方紅根， 楊 軍

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海200070）

自1962年美國(guó)研制出世界上第1臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）、自動(dòng)化工廠（Factory Automation，F(xiàn)A）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrate Manufacture System，CIMS）的自動(dòng)化工具。

隨著工業(yè)機(jī)器人向更深、更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)。諸如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)維護(hù)維修機(jī)器人等各種非制造行業(yè)。此外，在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多，如無(wú)人偵察機(jī)（飛行器）、警備機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人和家政服務(wù)機(jī)器人等均有應(yīng)用實(shí)例。機(jī)器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要作用。

在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國(guó)際上較有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，如FUNUC，ABB，Staubli，SCHUNK 等都相繼推出各種型號(hào)的工業(yè)機(jī)器人。這些公司已成為其所在地區(qū)的支柱性企業(yè)。

工業(yè)機(jī)器人都具有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：① 控制模式較為單一；② 負(fù)載自重比較低；③ 結(jié)構(gòu)臃腫，占用空間大；④ 能耗大，不易安裝。針對(duì)這些問(wèn)題，進(jìn)10多年來(lái)國(guó)外一些科研機(jī)構(gòu)、公司針對(duì)一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域都在致力于研制一些質(zhì)量更輕、負(fù)載自重比更大、功率更小、功耗更低，并同時(shí)具備位置、力、視覺(jué)的感知功能輕型臂。比較典型的有：①德國(guó)宇航 局 研 制 的 LWR 系 列 輕 型 臂[1－2]；② 德 國(guó)SCHUNK公司研制的RPL系列輕型臂[3]；③ 美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的用于空間探索的輕型臂，該輕型臂搭載于機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)進(jìn)行火星探測(cè)[4]；④美國(guó)國(guó)家航空航天局為ROBONAUT空間機(jī)器人研制的多功能輕型臂[5]；⑤ 美國(guó)Foster－Miller公司和iRobot公司研制的用于反恐的輕型臂[6]；⑥美國(guó)MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室研制的WAM系列輕型臂[7]，該輕型臂已經(jīng)由Barrett公司進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化和推廣，并應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療以及科研領(lǐng)域；⑦ 德國(guó)宇航局于近年研制的醫(yī)療輕型臂MIRO已經(jīng)成功應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域[8]；⑧ 丹麥 UNIVERSAL ROBOTS公司生產(chǎn)的輕型機(jī)械臂已經(jīng)在歐洲獲得很好的銷量，現(xiàn)正進(jìn)入亞洲市場(chǎng)[9]。

國(guó)內(nèi)輕型臂領(lǐng)域的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)最早意義上的輕型臂誕生于空間項(xiàng)目。之后，國(guó)內(nèi)的一些知名高校和科研院所，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化所、北京航空航天大學(xué)等都在進(jìn)行輕型臂的研制，努力追趕當(dāng)今世界一流的輕型臂技術(shù)水平。但研制的均為樣機(jī)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)企業(yè)專門對(duì)輕型臂進(jìn)行研制，并對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

鑒于此，本文從產(chǎn)業(yè)化角度出發(fā)，采用模塊化關(guān)節(jié)和模塊化臂桿連接方式來(lái)進(jìn)行輕型機(jī)械臂的研發(fā)。整個(gè)機(jī)械臂具有以下特點(diǎn)：① 具有較高的負(fù)載自重比，可達(dá)0.5；② 具有較高的轉(zhuǎn)速，關(guān)節(jié)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5 000 r／min；③ 功耗小，最大功率320 W；④ 結(jié)構(gòu)輕巧，總質(zhì)量為3.2 kg。

1 輕型機(jī)械臂構(gòu)型的選擇及走線設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的構(gòu)型是非常重要的，合理的構(gòu)型設(shè)計(jì)不僅可以減小空間的占用，還能夠減輕系統(tǒng)質(zhì)量、降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

對(duì)于相同尺寸的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)空間要遠(yuǎn)大于移動(dòng)關(guān)節(jié)。考慮極端情況，當(dāng)使機(jī)器人具有相似的工作空間體積時(shí)，制作笛卡爾型機(jī)械臂（前3個(gè)關(guān)節(jié)均為移動(dòng)關(guān)節(jié)）要比制作關(guān)節(jié)型機(jī)械臂（前3個(gè)關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)）消耗更多的材料。另外，與其他構(gòu)型的機(jī)械臂相比，關(guān)節(jié)型機(jī)械臂在工作空間內(nèi)干涉最小，具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，故本方案決定采用關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。

