陳 浩，李騰飛，陳 銳

(1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)器人研究所，北京 100191；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

一種六自由度串聯(lián)機(jī)械臂的研制

陳 浩1，李騰飛1，陳 銳2

(1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)器人研究所，北京 100191；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

設(shè)計(jì)了一款六自由度串聯(lián)機(jī)械臂，并對其機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的論述。機(jī)械臂采用關(guān)節(jié)式的結(jié)構(gòu)，工作靈活，可達(dá)空間大；基于PMAC多軸運(yùn)動控制器搭建了切實(shí)可行的運(yùn)動控制方案，控制系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明研制出的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

六自由度；機(jī)械臂；研制；PMAC

0 引言

機(jī)器人可以代替人在危險(xiǎn)的場合工作，特別是在核電站發(fā)生事故的情況下，使用救援機(jī)器人實(shí)施救援是一項(xiàng)很重要的施救手段，救援機(jī)器人搭載的機(jī)械臂是其完成救援任務(wù)的關(guān)鍵。結(jié)合核電站救援機(jī)器人關(guān)鍵系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目，本文設(shè)計(jì)了一款六自由度串聯(lián)機(jī)械臂，設(shè)計(jì)的機(jī)械臂為功能驗(yàn)證樣機(jī)，暫不考慮核輻射的影響。

1 機(jī)械臂本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

核電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械臂將執(zhí)行旋擰閥門、打開/關(guān)閉開關(guān)、抓取物品、插拔開關(guān)等工作，特別是核電站內(nèi)部管道很多，涉及很多旋擰閥門的工作，目前多數(shù)文獻(xiàn)開發(fā)的救援機(jī)械臂為5個(gè)自由度且沒有可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的自由度，工作范圍較小且不利于閥門的快速旋擰。本文開發(fā)的機(jī)械臂有6個(gè)自由度，并且有2個(gè)自由度可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)，6個(gè)自由度為非耦合的結(jié)構(gòu)，末端可搭載多種操作手。

設(shè)計(jì)的六自由度機(jī)械臂采用關(guān)節(jié)型式，具有工作靈活和可達(dá)范圍大等突出的優(yōu)點(diǎn)[1-3]，其工作范圍如下：第1軸(腰部)為0°～300°；第2軸(肩部)為0°～225°；第3軸(肘部)為0°～200°；第4軸(手腕轉(zhuǎn)動)為連續(xù)旋轉(zhuǎn)；第5軸(腕部俯仰)為0°～180°；第6軸(末端旋轉(zhuǎn))為連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

按照設(shè)計(jì)參數(shù)確定的機(jī)械臂傳動方案如圖1所示。6個(gè)自由度全部為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，1軸、2軸和3軸采用蝸輪蝸桿的形式，具有自鎖功能[4]，可以在突發(fā)及斷電情況下保持位置，從而保護(hù)機(jī)械臂；4軸、5軸和6軸為非耦合結(jié)構(gòu)，各自由度的運(yùn)動互不干涉，為后續(xù)的控制提供了很大的便利。6個(gè)自由度的驅(qū)動均采用Manxon直流伺服電機(jī)，它具有高精度和高可靠性，可作為機(jī)械臂的理想動力源，電機(jī)前部裝配行星齒輪減速器，后部裝配增量編碼器。連續(xù)旋轉(zhuǎn)自由度的實(shí)現(xiàn)可以使用滑環(huán)結(jié)構(gòu)，用來解決有相對轉(zhuǎn)動部件的電源以及信號的傳輸問題。機(jī)械臂本體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 機(jī)械臂傳動方案

圖2 機(jī)械臂本體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 1軸、2軸和3軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于1軸、2軸和3軸具有類似的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)以2軸為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。蝸輪與U型支撐件通過鍵連接固連，肩部關(guān)節(jié)運(yùn)動時(shí)，蝸桿一方面繞著自身旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，另一方面帶動相關(guān)部件繞著蝸輪軸軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)動作。由于蝸輪蝸桿的自鎖，在斷電及突發(fā)情況下，關(guān)節(jié)可保持原有姿態(tài)從而保護(hù)機(jī)械臂不受損壞。該方式相比于采用具有抱閘的電機(jī)而言，成本更低。由于蝸輪蝸桿中心距的精度對效率的影響很大[5]，因此設(shè)計(jì)了調(diào)整蝸輪蝸桿中心距的結(jié)構(gòu)，蝸輪與機(jī)械臂本體固定，蝸桿軸的一端通過軸承與機(jī)械臂本體過盈裝配，與蝸桿軸另一端裝配的軸承與機(jī)械臂本體采用間隙配合，通過4個(gè)調(diào)整螺釘進(jìn)行中心距的微調(diào)。微調(diào)結(jié)構(gòu)可以保證蝸輪蝸桿具有準(zhǔn)確的中心距，有效地提高工作效率。機(jī)械臂的腰部關(guān)節(jié)處留有安裝孔，機(jī)械臂可以固定安裝到地面、墻體或安裝到移動平臺上，其使用范圍具有很好的可擴(kuò)展性。

圖3 肩部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

在1軸、2軸、3軸中，行星減速器的輸出軸與蝸桿軸的鍵槽孔裝配起來，從而將電機(jī)的動力輸出給蝸桿。電機(jī)部分裝配在機(jī)械臂的臂管內(nèi)，不僅美觀且節(jié)省了空間。

1.2 4軸、5軸和6軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4軸、5軸和6軸采用非耦合的傳動，3個(gè)自由度之間的運(yùn)動互不影響，為后續(xù)的機(jī)械臂的正、逆解的計(jì)算以及控制帶來很大的便利[6-8]；此外，這種非耦合的傳動方案，3個(gè)關(guān)節(jié)具有分段式的特點(diǎn)，只有一層軸承嵌套結(jié)構(gòu)，很大程度上降低了對于加工精度的要求，結(jié)構(gòu)上也相對簡單，為機(jī)械臂的安裝提供了便利。

4軸、5軸和6軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。4自由度電機(jī)與4自由度電機(jī)安裝套通過螺栓連接，4自由度電機(jī)安裝套與機(jī)械臂小臂(圖4中未示出)通過螺栓連接，聯(lián)軸器與5自由度電機(jī)安裝套通過螺栓連接，5自由度電機(jī)安裝套通過軸承嵌套在機(jī)械臂的小臂內(nèi)部，4自由度電機(jī)輸出軸與聯(lián)軸器采用鍵連接，聯(lián)軸器與5自由度電機(jī)安裝套采用鍵連接，機(jī)械臂的手腕部分與5自由度電機(jī)安裝套采用螺釘連接的方式，從而使4自由度電機(jī)的動力可以傳遞到手腕部分，帶動手腕前部的旋轉(zhuǎn)。5自由度電機(jī)安裝在相應(yīng)的電機(jī)安裝套中，5自由度電機(jī)的輸出軸與錐齒輪1采用鍵連接，錐齒輪2與錐齒輪1為1∶1傳動。6自由度關(guān)節(jié)的相應(yīng)部件安裝在6自由度電機(jī)安裝套之上，6自由度電機(jī)安裝套與錐齒輪2通過鍵連接固定，從而使5自由度電機(jī)的動力可以傳遞到手腕的前部，帶動手腕前部的俯仰。

圖4 4軸、5軸和6軸的結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 連續(xù)旋轉(zhuǎn)自由度走線的處理

為增強(qiáng)機(jī)械臂的工作能力，關(guān)節(jié)4與關(guān)節(jié)6可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，為避免導(dǎo)線由于連續(xù)旋轉(zhuǎn)而造成的擰斷現(xiàn)象，使用了滑環(huán)結(jié)構(gòu)。一對滑環(huán)結(jié)構(gòu)由兩片組成(稱之為上片和下片)，一片具有滑道，一片具有觸點(diǎn)，通過觸點(diǎn)與滑道的摩擦接觸傳遞信號[9]，本文采用的滑環(huán)可以通過低于10 A的電流。機(jī)械臂共有3處采用滑環(huán)結(jié)構(gòu)，其14路滑環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，夾持器的控制線需要滑環(huán)過渡，預(yù)留了6路信號；6自由度電機(jī)與夾持器的控制線需要滑環(huán)過渡，預(yù)留了14路信號；5自由度電機(jī)的控制線需要滑環(huán)過渡，預(yù)留了5路信號。

