通过行一个的触电进行通信。模块不具备三维空间的对称性,通过模块之间不同的组合方式进行自重构。模块两端的连接面不相同,因此作用也就不同,导致模块通用性变差。M-TRAN模块化机器人如图1-4所示。
Toronto大学的学者们研制出了 MRS型模块化机器人[14]。整个系统中的关节模块包括有转动关节模块、移动关节模块以及腕部关节模块等三种模块。学者们对该系统的运动学模型进行了深入的研究。学者们还研制了另外一种模块化机械人系统, IRIS机器人系统。该系统是可进行重构的模块化的机器人系统。系统机构包含有2个4自由度机器人, 每个机器人均为可通过重构构成新的机器人系统。这些机器人由转动关节构成, 每个关节由单独的直流伺服电机驱动,并且配备有力矩、位置等传感器。
Stuttgart[15]大学研制出的模块化机械臂由连杆模块和多自由关节模块组成,每个多自由度的关节模块都由交流伺服电机驱动,由差动齿轮进行减速和传动的。由于机械结构的设计,使得模块之间的连接非常简单易行[16]。在数据库文件中存有该型模块化机械臂的构型设计程序,通过选择不同的连杆模块和关节模块,可以组装成特定任务需要的不同的操作臂。
Texas大学研制出了更加细化的模块化机器人。该机器人系统根据模块的不同作用将模块分成了3种不同的关节模块,分别为:肩关节和腕关节模块、肘关节模块以及指关节模块。3种模块由于具有不同的作用,因此具有不同的机械结构。肩关节和腕关节模块是为了给机械臂提供全方位动作的能力,因此具有3个自由度。財关节只需要给机械臂提供一个可以使机械臂收缩和展开功能,所以肘关节具有1个自由度。指关节作为机械臂的末端执行器需要灵活的完成各种动作,因此,指关节具有两个自由度。该机器人采用的基于关节功能的以及元件的设计方法,使得机器人的不同关节的模块在具有不同的机械结构。学者们根据不同的形状以及尺寸,对机械臂的各个连杆模块进行了设计。
模块化机械臂在航天领域运用时非常广泛的,多国在轨机械臂都是这一类型。最典型的是国际空间站中美国船段的美国航天局和加拿大航天局联合研制机械臂系统MSS。该系统由一个灵巧的操作臂SPDM和一个空间站遥操作系统SSRMS组成。每个关节都有很强的互换性,可完成在轨更换。关节内部有两套控制系统和驱动系统,可互相备份,每个关节都具有标准的机械和电气接口。如图1-5
所示:
德国宇航中心(German Aerospace Center, DLR)开展了轻型机械臂在轨验证项目ROKVISS的研制[17],于2005年1月安装在俄罗斯服务舱段的船夕卜, ROKVISS系统的核心组件是二自由度的轻型机械臂操作系统。如图1-6为德国宇航中心DLR的ROKVISS。
1.3 输出特性研究现状
早期为了研究空间机械臂的动力学特性,学者们往往会采用简化模型来描述机械臂关节的动力学特性[19]。但是随着机械臂越来越广泛的应用,对机械臂关节的控制精度的要求也就越来越高。传统的简化关节模型由于都是在假设关节变形小的情况下提出的[20]、而且只适用与刚性较高、传动较为简单的机械臂关节,已经不能适用于现在的需求。因此,学者们对机械臂关节的模型进行细化建模,来满足控制对模型的需求。细化模型是指在对空间机械臂关节建模的过程中将机械臂关节内部的摩擦、柔性、非线性等因素都考虑在内的建模方式。
关节的迟滞模型是关节细化模型的重要组成部分,对正确的表示出关节的特性有着重要的意义。准确的关节迟滞模型对机械臂关节的控制补偿精度有着重要的意义。关节的迟滞是指的输出力矩滞后于输入轴与输出轴夹角的输入输出的关系[21]。Huang等[22]以分段线性化的形式近似的表达出了谐波的非线性滞回刚度,证明非线性滞回刚度对关节有重要的影响。Dhacmad[23]等建立了迟滞的微分方程形式的模型,该模型考虑了关节迟滞的记忆特性,但是由于没有考虑关节迟滞的非局部记忆特性,而使得该模型表达不够准确。Magnani[24]等利用关节的实验共振频率反推出刚度值,实验复杂,由于受到精度的影响,因此准确性难以保证。Ruderman[25]等通过去工业机械臂的研究建模,应用了 Preisach模型对关节迟滞进行了较为准确的建模,但是由于Preisach模型计算过程复杂,该模型很难应用到实际控制补偿中。HD Systems, Inc[26]公司的产品说明书中建议用分段线性化来描述谐波传动的关节迟滞中的非线性刚度,该方法用在关节中由于其他因素的干扰而不能准备表示出关节的真实特性。
因此,为了适应机械臂关节控制的越来越高的需求,对装有谐波减速器的空间机械臂关节进行研究,并建立合适的关节迟滞模型。
1.4 模块化设计在机械设计中的应用
模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格
的产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合可以构成不同的产品,以满足市场不同需求的设计方法[27,28]。模块化设计中的模块有以下特点:(1)每个模块具有相对的独立性,在设计、加工、组装、调试阶段可以独立完成;(2)每个模块具有较强的互换性,模块的接口部件具有标准化的特点,在实际运用中可以实现互换[29,30]。近年来,模块化设计在机械设计中得到了越来越广泛的应用。在机械设计中通过准确的模块化划分,可以将整体的机械设计分割成若干个机械模块,进而简化机械的设计过程。在进行模块化机械设计时要注意各个模块之间的装配问题。因此为了保证运用不同的模块时机械能够正常工作,需要保证模块的可更换性。则在进行模块机械设计时需要为每个模块的接口进行标准化的设计。运用模块化的设计方法,在设计中通过划分组合的方式来完成整个机械的设计、加工、组装、调试等工作,不仅有利于提高设计的设计效
果,而且能降低机械设计的成本,从而提高整体设计的科学性,对促进机械设计的顺利进行具有非常重要的意义[31]。
第二章 模块化关节设计
2.1 关节特点分析
通过分析已有机械臂关节的特点,本文设计的机械臂关节需要具有以下主要特点:
1)机械臂关节需要具有稳定的动力系统和可靠、高效的传动系统。本文中采用分体式直流永磁无刷伺服电机作为关节的动力源,利用短轴柔轮杯型谐波减速器作为关节的减速装置。这两部分构成机械臂关节的传动装置,该装置具有单级输出扭矩大、总体质量轻、传动精度高等特点。
2)机械臂关节需要具有高精度的控制能力。本研究中的关节内部装有旋转编码器、旋转变压器等测量装置,利用这些装置可以精确的测量出机械臂关节的实时姿态以及机械臂关节旋转的角度、角速度等数值,通过这些数值的反馈改变机械臂的控制策略,完成对机械臂关节的精确控制。
3)机械臂关节需要高度的集成化。本研究中的机械臂关节的外部直径为100mm,内部集成了多种零部件,分别为:分体式直流无刷伺服电机、短轴柔轮杯型谐波减速器、增量式光电编码器、旋转变压器、关节驱动器、高精度的深沟球轴承等。
4)机械臂关节要具有标准化的、统一的机械与电气接口,具有良好的互换性。本研究中的关节釆用了模块化关节的设计思想,机械臂关节的外部接口釆用了标准化的设计,具有一致的机械接口。同时外部也具有标准的统一的电气连接接口。使机械臂关节具有良好的互换性。
5)机械臂关节采用相同的实时串行通讯总线结构。机械臂关节采用CAN总线通讯,便于机械臂关节的电气连接与控制。
2.2机械臂关节的结构设计
本文中的机械臂系统由4个单自由度机械臂关节、1个手爪、2个碳纤维臂
杆组成。机械臂主要实现按照中央控制器的指令,以所要求的精度控制关节运动的功能。机械臂关节控制主要有两种工作控制模式:1)角度控制模式;2)角速度控制模式。
根据机械臂的总体构型设计,本文中的机械臂具有两种不同的机械臂关节,分别可以使机械臂臂杆在平行于实验平台的平面内运动,以及使得手爪可以在垂直于实验平台的平面内进行旋转运动。整个机械臂系统由两种不同的机械单关节组成,分别为:直角型单关节和直线型单关节。这两种关节内部选择的各种元器件基本上相同,而且具有相同的外部机械与电气接口,因此可以通过简洁的方式连接起来。
2.2.1机械臂单关节的组成及功能
本文中的机械臂关节由于所在位置以及功能的不同设计有两种不同的外形,分别为直角型单关节和直线型单关节。
本文中的四自由度机械臂关节分为肩部关节、肘部关节、腕部关节三个部分。根据模拟实验的要求,以及地面气浮实验平台的要求可知,肩部与肘部的机械臂单关节只需要提供一个自由度。这两部分的关节只需要提供机械臂在平行于实验平台的平面内的转动就可以。机械臂的腕部关节的作用是:1)在平行于实验平台的平面内转动;2)控制机械臂末端手抓的姿态。因此,机械臂的腕部关节需要提供两个转动,分别是在平行于实验平台平面内转动和在垂直于实验平台平面内转动。
为了提高整个机械臂系统中的各种关节的互换性,按照模块化关节的设计方法,这两种机械臂关节内部核心模块具有以下几个相同点:
1)可以提供一样的驱动力矩和同样的传动精度。两种机械臂关节的内部选用相同的分体式电机、短轴谐波减速器。
2)可以达到同样的控制精度,完成同样精度的任务。两种关节内部选用相同的测量元器件,采用同样的旋转变压器和旋转编码器。
3)内部核心模块可以互换。内部核心模块的动力产生装置、传动装置采用相