專(zhuān)利名稱(chēng)：欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種機(jī)械臂教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，特別是涉及一種欠驅(qū)動(dòng)冗余機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
機(jī)械臂廣泛應(yīng)用于太空機(jī)器人，水下機(jī)械人等領(lǐng)域，該欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)裝置主要用于欠驅(qū)動(dòng)優(yōu)化控制的研究。存在非驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)稱(chēng)為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即獨(dú)立控制變量(驅(qū)動(dòng)單元)少于系統(tǒng)的自由度(關(guān)節(jié)數(shù))的系統(tǒng)。欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)非驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的加速度僅受到來(lái)自其它關(guān)節(jié)的動(dòng)力 學(xué)約束，一般屬于非完整系統(tǒng)。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器臂是一類(lèi)含有被動(dòng)關(guān)節(jié)、控制輸入少于系統(tǒng)自由度的機(jī)械系統(tǒng)，由于系統(tǒng)中某個(gè)或某些關(guān)節(jié)不具有驅(qū)動(dòng)裝置，所以減輕了機(jī)器人的重量，降低了成本，同時(shí)也減少了能源的消耗，非常適用于對(duì)能源和重量有要求的場(chǎng)合，如水下機(jī)器人、太空機(jī)器人等。同時(shí)，當(dāng)全驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的某個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置失靈時(shí)，可以將其處理成被動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)操作任務(wù)。諸多優(yōu)點(diǎn)使這種機(jī)器人不僅具有理論研究?jī)r(jià)值，而且具有較好的應(yīng)用前景，成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為2階非完整系統(tǒng)，具有特殊的非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為2階非完整系統(tǒng)，具有特殊的非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足Brockett (布羅克特)條件，即在不完整的狀態(tài)反饋控制下，就可使系統(tǒng)保持在平衡點(diǎn)上，所以用于控制全驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人無(wú)效，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要依據(jù)動(dòng)力學(xué)模型，利用動(dòng)力學(xué)影響實(shí)現(xiàn)被動(dòng)關(guān)節(jié)的控制，到目前為止，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者就欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。De Luca (德魯卡)和Iannitti (伊安尼提)研究了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的小范圍局部可控性(STLC)問(wèn)題，從理論上證明了可以通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫?duì)其實(shí)現(xiàn)類(lèi)似全驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的控制。Arai (新井)運(yùn)用反饋控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)平面3R機(jī)器人的位置控制。Bullo (布魯)研究了欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的局部指數(shù)穩(wěn)定性。這些成果大都側(cè)重于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的控制方面，并且控制策略的提出往往依賴(lài)于對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的深入分析。Yoshikawa (吉川)將平面3桿運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)換成2階鏈形式，而后對(duì)其進(jìn)行軌跡控制。Martinez (馬丁內(nèi)斯)以Acrobot (機(jī)器人)為例，將欠驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程轉(zhuǎn)換成便于控制設(shè)計(jì)的階梯規(guī)范形式，指出這些規(guī)范形式是在特定條件下得到的，是否分部可積取決于系統(tǒng)的慣性矩陣。De Luca (德魯卡)分析了串聯(lián)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、軌跡跟蹤和設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)的可行性，并用動(dòng)力學(xué)反饋線(xiàn)性化的方法有效地解決了 4自由度2被動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)器人和欠驅(qū)動(dòng)3R第3關(guān)節(jié)被動(dòng)時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。灤楠等提出了一種基于學(xué)習(xí)的動(dòng)力學(xué)前饋方法，解決了欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于系統(tǒng)不可控造成的反饋控制失效、運(yùn)動(dòng)軌跡難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。以上這些方法基本都要用到大量的數(shù)學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。劉慶波等運(yùn)用模糊控制理論分別對(duì)2R欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人與3R欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了位置分析，此類(lèi)文獻(xiàn)均需要復(fù)雜的模糊控制規(guī)則，因此其控制規(guī)則制定比較困難。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂主要集中在理論和仿真分析，到目前為止，能夠應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的比較少見(jiàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置為平面三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)，一級(jí)桿和二級(jí)桿為驅(qū)動(dòng)桿，末端桿為被動(dòng)桿，關(guān)節(jié)部分配有編碼器和制動(dòng)器；是機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型建立、無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制、動(dòng)力學(xué)稱(chēng)合奇異研究、機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)自重構(gòu)、機(jī)器人位置算法研究等的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)用新型提供了一種欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，其包括機(jī)械臂本體和電器控制系統(tǒng)，所述機(jī)械臂本體為三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)，三連桿分別為一級(jí)桿、二級(jí)桿、末端桿，一級(jí)桿活動(dòng)鏈接到機(jī)械臂本體基座，三連桿依次首尾順序活動(dòng)鏈接，三連桿的的首端分別為第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)，第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)處設(shè)有驅(qū)動(dòng)器和減速器，驅(qū)動(dòng)器連接減速器，減速器與相應(yīng)的關(guān)節(jié)處的連桿連接，電器控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制、位置信息反饋三大部分，運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)置在計(jì)算機(jī)上，運(yùn)動(dòng)控制卡與端子板連接，端子板與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)分別設(shè)有編碼器。 作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述驅(qū)動(dòng)器為交流伺服電機(jī)。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述編碼器為增量式編碼器。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述減速器為行星減速器。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述機(jī)械臂本體為平面三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿，可實(shí)現(xiàn)小型，超輕化，全容量連接化。采用行星減速器連接傳動(dòng)進(jìn)行減速，減速比大，體積小，可使設(shè)備小型化。采用的運(yùn)動(dòng)控制器可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)模式，比如速度控制，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位，連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)，2D線(xiàn)性及圓弧插補(bǔ)，特別是可實(shí)現(xiàn)橢圓軸伸縮比例，過(guò)彎減速，無(wú)限線(xiàn)段進(jìn)給，超馳進(jìn)給等功能。

