本實(shí)用新型屬于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)技術(shù)領(lǐng)域，涉及單自由度柔性機(jī)械臂的實(shí)驗(yàn)方向，具體涉及一種單自由度柔性臂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

背景技術(shù)：

柔性機(jī)械臂的柔性主要來自于桿的彈性變形和關(guān)節(jié)彈性變形兩個(gè)方面。不論是連桿還是關(guān)節(jié)的變形都會(huì)給機(jī)械臂的末端帶來靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的形變，存在一定的誤差。當(dāng)機(jī)械臂在負(fù)載情況下和本身自重一起使得機(jī)械臂的各個(gè)連桿與關(guān)節(jié)出現(xiàn)形變，并且這些形變會(huì)逐步累加，最終集中到機(jī)械臂的末端形成末端位置誤差這種靜態(tài)的變形誤差在串聯(lián)機(jī)器臂中表現(xiàn)更為明顯。連桿和關(guān)節(jié)變形導(dǎo)致的震蕩給機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)性能帶來影響，形成動(dòng)態(tài)變形誤差。由此可見，連桿與關(guān)節(jié)引起的形變給機(jī)械臂的控制精度和動(dòng)態(tài)性能帶來了很大影響。

連桿產(chǎn)生的形變主要是由于機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度較低導(dǎo)致。連桿的動(dòng)能與勢(shì)能相互作用形成了連桿的柔性。尤其是連桿越長(zhǎng)，柔性越為明顯。連桿的拉伸、彎曲和扭曲導(dǎo)致的機(jī)械臂柔性主要表現(xiàn)為震動(dòng)和彎曲形變，從而增加了機(jī)械臂的控制難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提出一種單自由度柔性臂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過在基座上安排關(guān)節(jié)和手臂構(gòu)成機(jī)械臂，在關(guān)節(jié)外設(shè)置了驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)發(fā)生器，解決了柔性臂的不同工況所需的驅(qū)動(dòng)力。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：一種單自由度柔性臂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所述單自由度柔性臂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括基座、關(guān)節(jié)和手臂，基座安裝在底部，關(guān)節(jié)和手臂相連組成機(jī)械臂，關(guān)節(jié)位于基座上方，關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)有步進(jìn)電機(jī)，關(guān)節(jié)外設(shè)有驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器連接驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器連接步進(jìn)電機(jī)，關(guān)節(jié)末端連接柔性臂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

上述裝置中，所述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還包括內(nèi)軸、軸承、鍵、外接軸、軸承端蓋、第一螺栓、墊片、第二螺栓和連桿，步進(jìn)電機(jī)通過第二螺栓固定在基座上，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸用鍵結(jié)構(gòu)連接外接軸，外接軸與內(nèi)軸配合，通過第一螺栓連接固定，內(nèi)軸的外圈與基座的內(nèi)圈用來與軸承配合，軸承端蓋與基座連接，外接軸通過墊片與基座的定位孔相連，連桿連接于外接軸上，連桿是柔性臂。所述連桿是可更換的實(shí)驗(yàn)連桿。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

本實(shí)用新型有益效果是 : 本實(shí)用新型提供一種單自由度柔性臂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在基座上安裝關(guān)節(jié)和手臂構(gòu)成機(jī)械臂，設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置和信號(hào)發(fā)生器，可模擬多種工況來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置來模擬機(jī)械臂在實(shí)際工作中的驅(qū)動(dòng)情況，并且可在外接軸上快速更換不同規(guī)格和大小的建議柔性臂，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于改進(jìn)。

附圖說明

下面對(duì)本說明書附圖所表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡(jiǎn)要說明：

圖 1是本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式的單自由度柔性臂的構(gòu)型圖。

圖 2是本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式的單自由度柔性臂的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 3是本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)原理圖。

圖 4是本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)電路示意圖。

圖中：1-步進(jìn)電機(jī)，2-基座，3-內(nèi)軸，4-軸承，5-鍵，6-外接軸，7-軸承端蓋，8-第一螺栓，9-墊片，10-第二螺栓，11-連桿。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)照附圖，通過對(duì)實(shí)施例的描述，本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式如所涉及的各構(gòu)件的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及操作使用方法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。

