模拟操作。学者们对这类模块化机器人研究比较多,其中具有代表性的有PolyBot[8]、CKbot[9]。
PolyBot型机器人是由美国的Palo Alto研究所(PARC)设计完成的。PolyBot包含有两种基本模块,分别为:主动模块和节点模块。其中主动模块具有两个模块接口。节点模块则是刚性的立方体,它的六个面都具有可连接功能的接口,但是该模块本身却不具备运动能力[10]。模块采用锥形孔式连接机构,利用线圈驱动连接机构内部的旋转卡板旋转锥销上的环形槽来实现模块之间的锁紧和断开操作[11],通过对这两种模块的连接组合,可以组织成不同机械结构的机器人。PolyBot还可以搭建不同的实验平台,对不同的机器人技术进行研究。Yim[12]等人在PolyBot平台的基础上开展了多种机器人技术的研究,并且取得了显著的研究成果。CKbot是Pennsylvania大学研制的模块化机器人,该型机器人中的各模块通过CAN总线进行通讯,采用分布式的控制方法,并且配有红外线收发装置。CKbot具有较强的自组装、容错、构型识别等能力。这两种机器人模块如图1-2.1-3所示:
日本的 AIST 研究所设计了 M-TRAN[13] (Modular Transformer)机器人属于混合自重构模块化机器人。M-TRAN模块化机器人如图1-4所示:
系统的模块由两个半圆柱型的机构连接而成,利用电机来驱动两个机构进行运动,通过形状记忆金属和永磁铁来实现两个模块之间的连接和断开,在模块内部