在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)的走線設(shè)計(jì)尤為重要，合理的系統(tǒng)走線有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的集成度，提高機(jī)械臂與環(huán)境交互時(shí)的安全性。由于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的走線大多都在機(jī)械結(jié)構(gòu)件的外部，勢(shì)必導(dǎo)致機(jī)器人在工作時(shí)線纜與環(huán)境產(chǎn)生刮蹭，帶來(lái)安全隱患，故本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的機(jī)械臂系統(tǒng)走線設(shè)計(jì)方案。

圖1 機(jī)械臂系統(tǒng)走線設(shè)計(jì)方案

由圖1可知，從上一關(guān)節(jié)過(guò)來(lái)的電源線和通訊線進(jìn)入到臂桿上的驅(qū)動(dòng)板和控制板，驅(qū)動(dòng)板和控制板的通訊通過(guò)連接板來(lái)進(jìn)行。當(dāng)前關(guān)節(jié)的傳感器線通過(guò)關(guān)節(jié)中心的走線孔連接到臂桿上的連接板，然后再進(jìn)入控制板。當(dāng)前關(guān)節(jié)的通訊線通過(guò)關(guān)節(jié)的端部進(jìn)入到臂桿的驅(qū)動(dòng)板。從控制板引出的通訊線與從上一關(guān)節(jié)引出的電源線通過(guò)當(dāng)前關(guān)節(jié)的中心孔進(jìn)入下一關(guān)節(jié)，如此循環(huán)便構(gòu)成整個(gè)機(jī)械臂的走線方式。

2 輕型機(jī)械臂模塊化關(guān)節(jié)研制

機(jī)器人關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式主要分為2種形式：機(jī)電集成模塊化關(guān)節(jié)和分離式關(guān)節(jié)。分離式關(guān)節(jié)具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)輕等優(yōu)點(diǎn)，但是線繩在臂桿內(nèi)部纏繞復(fù)雜，需要考慮張緊和定期更換等問(wèn)題，并且難以實(shí)現(xiàn)大減速比。模塊化關(guān)節(jié)集驅(qū)動(dòng)、減速、傳感器于一體，集成度高，既縮短了動(dòng)力傳遞路徑，又可以就近采集傳感器信號(hào)，提高了可靠性。模塊化設(shè)計(jì)方法不僅使機(jī)器人的設(shè)計(jì)和修改變得容易，而且可以縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，使系統(tǒng)的維護(hù)變得容易，并能提高系統(tǒng)的互換性，所以在條件允許的情況下，盡可能的使關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相同。此外，為了提高整個(gè)輕型臂系統(tǒng)的可靠性和安全性，在模塊化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)時(shí)同步考慮整個(gè)系統(tǒng)的走線設(shè)計(jì)方案。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)電集成模塊化關(guān)節(jié)如圖2所示。整個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械部分包括高功率密度比電動(dòng)機(jī)、諧波減速單元、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)換向霍爾傳感器、高精度相對(duì)和絕對(duì)位置測(cè)量元件、溫度測(cè)量元件、限位傳感器等部分組成。在關(guān)節(jié)的中心位置留有走線孔，便于關(guān)節(jié)電源線纜和通訊線纜的通過(guò)。關(guān)節(jié)內(nèi)部輸出端采用2對(duì)4點(diǎn)接觸軸承設(shè)計(jì)，使得整個(gè)關(guān)節(jié)的輸出端具有很高的抗側(cè)彎功能。其關(guān)鍵零部件采用APDL語(yǔ)言進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析，圖3是對(duì)關(guān)節(jié)輸出法蘭、套筒、電軸的有限元分析。

圖2 模塊化關(guān)節(jié)數(shù)字化樣機(jī)

3 模塊化臂桿連接方式

為了便于對(duì)模塊化關(guān)節(jié)進(jìn)行拼接組裝成機(jī)械臂，臂桿連接件的設(shè)計(jì)也必須是模塊化的，同時(shí)兼顧整個(gè)系統(tǒng)的走線設(shè)計(jì)，這樣不僅能提高整個(gè)系統(tǒng)的互換性，也便于系統(tǒng)維護(hù)。同時(shí)，關(guān)節(jié)連接件的設(shè)計(jì)必須盡量考慮不會(huì)影響機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間。模塊化臂桿的連接方案如圖4所示。

圖3 關(guān)鍵部件的有限元分析

圖4 模塊化臂桿連接方案

由圖4可見(jiàn)，模塊化臂桿的連接方案主要由臂桿和連接法蘭組成，模塊化關(guān)節(jié)的輸入和輸出端都連接法蘭來(lái)進(jìn)行固定。在連接法蘭的輸出端，臂桿元件與其連接。通訊和電源線纜從臂桿中間穿過(guò)，然后進(jìn)入連接法蘭的走線槽，再進(jìn)入模塊化關(guān)節(jié)中心，從輸出法蘭的走線槽穿出，進(jìn)入輸出法蘭所連接的臂桿，進(jìn)而進(jìn)入下一個(gè)模塊化關(guān)節(jié)。

整個(gè)系統(tǒng)臂桿連接件數(shù)字化設(shè)計(jì)如圖5所示。

采用模塊化關(guān)節(jié)和模塊化臂桿連接方式組裝的輕型機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng)如圖6所示。整個(gè)機(jī)械臂質(zhì)量為3.2 kg，臂展為650 mm，末端負(fù)載為2 kg，最大功耗為300 W。

圖5 模塊化臂桿連接件設(shè)計(jì)

圖6 輕型機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng)

4 輕型機(jī)械臂電氣系統(tǒng)

輕型機(jī)械臂的電氣系統(tǒng)包含關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制器、Can網(wǎng)絡(luò)和Can控制器組成。所有運(yùn)動(dòng)控制器以節(jié)點(diǎn)的形式掛接在網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)上層Can控制器來(lái)給Can網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)也可發(fā)送給主端所需要的數(shù)據(jù)。

關(guān)節(jié)控制器采用Elmo驅(qū)動(dòng)器，主要負(fù)責(zé)關(guān)節(jié)的通訊和控制、傳感器數(shù)據(jù)的采集、底層軌跡規(guī)劃、電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)；采用ADLINK－Can PCI卡作為上層控制器，它主要負(fù)責(zé)Can數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受、Can網(wǎng)絡(luò)的管理。整個(gè)Can網(wǎng)絡(luò)的連接原理如圖7所示。整個(gè)輕型機(jī)械臂的通訊波特率為500 Kbps。

5 輕型機(jī)械臂軟件系統(tǒng)

圖7 Can網(wǎng)絡(luò)與關(guān)節(jié)控制器通訊圖

良好的軟件系統(tǒng)能夠提高機(jī)器人的使用效率，本軟件系統(tǒng)包含以下幾個(gè)模塊：通訊設(shè)置模塊、單關(guān)節(jié)控制模塊、多關(guān)節(jié)控制模塊、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示模塊、數(shù)據(jù)追蹤模塊、示教模塊和參數(shù)設(shè)置模塊。每個(gè)模塊之間都相互進(jìn)行通訊。

軟件采用Visual C＋＋進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其主界面如圖8所示。

圖8 Can網(wǎng)絡(luò)與關(guān)節(jié)控制器通訊圖

整個(gè)通訊設(shè)置模塊包括通訊參數(shù)設(shè)置模塊、寄存器狀態(tài)顯示模塊、總線狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)器與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)模塊、操作信息顯示模塊、手動(dòng)通訊模塊、發(fā)送幀分析模塊、接收幀分析模塊。

單關(guān)節(jié)控制模塊包含以下幾個(gè)功能：關(guān)節(jié)標(biāo)示的選擇、單關(guān)節(jié)速度控制、軌跡規(guī)劃、單關(guān)節(jié)電流控制、單關(guān)節(jié)位置控制、數(shù)據(jù)追蹤、多關(guān)節(jié)控制界面的功能與單關(guān)節(jié)控制界面類似。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示模塊主要是為了動(dòng)態(tài)顯示傳感器當(dāng)前的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)繪制出曲線。該界面共包含6個(gè)子界面，每個(gè)子界面對(duì)應(yīng)1個(gè)關(guān)節(jié)，每副子界面既可放大又可縮小，非常便于數(shù)據(jù)的查看。

示教功能模塊包含以下幾個(gè)功能：關(guān)節(jié)的示教功能、笛卡爾空間示教、操作日志。

全局參數(shù)設(shè)置模塊便于用戶在線修改一些參數(shù)，這些參數(shù)包含驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置和用戶自定義參數(shù)的設(shè)置。驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的設(shè)置可以參見(jiàn)驅(qū)動(dòng)器的說(shuō)明文檔，用戶自定義參數(shù)設(shè)置包含系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、發(fā)送時(shí)間間隔設(shè)置、每次最多顯示圖像設(shè)置、數(shù)據(jù)保存最大點(diǎn)數(shù)等。