如圖 1-4所示，一種單自由度柔性臂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括基座 2、關(guān)節(jié)和手臂，基座 2安裝在底部，關(guān)節(jié)和手臂相連組成機(jī)械臂，關(guān)節(jié)位于基座上方，關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)有步進(jìn)電機(jī) 1，關(guān)節(jié)外設(shè)有驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器連接驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器連接步進(jìn)電機(jī) 1，關(guān)節(jié)末端連接柔性臂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還包括內(nèi)軸 3、軸承、鍵 5、外接軸 6、軸承端蓋 7、第一螺栓 8、墊片 9、第二螺栓 10和連桿 11，步進(jìn)電機(jī) 1通過第二螺栓 10固定在基座 2上，步進(jìn)電機(jī) 1的輸出軸用鍵 5結(jié)構(gòu)連接外接軸 6，外接軸 6與內(nèi)軸 3配合，通過第一螺栓 8連接固定，內(nèi)軸 3的外圈與基座 2的內(nèi)圈用來與軸承 4配合，軸承端蓋 7與基座 2連接，外接軸 6通過墊片 9與基座 2的定位孔相連，連桿 11連接于外接軸 6上，連桿 11是柔性臂，連桿是可更換的實(shí)驗(yàn)連桿，替換柔性臂，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路中，555芯片組成的定時(shí)電路連接 74LS1618計(jì)數(shù)器，74LS1618連接兩個(gè)并聯(lián)的 74LS138譯碼器，兩個(gè)并聯(lián)的 74LS138譯碼器連接有一個(gè)選擇開關(guān) S1，74LS138譯碼器連接多個(gè)并聯(lián)的按鍵開關(guān)，每個(gè)按鍵開關(guān)連接有 74LS08晶體管，晶體管連接了 MOS管，MOS管的漏極連接串聯(lián)的電阻、電感和二極管。

本實(shí)用新型屬于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)平臺(tái)，為單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。單自由度柔性臂中，基座主要是對(duì)機(jī)械臂起到支撐與固定的作用；關(guān)節(jié)位于基座上方，主要包含步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置，給手臂運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)能；手臂與關(guān)節(jié)相連，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)將末端執(zhí)行器（即連桿 11）運(yùn)送到指定位置。

步進(jìn)電機(jī)作為柔性臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為機(jī)械臂桿提供動(dòng)力來源，因此對(duì)步進(jìn)電機(jī)的選擇很重要，步進(jìn)電機(jī)功率過大或者過小都不合適。首先需要考慮關(guān)節(jié)所受到的最大力矩以及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角速度，從而計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)所需的功率。

為了估算關(guān)節(jié)需要的力矩，假設(shè)關(guān)節(jié)和連桿的重量分別集中于關(guān)節(jié)和連桿的中心，下面對(duì)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩、功率等進(jìn)行計(jì)算。由于關(guān)節(jié)受到臂桿重力與末端執(zhí)行器（負(fù)載）所產(chǎn)生的重力矩以及加速度扭矩。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算過程如下所示，其中 L=0.2m為關(guān)節(jié)到機(jī)械臂質(zhì)心的距離。

T=（0.4+2.5）×10×0.2×1.2=6.96（N?M）

由于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算過程沒有考慮動(dòng)力學(xué)部分，而且關(guān)節(jié)和機(jī)械臂桿的質(zhì)心位置和重量的估計(jì)存在一定的誤差，因此在實(shí)際選型時(shí)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該比算出的力矩大 20%左右。

要求關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速是 30度/秒，即

根據(jù)功率=轉(zhuǎn)矩×角速度，可得

P1=T1×n₁=3.64W

在這里，選用步進(jìn)電機(jī)，為了能夠穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的 30%～ 50%。這里取 30%，可以得到所需步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為

P=6.96/0.3=23.2N·m

選用廣州坪川機(jī)電設(shè)備有限公司提供的 130BYG350DH-0602型步進(jìn)電機(jī)，并選用與此步進(jìn)電機(jī)適配的 SH-32206步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)具體的參數(shù)數(shù)據(jù)如下表 1所示。

表 1：

一般將步進(jìn)電機(jī)與自由機(jī)構(gòu)直接連接，步進(jìn)電機(jī)能夠提供所需范圍的任何驅(qū)動(dòng)力，所以其結(jié)構(gòu)能夠滿足特定實(shí)驗(yàn)，從而滿足機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。

整體的單連桿機(jī)械臂系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械臂關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，選用的柔性機(jī)械臂為長(zhǎng)薄板結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)的柔性。以碳纖維材料的長(zhǎng)薄板代替柔性臂為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。通過對(duì)該薄板振動(dòng)測(cè)量和抑制分析以驗(yàn)證基于 PZT傳感器與驅(qū)動(dòng)器控制策略的有效性。柔性連桿參數(shù)如下表 2所示。

表 2：

上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了示例性描述，顯然本實(shí)用新型具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本實(shí)用新型的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本實(shí)用新型的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場(chǎng)合的，均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。