一种六自由度串联机械臂的研制.pdfVIP

学兔兔 第6期(总第193期) 机 械 工程 与 自动化 NO．6 2015年12月 MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION Dec． 文章编号：1672—6413(2015)06—0014—03 一 种六自由度串联机械臂的研制来 陈 浩 ，李腾飞 ，陈 锐 (1．北京航空航天大学机器人研究所，北京 100191；2．重庆大学机械工程学院，重庆 400044) 摘要：设计了一款六自由度串联机械臂，并对其机械结构与控制系统进行了详尽的论述。机械臂采用关节式 的结构，工作灵活，可达空间大；基于PMAC多轴运动控制器搭建了切实可行的运动控制方案，控制系统 具有很好的实时性和可扩展性。实验结果表明研制出的机械臂各关节运转良好，控制系统稳定、可靠，达到 了设计目标。 关键词：六自由度；机械臂；研制；PMAC 中图分类号：TP24 文献标识码：A 0 引言 Manxon直流伺服电机，它具有高精度和高可靠性，可 机器人可以代替人在危险的场合工作，特别是在 作为机械臂的理想动力源，电机前部装配行星齿轮减 核电站发生事故的情况下，使用救援机器人实施救援 速器，后部装配增量编码器。连续旋转自由度的实现 是～项很重要的施救手段，救援机器人搭载的机械臂 可以使用滑环结构，用来解决有相对转动部件的电源以 是其完成救援任务的关键。结合核电站救援机器人关 及信号的传输问题。机械臂本体结构示意图如图2所 键系统开发项目，本文设计了一款六自由度串联机械 示。 臂，设计的机械臂为功能验证样机，暂不考虑核辐射的 影响。 1 机械臂本体结构的设计 核电站内部结构复杂，机械臂将执行旋拧阀门、打 开／关闭开关、抓取物品、插拨开关等工作，特别是核电 站内部管道很多，涉及很多旋拧阀门的工作，目前多数 文献开发的救援机械臂为5个自由度且没有可以连续 旋转的自由度，工作范围较小且不利于阀门的快速旋 拧。本文开发的机械臂有 6个自由度，并且有 2个自 由度可以连续旋转，6个自由度为非耦合的结构，末端 图1 机械臂传动方案 图2 机械臂本体结构示意图 可搭载多种操作手。 1．1 1轴、2轴和3轴的机械结构设计 设计的六自由度机械臂采用关节型式，具有工作 由于1轴、2轴和3轴具有类似的结构，现以2轴 灵活和可达范围大等突出的优点n ]，其工作范围如 为例进行结构设计，其结构示意图如图3所示。蜗轮 下：第1轴(腰部)为0。～300。；第2轴(肩部)为0。～ 与 U型支撑件通过键连接固连，肩部关节运动时，蜗 225。；第3轴(肘部)为0~~200。；第4轴(手腕转动)为 杆一方面绕着自身旋转轴旋转，另一方面带动相关部 连续旋转；第5轴(腕部俯仰)为O。～180。；第6轴(末 件绕着蜗轮轴轴线旋转，实现肩关节的旋转动作。由 端旋转)为连续旋转。 于蜗轮蜗杆的自锁，在断电及突发情况下，关节可保持 按照设计参数确定的机械臂传动方案如图1所 原有姿态从而保护机械臂不受损坏。该方式相比于采 示。6个自由度全部为旋转关节，1轴、2轴和3轴采 用具有抱闸的电机而言，成本更低。由于蜗轮蜗杆中 用蜗轮蜗杆的形式，具有自锁功能[4]，可以在突发及断 心距的精度对效率的影响很大u5]，因此设计了调整蜗 电情况下保持位置，从而保护机械臂；4轴、5轴和6轴