圖5 14路滑環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。上位機(jī)采用PC機(jī)或工控機(jī)，下位機(jī)采用美國Delta Tau公司PMAC多軸運(yùn)動控制器，其本質(zhì)上是一臺基于Motorola DSP芯片、具有獨(dú)立內(nèi)存、獨(dú)立運(yùn)算操作能力、實(shí)時(shí)的、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)，滿足作為機(jī)械臂運(yùn)動控制器的要求[10]。PMAC卡與PC機(jī)通過網(wǎng)卡通訊，PC端上運(yùn)行系統(tǒng)控制軟件，PMAC卡接收上位機(jī)指令進(jìn)行相關(guān)算法的運(yùn)算，最終輸出控制信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，電機(jī)編碼器的反饋信號回饋給PMAC卡，形成閉環(huán)回路。PMAC卡將電機(jī)位置信息反饋給PC端，在PC端上顯示。

圖6 機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)械臂預(yù)計(jì)搭配的三指靈巧手有獨(dú)立的控制模塊，三指靈巧手直接與其控制模塊通訊，控制模塊與PC機(jī)通訊，PC機(jī)端運(yùn)行三指靈巧手的控制程序。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對機(jī)械臂本體及控制系統(tǒng)進(jìn)行了搭建，如圖7所示。記初始位置為0°，在PC端輸入各軸的運(yùn)動指令，即相應(yīng)的工作范圍角度，控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動到極限位置。共進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：各軸的運(yùn)動范圍均可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，特別是第4軸與第6軸分別從初始位置正轉(zhuǎn)10圈并反轉(zhuǎn)10圈，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，信號穩(wěn)定、連續(xù)傳遞；編碼器實(shí)際脈沖數(shù)與編碼器指令脈沖數(shù)的誤差很小，最大誤差為0.09%，可以認(rèn)為滿足工程需要。

表1 機(jī)械臂工作范圍驗(yàn)證數(shù)據(jù)

圖7 六自由度串聯(lián)機(jī)械臂

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的六自由度機(jī)械臂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳動方案合理可行，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的自鎖功能方便實(shí)用，蝸輪蝸桿中心距調(diào)整結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)明顯提高了其傳遞效率；4軸、5軸、6軸采用的非耦合方案降低了對加工精度的要求，更為重要的是給機(jī)械臂后續(xù)控制帶來了很大的便利；滑環(huán)結(jié)構(gòu)的使用可以穩(wěn)定地傳遞控制及動力信號；基于PMAC多軸運(yùn)動控制卡的控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性與可擴(kuò)展性，很好地滿足了機(jī)械臂的控制要求。

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Development of A Tandem 6-DOF Robot Arm

CHEN Hao1, LI Teng-fei1, CHEN Rui2

(1. Research Institute of Robotics, Beihang University, Beijing 100191, China; 2.College of Mechanical Engineering, Chongqing University，Chongqing 400044, China)

In this paper, a tandem 6-DOF robot arm is designed, and its mechanical structure and control system are discussed in detail. Robot arm adopts the articulated structure, it works flexibly and has large operating range. A practical motion control scheme is built based on PMAC multi-axis motion controller and the control system has good performance such as real-time and scalability. The experiment results show that each joint of the developed robotic arm is working well and the control system is reliable to achieve the design goals.

6-DOF; robot arm; development; PMAC

1672- 6413(2015)06- 0014- 03

國家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012GB102006)

2015- 01- 09；

2015- 10- 08

陳浩(1989-)，男，陜西榆林人，在讀碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)。

TP24

A