同的机械结构。
同时又由于两种机械臂具有不同的安装位置,不同的作用,因此两种机械臂关节又具有以下几种不同点:
1)连接部件不同。与两种机械臂关节相连接的零部件不同,因此接口件的机械结构不同。直线型单关节需设计与机械臂末端手爪连接的接口件;
2)内部空间设计不同。由于两种机械臂单关节的功能不同,因此两种关节的机械结构不同,则关节内部的空间不同。为了充分利用不同关节的内部空间,关节控制器等的安装位置以及机械臂关节内部的走线需进行不同的设计。
通过上文所述可知,本文设计的模块化机械臂单关节共有两种,分别为:直角型单关节和直线型单关节。机械臂单关节的结构需要满足整个系统的设计指标要求,同时要考虑机械臂关节内部的零部件的具体的安装位置:
1)机械臂关节的基本构形为圆柱形,具有标准化的机械接口与电气接口; 2)谐波减速器、直流无刷电机和编码器采用顺序串联的结构通过中心轴进行连接;
3)采用模块化设计方法,将机械臂关节的主要的零部件:分体式直流电机、谐波减速器、编码器等集成到一个核心模块中;
4)采用谐波减速器组件作为减速装置,减速器体积小、单级减速比大、减速多齿咱合、传动平稳。
关节内部包含的直流无刷电机、谐波减速器、旋转变压器、码盘等各种零部件,按照作用可分为:动力传动系统、传感系统、控制系统等部分。关节内部各部分组成如图2-1、2-2所示:
图2-1直角型单关节结构图 图2-2直线型单关节结构图
2.2.2 动力传动系统
动力传动系统的作用是为关节输出提供输出动力,本文设计的关节中包括有:作为动力源的电机和作为传动机构的减速器。上文第二章中的机械臂关节的性能指标对机械臂关节的输出力矩以及关节运动角速度范围有着严格的要求。
本文设计的关节属于空间机械臂关节,因此需要在较小的体积内完成设计,同时需要机械臂关节具有较大的输出扭矩。所以,本文首先选择体积小额定扭矩大的直流无刷电机作为关节的动力源,为关节的转动提供动力。其次,选用大减速比的减速装置来满足输出扭矩的要求,有两种方案可以实现这种功能:(1)采用大减速比的谐波减速器单级减速方案;(2)采用多级减速器依次串联的减速方案。若采用大减速比的单级减速器方案,则优点有:减速装置零部件少,体积小能够满足设计的空间要求;谐波减速器结构简单,精度较高,比较容易实现关节内部核心模块中各零部件的同轴,满足关节传动的精度以及测量的精度的要求。但是由于谐波减速器本身结构的原因,采用谐波减速器会造成机械臂关节的输出特性更加复杂,使关节具有较为复杂的摩擦、非线性刚度等特性,增加关节输出特性的研究难度。采用多级减速器依次串联使用的方案,则优点有:关节传动性能稳定,减速器传动效率高。多级传动方案的缺点是需要多个减速器,串联以后结构体积大,各部分同轴度难以保证。本文选用的直流无刷电机可以与减速器同轴相连,从而大大增加了电机与谐波减速器的同轴度,进而提高整个传动系统的传动效率。选择的谐波减速器为超薄谐波减速器,可以在比较小的空间内完成较大减速比的传动。
本文设计的机械臂关节有着严格的质量指标,因此,通过综合分析两种方案的优缺点,本文选用直流无刷电机加谐波减速器作为机械臂关节的动力传动装置。直流无刷电机与谐波减速器通过电机轴相连,谐波减速器柔轮通过法兰盘与关节动块相连。刚轮固定在核心模块上,波发生器为主动件,谐波的柔轮作为从动件。机械臂关节转动时,首先电机接受命令转动,带动主轴旋转,进而驱动谐波组件中的波发生器转动。由于刚轮是固定在核心模块上的,此时,波发生器就会驱动谐波的柔轮转动,从而实现了电机的减速。同时,通过柔轮与外接法兰驱动动块进行旋转运动。
2.2.3 传感系统
空间机械臂关节的两种控制形式:(1)以速度形式控制机械臂关节,使关节按照一定的速度匀速转动;(2)以角度形式控制机械臂关节,使关节可以精确的运动一定的角度。为了使关节能够实现这两种运动形式,关节内部需要用到精确的测量装置,为关节的控制反馈回精确的位置数据。
