由图2-5可知,直线型和直角型在内部零件中最大的区别在于没有自己独立的控制系统,即没有独立的驱动器和控制板。根据设计要求,本文直角型单关节选用的驱动器为ELMO驱动器,驱动器本身的功能非常强大,能够满足同时控制两个关节的动作,所以为了节省空间,将直线型单关节设计成这个构型,利用简单的接口就能够与直角型关节进行连接,同时利用电气接口通过简单的操作就可以将之与直角型关节中的控制系统连接。 2.2.7 机械臂关节设计总结
图2-7直线型单关节实物图
在本章中对机械臂关节的设计过程进行了详细的阐述,利用机械模块化设思
想对机械单关节进行了分析,根据本文设计指标对机械臂关节的主要零部件进行选型,然后根据传动系统、传感系统、控制系统等各部分的特点完成对机械臂关节结构的整体设计。按照设计图纸加工原型样机,直角型单关节与直线型单关节实物图如上图2-7所示。
上述机械臂关节在结构上更加紧凑,因此关节内部空间比一体化双关节更小,
情况更加复杂。本文不再采用一体化双关节集中走线的走线方式,而是采用根据关节内部零件,分部走线的方式,将内部零件通过合理的分布,使内部零件各种线均匀分布,然后设计与之相适应的的走线孔。该走线系统中,各种线不需要集中占用很大的空间,能够减轻各零件线路之间的干扰,降低装配难度,提高装配精度,进而提高关节的精度。
本文中的设计的机械臂关节对输出扭矩有着较高的要求,根据选用的直流电机RBE-01510的各参数进行核算。两种单关节核心模块的构成是相同的,则核心模块性能相同。根据电机的设计、谐波减速器的选型及传动轴系的效率,可求得电机运行时关节的峰值输出扭矩T约为:
(2-1)
其中：Tmax一电机的堵转扭矩,0.555Nm;
ih一谐波减速器减速比,100;
ηD—传动系统的效率,取估计值50%。
由以上计算可知关节最大输出扭矩为27.75Nm,远大于设计要求的l0Nm,符合设计要求。
经测试知两种单关节的角度运动范围、角度测量精度、角速度范围、输出力矩等都能够满足设计指标要求,且具有较大的设计余量。该机械臂需用在地面模拟实验平台上,本文采用气浮法来模拟微重力,因此对机械臂关节的重量有较高的要求,经测量本文设计的机械臂各部分的重量如下表2-1所示
表2-1机械臂各部分质量
由上表可知,机械臂单关节实际重量如上表所示,机械臂总重量为22.155kg,符合设计指标中的单关节质量小于5kg,机械臂总质量小于25kg要求,满足设计要求。
第三章 机械臂关节输出特性研究
3.1 选用机械臂关节的性能介绍
本文为了对空间机械臂关节的输出特性进行研究,选用本课题组技术更加成熟的空间一体化机械臂双关节进行研究。该双关节为地面模拟实验平台六自由度空间机械臂的肩关节。
该双关节的各项参数如表3-1所示:
表3-1北邮双关节主要性能指标
3.2 机械臂关节特性分析
本文中所选用机械臂关节的减速装置为谐波减速器,因此其输出特性带有显著的谐波减速器的特征。谐波减速器具有单级减速比大、结构紧凑等优点。但是由于谐波减速器本身的结构特点造成了机械臂关节存在有运动误差、迟滞等输出特性,为准确建立关节模型,需对关节以上特性进行分析研究。经研究分析,随着对控制精度要求的越来越高,在控制中需要将机械臂关节中谐波减速器导致的运动误差考虑在控制补偿内,但是由于关节运动误差的数值远小于机械臂自身所有的测量装置的测量的精度,因此,需要对关节运动误差进行研究,同时建立合适的运动误差的模型。
机械臂关节的迟滞模型是关节细化模型的重要组成部分。准确的机械臂关节迟滞模型对机械臂关节的控制补偿精度有着极其重要的意义。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。Huang等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。Dhaouadi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。Ruderman等通过对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。HDSystems,Inc公司的产品说明书中建议用分段线性化来描述谐波传动关节的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确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是非常有必要的。
3.3 机械臂关节的运动误差和迟滞建模 3.3.1 机械臂关节建模
本文建立的关节模型考虑了机械臂关节的非线性刚度、关节运动误差和关节
迟滞等多种因素,将机械臂关节分为两部分,分别为输入轴(电机轴)和输出轴,同时将输入轴(电机轴)与输出轴等效为两个惯性系统。输入轴和输出轴两个部分依靠运动误差和迟滞非线性进行转角和力矩的传递。本研究建立的包含非线性刚度、关节运动误差和关节迟滞等的关节模型原理图如图3-1所示,下面讲具体介绍各部分的建模过程。
图3-1关节模型原理图
3.3.2 机械臂关节的动力学建模
在机械臂关节建模过程中,由于非线性刚度和运动误差的存在,关节的输入轴和输出轴的状态变量不同,所以把机械臂关节的惯量分为输入轴和输出轴两个部分,对这两部分分别建立动力学模型,然后采用运动误差模型与迟滞模型将这两部
分进行连接,通过整合得到机械臂关节的整体的模型。根据牛顿第二定律,能够写出本研究的输入轴和输出轴的动力学方程:
(3-1) (3-2)
上式中：
Jw, Jc分别为输入轴和输出轴的惯量；
θw, θc分别为输入轴和输出轴的转角； h为阻力力矩；
N为谐波减速器减速比； Te外部扰动力矩。
3.4 数值建模及特性分析 3.4.1 Matlab模型建立
根据以上所建立的关节动力学模型,通过Matlab中Simulink搭建了整个关节的仿真模型。以本课题研究的一体化双关节为研究对象,搭建整个关节传动的机电动力学模型:关节输出连接一个负载,只考虑转动惯量,其动力学方程由式(3-1)描述。其中关节输出轴的转动惯量由额定输出确定。电机及驱动部分模型采用Matlab中现有的模型,选用电机的参数为电机的生产厂家提供,电机的主要参数如下表所示:
表3-2 电机各项参数
通过建模,构成的整个传动系统的仿真模型如图所示: