图3-2 Simulink仿真模型
3.4.2 关节模型特性分析
本节在上文所建的模型基础上进行了仿真实验研究,来验证本文所建立的关节综合模型表现出来的多种特性,具体包括关节的非线性刚度、关节的运动误差以及在关节的迟滞特性,证明该模型具有良好的模拟实际关节各特性的能力。为了分析关节模型的运动误差特性,以关节设计的额定速度作为关节电机轴的输入速度,进行仿真实验。
其中开始时关节不转动关节静止,没有运动误差。控制关节模型开始以恒定的速度开始转动时,可以得出运动误会开始在一定的范围内变化。可以知道在任意一点的关节的运动误差的在范围内是随机的,在运动误差零点附近上下波动。从总体来看,关节的运动误差有着类周期性的波动,而且周期是恒定的。关节的运动误差有类似于正弦函数的周期性的函数,而且在谐波减速器转动的一个周期的时间内运动误差有两个明显的变化周期。
关节存在运动误差、迟滞和非线性刚度,综合起来形成如图3-3所示的关节的迟滞曲线,主要表现为输入扭转力和输出角度之间的滞后关系。在下图3-3中,分别在不同的扭转力的极限情况下对关节进行研究,给出了迟滞回路的总图。同时,迟滞具有和输入频率无关的特性[38],即当输入信号的频率变化时,迟滞曲线不发生变化。从图中可以看出关节在运动过程中有很明显的迟滞特性。
图3-3 关节迟滞模型仿真图
第四章 结论与展望
针对轻型空间机械臂关节设计中的非线性表现明显、以及关节存在自身难以测量的运动误差等问题,设计完成了空间机械臂地面模拟实验平台、搭建了机械臂关节输出特性测试实验平台;研究了面向轻型空间机械臂关节的动力学建模及结构设计、关节建模等关键技术,并进行了仿真和实验验证。论文的研究为空间机械臂关节的设计和机械臂关节的细化模型的建立提供了理论依据。具体研究成果如下:
1、在详细调研分析国内外模块化机械臂以及空间机械臂的基础上,通过对机械臂末端精度、负载力矩等的计算,以及机械臂设计指标的分析,确定了地面模拟平台中四自由度机械臂的总体方案设计,并且对方案进行了分析论证。
2、在机械臂总体方案确定的基础上,完成了适用于该模拟平台的空间机械臂单关节的方案设计。分析机械臂关节的设计指标,完成了对机械臂关节主要零部件的选型,完成对机械臂关节详细的结构设计。对机械臂关节进行三维建模,完成了虚拟装配。具体包括:分体式电机的安装、短筒柔轮谐波减速器的安装、关节各零部件的安装以及模块化接口的结构设计等。选择关节加工件的材料,完成关节的内部走线设计。利用有限元分析软件对关节的关键零部件进行了校核。结果
表明本研究设计的关节结构合理,关键零部件强度满足设计要求。
3、建立了含有关节运动误差的机械臂关节的迟滞模型。对机械臂关节的输出特性进行研究,将机械臂关节分为输入轴和输出轴两个部分。对机械臂关节运动误差的研究,建立运动误差的模型。采用关节的转动误差构建了运动误差模型。建立含有机械臂关节运动误差的关节迟滞模型。该关节建模方法为基于模型的空间机械臂关节的控制奠定了基础。
4、基于以上的理论研究,设计关节输出特性测试实验平台。基于本文选用的机械臂关节设计关节与实验平台的接口件。对接口件的材料进行了选择。通过三维建模对机械臂关节接口件进行了虚拟装配。基于对机械臂关节的运动误差和关节迟滞的理论研究设计实验方案,按照实验方案搭建实验平台。完成机械臂关节的运动误差和关节迟滞的验证实验。通过将实验结果与建立的模型以及仿真实验进行对比,验证了建模的准确性。
参考文献
[1]何永强.三分支机器人模块化关节的设计[D].北京:北京邮电大学,2011. [2]陈永亮,焦明生,徐燕申.基于机械电子总线的模块化机器人系统设计[J]. [3]王兵,蒋蓁.模块化重构机器人技术的现状与发展综述[J].机电工程,2008,25(5): 1-4.
[4]王卫忠.可重构模块化机器人系统关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.
[5]王光建,梁锡昌,蒋建东.机器人关节的发展现状与趋势[J].机械传动,2004,28(4): 1-5.
[6] Paredis C J J. An agent-based approach to the design of rapidly deployable fault tolerant manipulators[D]. Carnegie Mellon University, 1996.
[7] Paredis C J J,Khosla P K. Kinematic design of serial link manipulators from task specifications[J]. The International Journal of Robotics Research,1993,12(3):274-287. [8] Yim M,Duff D Q Roufas K D. PolyBot: a modular reconfigurable robot[C]//Robotics and Automation, 2000. Proceedings. ICRA100. IEEE International Conference on. IEEE, 2000,1: 514-520.
[9] Park M,Yim M. Distributed control and communication fault tolerance for the ckbot[C]//Reconfigurable Mechanisms and Robots, 2009. ReMAR 2009. ASME/IFToMM International Conference on. IEEE, 2009: 682-688.
[10] Yim M,Zhang Y,Duff D. Modular robots[J]. Spectrum, IEEE,2002,39(2):30-34. [11] Yim M,Zhang Y,Roufas et al. Connecting and disconnecting for chain self-reconfiguration with PolyBot[J]. Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on,2002,7(4): 442-451.
[12] Yim M,Roufas K, DufFD, et al. Modular reconfigurable robots in space applications[J]. Autonomous Robots, 2003,14(2-3): 225-237.
[13] Murata S, Yoshida E, Kamimura A, et al. M-TRAN: Self-reconfigurablemodular robotic system[J]. Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 2002,7(4): 431-441. [14] Cohen R, Lipton M Q Dai M Q, et al. Conceptual design of a modular
robot[J],Joxirnal of Mechanical Design, 1992,114(1): 117-125.
[15] Wurst K H. The conception and construction of a modular robot system[C]//Proc. 16th Int Sym. Industrial Robotics (ISIR). 1986: 37-44.
[16]吴文强.可重构模块化机器人建模,优化与控制[D].华南理工大学,2013. [17] Hirzinger Q Sporer N,Albu-Schaffer A, et al. DLR's torque-controlled light weight robot Ill-are we reaching the technological limits now?[C]//Robotics and Automation, 2002. Proceedings. ICRA'02. IEEE International Conference on.IEEE, 2002,2: 1710-1716.
[18]史士财,谢宗武,倪风雷,等.高集成度空间机械臂模块化关节的研制[J].西安交通大学学报,2007, 41(2): 162-166.
[19]于登云,潘博,孙京.空间机械臂关节动力学建模与分析的研究进展[J].航天器工程,2010(2): 1-10.
[20] Ghorbel F, Hung J Y,Spong M W. Adaptive control of flexible-joint manipulators[J]. Control Systems Magazine, IEEE,1989,9(7): 9-13.
[21]杜志江,肖永强,董为.含有摩擦间隙迟滞的机械臂关节建模方法m.机器人,2011,33(5): 539-545.
[22] Huang Qiang, Zhang Di,Dong Yongjin, et al. Modeling and evaluation of the joints mechanical flexibility of a humanoid robot [C] // Proceedings of the 5 the world Congress on Intelligent Control and Automation, Hangzhou,P R china, June 15-19,2004:45577-4581
[23] Dhaouadi R,Ghorbel F H, Gandhi P S. A new dynamic model of hysteresis in harmonic
drives[J].
Industrial
Electronics,
IEEE
Transactions
on,
2003,50(6):1165-1171.
[24] Magnani G, Rocco P,Rusconi A. Modeling and position control of a jointprototype of DEXARM[C]//10th IEEE International Workshop on Advanced Motion control,26-28 March 2008:562-567
[25] Ruderman M, Hoffinann F, Bertram T. Preisach Model of nonlinear transmission at low velocities in robot joints[C]//10th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control Piscataway, NJ USA:IEEE,2008:721-726
[26] HD Systems. Inc Harmonic Drive Gearing: Precision Gearing &
MotionControl[Z]. HD Systems, Inc. Hauppauge, NY
[27]蔡业彬.模块化设计方法及其在机械设计中的应用[J].机械设计与制造,2006 (8): 154-156.
[28]滕启,车丽晶.试论快速设计技术与方法[J].北京机械工业学院学报,2000,15(2): 15-18.
[29]蔡燕华.分析模块化设计方法及其在机械设计中的应用[J].科技传播,2014:154,160
[30]侯亮,唐任仲,徐燕申.产品模块化设计理论,技术与应用研究进展[J].机械工程学报,2004,40(1): 56-61.
[31]刘志军,吴亚丽.模块化设计方法及其在机械设计中的运用[J].产业与科技论坛,2014, 13(10).
[32]叶平,何雷,宋爽,等.空间机械臂地面微重力混合模拟方法研究[J].机器人,2013,35(3): 299-305,312.
[33]潘博,孙京,于登云.柔性关节空间机械臂建模,控制与仿真[J].系统仿真学报,2010(8): 1826-1831.
[34]赵杰亮,谷勇霞,阎绍泽,等.谐波传动对柔性机械臂动力学特性的影响[J].清华大学学报:自然科学版,2013 (4): 482-486.
[35]李强,孙宇,顾志飞,等.谐波减速器在空间环境中传动效率的研究[J].中国真空学会2012学术年会论文摘要集,2012.
[36]陈绍庚.谐波齿轮传动浅谈[J].印刷世界,2012 (7): 43-44.
[37]万庆祝,陆志刚,王科,等.精密谐波齿轮减速器传动误差分析[J].仪表技 术与传感器,2013 (5): 51-54.
[38] Ruderman M, Hoffinann F, Bertram T. Preisach model of nonlinear transmission at low velocities in robot joints[C]//Advanced Motion Control, 2008. AMC'08.