移动机器人机械臂的设计 - 图文

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JJgB?0.85kg.m2 假设系统负载为10kg，系统负载转动惯量人，，负载转动惯量gB

一42J?5.7X10kgmB折算到电机轴上的负载转动惯量，旋转加速度，设计时要求为一4228.660/s， JD为电机转动惯量，根据经验和设计要求参考值0.4X10kgm，?为传

动效率，? =0.85 x0.72 x0.7=0.4，电机最大加速力矩为：

(5-2)

电机的最大连续力矩为

Mamax?0.1049Nmp?，据此求得电机最大功率为

3.1415naMamax?112W?250W30 (5-3)

根据上面的计算，所选电机能达到要求。电机的余量可以为不同的搭载对象提供一个余量。

5.5肩部伺服电机与臂部和手部步进电机的控制

5.5.1 电机选择

这里为两个关节选用了步进电机，与同扭矩的伺服电机相比，步进电机具有质量轻，体积小，不需要减速机构，成本低。而且步进电机控制比较容易。电机的角位移正比于所给的脉冲数，电机的速度正比于脉冲的频率，所以对步进电机的位置最终可归结为对脉冲数的控制，速度控制可归结为对脉冲频率的控制。虽然步进电机曾经有高频容易丢步，低频易共振等问题，但随着混合式步进电机以及基于交流逆变和PWM恒流控制驱动器的出现，这些问题已经得到改善。在选择控制器时必须保证足够的精度，也就是要求驱动器有较高的细分数，其细分数可根据精度需要设定。机械手在满足抓取功能的前提下，在相对来说步进电机是一个较好的选择，步进电机对于手臂设计有如下的优点：

(1) 同等体积下锁定力矩大。 (2) 转速控制范围大，低速力矩大。 (3) 开环控制，降低系统成本。

(4) 分辨率高，采用细分驱动器技术可达到每步0.0072度。 (5) 低速运行平稳，已接近交流伺服系统水平。

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(6) 功耗低。 5.5.2 驱动器的选择

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机械手的驱动电机均采用北京和利时电机技术有限公司的混合式步进电机，其中手爪驱动电机型号为28BYG250C-SASSMQ-0071，肘关节驱动电机型号为

56BYG250C-SASSBL-0241，共选择了2种型号的电机，步进电机驱动器选择了SH-20403。

5.5.3 运动控制器的选择

因为移动机械臂是一个多电机控制系统，所以可以选取高性能的控制器来实现。绝大多数的运动控制器是利用DSP (Digital Signal Processor)及FPGA(Field Programmable Gate Arrays)来实现多个伺服电机的协调控制，即利用DSP提供的软硬件资源以及FPGA的高集成度，使被控电机具有希望的运动轨迹及静态、动态性能。运动控制卡可以控制多轴联动，进行直线插补和圆弧插补等运动。运动控制卡可直接安装在PCI插槽中，具有通讯速度快、编码速度快、命令丰富、和抗干扰能力强等优点。可以对该控制卡的每个轴进行组态，既可以用来控制伺服电机，又可以用来控制步进电机。

对移动平台的伺服电机而言，移动控制卡可为其提供一定范围的电压控制信 号，这个控制信号将被驱动器转换成相应的电流信号用于驱动电机。对伺服电机采用闭环控制，电机的运行状态通过编码器反馈给控制卡，每个轴均采用PID滤波算法，P, I, D参数各自独立调节，互不影响。对机械臂的步进电机而言，运动控制卡可为其提供步进脉冲信号PULSE和方向电平信号DIR，步进脉冲信号用于控制步进电机的位置和速度，控制脉冲的个数及频率就可以很方便地达到步进电机的调速和定位目的。

步进电机没有编码器，因此对步进电机的控制是开环控制，因此控制器无法知道电机的当前状态，所以必须对机械臂的初始状态加以确定，确定初始位姿后，以后各关节的位姿可由步进电机运行的脉冲数计算得到。为了确定初始位姿，为各关机安装了限位开关，这样就能够保证每次运行都具有相同的初始位姿。移动控制器有通用的I/O接口，限位信号接在数字量输入端。

综上叙述，移动机械臂的硬件体系结构的设计采用了模块的设计思想，如图5.4所示：

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图5.4 移动机械臂的硬件体系结构 模块1:基于运动控制卡的平台驱动模块； 模块2:基于运动控制卡的机械臂模块； 模块3:包含图像采集卡的视觉模块；

模块4:基于单片机的超声和接触传感器处理模块；

模块1实现移动平台的转动;模块2实现各关节的转动；模块3实现利用图像采集卡将摄像头传入的模拟信号转化为数字视频信号，同时通过RS232串口同主控计算机连接，提供当前的路径情况。以上3个模块都通过PCI总线扩展槽和主控计算机进行通讯。传感器处理模块利用单片机系统实现对各个传感器的数据采集，然后利用移动平台运动控制卡的I/O接口和主控计算机相连。主控计算机完成各个部件模块的数据处理和计算任务，显示器是监控人员和机器人的交互界面。

用户可以选用北京和利时电机公司的6050系列板卡组成更复杂的步进电机控制系统如图5.5所示：

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图5.5 所示步进电机控制

用PC机控制全数字伺服电机框图如图5.5所示：

图5.6 用PC机控制全数字伺服电机框图