在关节运动过程中,首先测量出关节的初始绝对位置,然后根据关节的初始绝对位置来制定控制策略来完成整个任务。在完成整个任务的过程中,不仅需要知道关节的绝对位置,还要知道关节精确的速度等信息。因此本文选用增量式编码器和旋转变压器组成关节的速度、位置反馈系统。本文选用的编码器具有的特点是体积小、结构紧凑合理,并且有多重输出方式和多种轴径可供选择。旋转变压器的特点是分辨率高、精度高、稳定性好、可靠性高。
增量式编码器与电机轴直接相连,可以直接测量出电机轴转动的角度,从而换算出关节转动的速度,完成对关节的速度形式的控制。旋转变压器通过中心轴与谐波减速器柔轮相连,即与关节的动块直接相连,通过测量关节动块转动的角度,测量出关节的绝对位置,从而来完成关节角度形式的控制。 2.2.4 控制系统
机械臂控制系统包括上位机控制系统和下位机控制系统。上位机控制系统为控制PC机中的控制系统,可以完成对关节的数据分析、控制策略分析、路径规划等任务。下位机控制系统为机械臂关节上配备的控制器,包括控制板和驱动器。本文在完成直流无刷电机、编码器、旋转变压器等元器件的选型的基础上,根据设计指标的要求选择了 ELMO驱动器,该型驱动器本身做的已经足够强大,使之能独立完成对电机的位置、速度、扭矩控制。根据需要的各零部件,根据设计指标中要求的关节速度、角度等控制精度自行设计电路板。通过驱动器以及电路板可以实现对关节角度、速度的精确控制。 2.2.5 直角型单关节的结构设计
直角型单关节外部结构由两部分构成,分别为一个动块和一个静块。直角型的
动块与静块结构是由两个圆柱相互贯通组成。核心模块装配位置与控制器装配位置互相垂直。其中动块与传动法兰相连接,传动法兰则与核心模块中的谐波减速器的柔轮相连接。因此在动块上留有和法兰相连接的孔。静块内部需要安装机械臂关节的控制器,机械臂关节静块需要与核心模块保持静止。在静块上留有螺纹孔,以便将静块与核心模块通过螺钉进行连接。同时需要在静块上留出走线孔,以便于将模块内部的分体式电机、旋转变压器、旋转编码器等器件的导线以及数据线引出。
直角型关节的动块可以相对于静块旋转,为关节的动力输出部分。关节内部集成了直流永磁无刷伺服电机、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、控制板、驱动器等零部件或元器件。直角型单关节的结构设计如图2-3所示。
图2-3 直角型单关节示意图
根据选择的零部件尺寸对直角型单关节进行具体的结构设计,具体结构如下图2-4所示。
图2-4直角型单关节结构图
2.2.6直线型单关节的结构设计
直线型单关节外部由两部分构成,包括一个动块和一个静块。同轴型的动块与静块结构类似。核心模块装配位置与控制器装配位置同轴。其中动块与传动法兰相连接,传动法兰与核心模块中的谐波减速器的柔轮相连接,因此在动块上留有和法兰相连接的孔。静块内部需要安装机械臂关节的控制器,机械臂关节静块需要与核心模块保持静止。在静块上留有螺纹孔,以便将静块与核心模块通过螺钉进行连接。同时需要在静块上留出走线孔,以便于将内部的分体式电机、旋转变压器、旋转编码器等器件的导线以及数据线引出。直线型关节的动块可以相对于静块旋转,为关节的动力输出部分。关节内部集成了直流永磁无刷伺服电机、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零部件或元器件。直线型单关节的结构设计如图2-5所示:
图2-5同轴型单关节示意图
根据选择的零部件尺寸对直角型单关节进行具体的结构设计,具体结构如下图2-6所示。
图2-6同轴型单关节示意图