6 輕型機(jī)械臂控制實(shí)驗(yàn)

整個(gè)輕型機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖9所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)由臺(tái)架、輕型機(jī)械臂、電源、控制柜、上層PC工控機(jī)、電源電纜、通訊線纜組成。從輕型機(jī)械臂底部引出3束線纜連接到控制柜上對(duì)應(yīng)的端口，從控制柜引出的Can總線通訊線纜連接到上層PC工控機(jī)。電源系統(tǒng)由48 V和24 V組成，48 V主要給電動(dòng)機(jī)供電，24 V主要給Elmo驅(qū)動(dòng)器供電?？刂茣r(shí)，打開(kāi)上層控制軟件，指定運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，輸入軌跡段的時(shí)間，便可方便的對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制。

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)機(jī)械臂的基關(guān)節(jié)加載兩種測(cè)試軌跡，即慢速運(yùn)動(dòng)和快速運(yùn)動(dòng)。在慢速運(yùn)動(dòng)中，關(guān)節(jié)的期望位置為90°，軌跡的時(shí)間為3 s；快速運(yùn)動(dòng)中，關(guān)節(jié)的期望位置為90°，軌跡的時(shí)間為1 s。圖10為肩關(guān)節(jié)慢速運(yùn)動(dòng)的位置、速度和誤差曲線，圖11為肩關(guān)節(jié)快速運(yùn)動(dòng)的位置、速度和誤差曲線。

圖10 肩關(guān)節(jié)慢速運(yùn)動(dòng)的位置、速度和誤差曲線

圖11 肩關(guān)節(jié)快速運(yùn)動(dòng)的位置、速度和誤差曲線

由圖10和11可見(jiàn)，在慢速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)誤差在啟動(dòng)和停止時(shí)的幅值約為0.01°，明顯比運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的幅值要大。這是因?yàn)樵趩?dòng)和停止階段由于運(yùn)行的加速度較大，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的慣性力劇增，因而使誤差增大。在運(yùn)行階段，由于是勻速運(yùn)動(dòng)，故誤差曲線分布相對(duì)比較均勻，且幅值在±0.004°。在穩(wěn)態(tài)階段，系統(tǒng)誤差為0。在快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)和停止階段體現(xiàn)了與慢速運(yùn)動(dòng)相似的控制特性，不過(guò)動(dòng)態(tài)誤差在±0.01，明顯比慢速運(yùn)動(dòng)要大。這是因?yàn)榭焖龠\(yùn)動(dòng)在加速和減速階段需要系統(tǒng)提供比慢速運(yùn)動(dòng)更大的加速度，故產(chǎn)生的慣性力更大，因而產(chǎn)生的擾動(dòng)也更大。在勻速運(yùn)動(dòng)階段，誤差的分布也相對(duì)較為均勻，且幅值在±0.002，比慢速運(yùn)動(dòng)小1倍左右。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)存在齒槽效應(yīng)，在慢速運(yùn)動(dòng)階段齒槽效應(yīng)明顯，故誤差較大。這一點(diǎn)可以從速度曲線得到印證，在慢速和快速的勻速階段，慢速的速度波動(dòng)明顯比快速的波動(dòng)大。在快速運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)態(tài)階段，誤差變?yōu)?，與慢速運(yùn)動(dòng)相同，體現(xiàn)出很好的穩(wěn)態(tài)控制效果。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人存在的缺點(diǎn)，提出采用模塊化設(shè)計(jì)方法來(lái)構(gòu)建輕型機(jī)械臂，詳細(xì)的敘述了模塊化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)方式、模塊化臂桿的連接方案、輕型機(jī)械臂的電氣系統(tǒng)、輕型機(jī)械臂的軟件系統(tǒng)。整個(gè)輕型機(jī)械臂由模塊化關(guān)節(jié)和模塊化臂桿連接件組成，由這種方式設(shè)計(jì)的輕型機(jī)械臂具有質(zhì)量輕、負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、功耗小、易于安裝、便于維護(hù)和互換性好。適用于警備、醫(yī)療、家政服務(wù)、科研、輕負(fù)載搬運(yùn)的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。通過(guò)對(duì)輕型機(jī)械臂進(jìn)行了不同速度軌跡下的控制，詳細(xì)對(duì)比了試驗(yàn)曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該輕型機(jī)械臂具有很好的控制精度。

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