圖I是本實(shí)用新型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂工作原理圖；圖2是本實(shí)用新型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)控制放大圖。圖中各部件名稱(chēng)如下機(jī)械臂本體100、一級(jí)桿101、二級(jí)桿102、末端桿103、基座
104、第一關(guān)節(jié)105、第二關(guān)節(jié)106、第三關(guān)節(jié)107、第一伺服電機(jī)108、第二伺服電機(jī)109、第二減速器110、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)200、運(yùn)動(dòng)控制卡201、計(jì)算機(jī)202、端子板203、第一編碼器204、第二編碼器205、第三編碼器206、電控箱207、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器208。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖說(shuō)明及具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)用新型主要有機(jī)械臂本體和電氣控制系統(tǒng)組成。機(jī)械臂本體為平面三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)，一級(jí)桿和二級(jí)桿驅(qū)動(dòng)桿，末端桿為被動(dòng)桿，關(guān)節(jié)部分配有編碼器和驅(qū)動(dòng)器，選用交流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，采用增量式編碼器進(jìn)行實(shí)時(shí)位置反饋控制；一級(jí)桿活動(dòng)鏈接到機(jī)械臂本體基座，三連桿依次首尾順序活動(dòng)鏈接，第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)裝有伺服電機(jī)和編碼器，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)再經(jīng)減速器減速，帶動(dòng)負(fù)載連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，減速器采用行星減速器，體積下，減速比大，編碼器實(shí)時(shí)控制反饋連桿位置；第三關(guān)節(jié)僅有編碼器實(shí)時(shí)控制反饋位置，不需電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)耦合原理來(lái)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，不需專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)控制，只需編碼器反饋運(yùn)動(dòng)量，使整臺(tái)設(shè)備質(zhì)量減少，達(dá)到欠驅(qū)動(dòng)控制的目的。電氣控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制、位置信息反饋三大部分。運(yùn)動(dòng)控制卡安裝在計(jì)算機(jī)上，控制軟件發(fā)出控制信息，計(jì)算機(jī)對(duì)控制信息進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理的數(shù)據(jù)傳送給運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行精確數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生控制信號(hào)，發(fā)送至伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按控制量轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)負(fù)載連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器采集負(fù)載位置數(shù)據(jù)，反饋給運(yùn)動(dòng)控制卡，達(dá)到閉環(huán)控制，最終使機(jī)械臂按指定的軌跡進(jìn)行跟蹤。一種欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，其包括機(jī)械臂本體100和電器控制系統(tǒng)，所述機(jī)械臂本體100為三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)，三連桿分別為一級(jí)桿101、二級(jí)桿102、末端桿103，一級(jí)桿活動(dòng)鏈接到機(jī)械臂本體基座104，三連桿依次首尾順序活動(dòng)鏈接，三連桿的的首端分別為第一關(guān)節(jié)
105、第二關(guān)節(jié)106、第三關(guān)節(jié)107。第一關(guān)節(jié)處設(shè)有第一伺服電機(jī)108和第一減速器，第二關(guān)節(jié)處設(shè)有第二伺服電機(jī)109和第二減速器110，驅(qū)動(dòng)器連接減速器，即第一伺服電機(jī)108連接第一減速器，第二伺服電機(jī)109連接第二減速器110。減速器與相應(yīng)的關(guān)節(jié)處的連桿連接，即第一減速器與一級(jí)桿連接，第二減速器與二級(jí)桿連接。電器控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制、位置信息反饋三大部分，運(yùn)動(dòng)控制卡201設(shè)置在計(jì)算機(jī)202上，運(yùn)動(dòng)控制卡201與端子板203連接，端子板203與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器208連接，第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)處分別設(shè)有第一編碼器204、第二編碼器205、第三編碼器206。所述伺服電機(jī)為交流伺服電機(jī)。所述編碼器為增量式編碼器。所述減速器為行星減速器。所述機(jī)械臂本體為平面三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，其特征在于其包括機(jī)械臂本體和電器控制系統(tǒng)，所述機(jī)械臂本體為三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)，三連桿分別為一級(jí)桿、二級(jí)桿、末端桿，一級(jí)桿活動(dòng)鏈接到機(jī)械臂本體基座，三連桿依次首尾順序活動(dòng)鏈接，三連桿的的首端分別為第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)，第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)處設(shè)有驅(qū)動(dòng)器和減速器，驅(qū)動(dòng)器連接減速器，減速器與相應(yīng)的關(guān)節(jié)處的連桿連接，電器控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制、位置信息反饋三大部分，運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)置在計(jì)算機(jī)上，運(yùn)動(dòng)控制卡與端子板連接，端子板與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)分別設(shè)有編碼器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)器為交流伺服電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，其特征在于所述編碼器為增量式編碼器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，其特征在于所述編碼器為增量式編碼器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任意一項(xiàng)所述的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，其特征在于所述減速器為行星減速器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4任意一項(xiàng)所述的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，其特征在于所述機(jī)械臂本體為平面三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，其特征在于所述機(jī)械臂本體為平面三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，該裝置為平面三連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)，一級(jí)桿為驅(qū)動(dòng)桿，二級(jí)桿和末端桿為被動(dòng)桿，關(guān)節(jié)部分配有編碼器和制動(dòng)器；是機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型建立、無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制、動(dòng)力學(xué)耦合奇異研究、機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)自重構(gòu)、機(jī)器人位置算法研究等的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
文檔編號(hào)B25J18/00GK202656183SQ20122024905
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者楊伽利, 王建國(guó) 申請(qǐng)人:深圳市元?jiǎng)?chuàng)興科技有限公司