关节型机械手

关节型机械手（精选三篇）

关节型机械手 篇1

生物声纳探测仪模仿蝙蝠飞行时避障和捕食过程,实现对目标的识别和定位。全地形机器人是模仿多足动物运动形式的特种机器人,具有很强的环境适应能力,可以代替人类在自然环境恶劣的地区进行侦察、危险工作,已经广泛应用于军事和民用领域。本文将生物声纳探测系统和全地形机器人相结合,利用机器人上的机械手在三维空间的灵活控制,由安装于机械手末端的生物声纳探测装置获取目标丰富的信息量,如距离、方位、移动方向、速度和3D特征,提高全地形机器人在自然环境下正确定位、导航和识别能力。

针对以上情况,本文给出了生物声纳探测全地形机器人机械手控制系统总体方案,并根据机械手关节控制要求设计了生物声纳探测全地形机器人的机械手关节控制系统,完成了仿真,证明了该系统满足其关节控制要求。

1 全地形机器人生物声纳探测方法

生物声纳装置使用三个超声波传感器模仿蝙蝠的“一嘴两耳”生理结构制作,声纳装置发射超声波脉冲探测目标,利用“两耳”采集回波信号,然后对信号进行去噪处理和重构,同时保留回波信号时域和频域特征,最后经由相应的软件算法分析和提取回波信号特征,实现对目标的识别和定位。

由于一次回波信号只能反映出目标的一个侧面,不能完全展示出完整的形状特征。因此,本文中的生物声纳探测采用了蝙蝠在物体周围环形飞行发射声纳探测信号以识别目标的原理,在目标周围进行一些运动扫描策略来寻找其空间离散分布特征。全地形机器人的腿的数量较多,控制机器人行走、转弯比较复杂,因此采取了在全地形机器人的前方连接一个五自由度三关节的机械手,并将生物声纳仪安装在机械手末端关节的方法。通过机械手的灵活控制,实现末端生物声纳仪能以一定的运动方式对目标扫描,捕捉目标三维空间离散分布的特征,提高机器人行走速度和工作效率。全地形机器人机械手连杆坐标系如图1所示,机械手D-H参数如表1所示。

2 生物声纳探测全地形机器人机械手控制系统设计

生物声纳探测全地形机器人机械手控制系统总体框图如图2所示。机械手控制过程如下:全地形机器人在行走过程中,若超声波传感器在一定位置处检测出有目标障碍物出现,继续行进至目标前大致8m处停止运动,同时机身控制器将陀螺仪和电子罗盘所测得的机身方位和角度值通过RS232发送给机器人内部PC机。PC机根据生物声纳仪扫描过程进行任务工作流程的规划,并将任务分配到各个关节,关节控制器接受到上位机宏指令,解算出相应电动机的转角和速度值。其中六维腕力传感器安装于机械手腕部,用来感知机械手操作时的载荷或作用力/力矩信息,以及负责负载平衡,起保护作用。

3 生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制要求

针对生物声纳机械手工作过程,其关节控制要求如下:

1) 实时性:

生物声纳探测装置必须要实时采集到目标在三维空间内的回波信号以得到离散的目标物理特征,实现全地形机器人在自然环境下的准确定位和导航。这就要求全地形机器人要实时完成机械手关节电动机的控制、传感器信号采集及数据传输。

2) 准确性:

生物声纳探测装置利用的是回声定位原理,对位置的精确度要求高,且必须要位于目标的正前方才能采集到正确的回波信号时域和频域特征,生物声纳探测装置与机械手相连,因此关节电动机的转角和速度的精确控制对获取目标更为精确的离散分布特征有着决定性的作用。

3) 稳定性:

全地形机器人工作在自然环境中,地面通常是凹凸不平,运动过程中容易受到震动、冲击和外界信号的干扰,因此要求控制系统容错性好、抗干扰能力强、可靠性高,并且具有较小的稳态误差和良好的稳态性能。

4) 软硬件模块化设计:

模块化设计有助于关节控制系统各功能模块的优化与扩展,各模块互不干扰,提高后期工作效率。

4 生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制系统方案

根据生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制要求,关节控制系统模块设计如图3的所示。

主控制模块负责各模块之间的协调控制,为整个关节系统的核心。通信模块用来与上位机交互信息。光电隔离模块实现主控制模块与关节驱动模块的隔离,防止关节驱动电路产生过大的电流破坏控制电路。关节驱动模块实现对关节电动机的控制。信号反馈模块采集传感信号,经过主控制模块一系列算法,得出最佳控制策略。

此关节控制方案采用了以STM32F103为核心的控制系统如图4所示。

在机器人机械手关节控制系统中,上位机为PC机,主要完成系统的初始化、轨迹曲线参数设定和运动信息的实时显示。上位机通过人机交互界面,监视全地形机器人行走和机械手运动状态,随时调整机械手运行形式。下位机即STM32F103微控制器,主要负责电动机的驱动和当前位置信息的反馈。STM32F103微控制器根据上位机发送的宏指令解算求出关节电动机的目标转角,增量式编码器与STM32F103定时器编码器接口相连,获取反馈转角和反馈速度值,经过算法处理求得控制量以驱动电动机。

5 生物声纳探测全地形机器人机械手关节系统硬件设计

5.1 主控制器

基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列微控制器具有高性能、低成本、低功耗的特点。它所具有以下的功能满足了生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制要求:

1) STM32F103内置的高级/通用定时器具有PWM输出和编码器接口模式功能,提高了直流电动机位置与转速控制和增量式编码器信号采集的精确度。

2) STM32F103内嵌CAN模块控制器,支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式,波特率最高可达1M/s,支持时间触发通信功能,增强了数据传输的同步性和可靠性。

3) 12个独立的可配置的DMA通道,减轻了CPU的负担。

4) 逐次逼近型12位模拟数字转换器,多达18个通道,可测量16个外部和2个内部信号源。ADC 有一个独立的电源供应,该电源可以独立的过滤和屏蔽来自印刷电路板(PCB)的噪声,转换精确性得到了提高。

5) 由于全地形机器人是代替人类执行工程勘测、反恐防爆、核侦察、火灾救援等危险的任务,工作条件恶劣,在危险情况下可以使用STM32F103 内部高级定时器所独有的刹车功能紧急停车。

5.2 通信模块设计

生物声纳探测全地形机器人工作环境比较恶劣, 容易受到多种信号干扰, 同时系统要求实时控制, 因此采用抗干扰能力强、实时性好的现场总线作为全地形机器人机械手的控制网络。控制器局部网(controller area network,CAN)具有突出的实时性、可扩展性以及简单方便的使用特性, 完善的错误处理机制保证了高噪声干扰环境下数据传送的安全可靠。

STM32F103内置的bxCAN能够以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文,硬件电路图如图5所示。

6 生物声纳探测全地形机器人机械手关节系统软件设计

6.1 主程序设计

该系统的主程序设计流程如图6所示。先对系统初始化,开启CAN接收中断,根据上位机发送的位置指令解算出目标转角,同时获取当前转角和速度,经过PI运算计算出所需的执行量,最后输出相应的PWM控制电动机运行。

6.2 直流电动机模糊PI控制策略

生物声纳探测全地形机器人机械手关节采用具有位置与速度反馈的闭环控制,并引入模糊控制策略。本系统在位置环上采用了基于Fuzzy推理的自整定PI控制器,控制器的输入量为从增量式编码器获取的电动机实际位置和给定位置的偏差e和偏差的变化率ec,利用e和ec在线调整位置环PI调节器的比例、积分系数,力求最佳的参数值,达到精确控制的目的。结构原理图如图7所示。

7 仿真结果及分析

将系统在Matlab/Simulink中建模并仿真,图8为未加任何控制器的位置单位阶跃响应曲线,图9为加入PI控制的位置单位阶跃响应曲线,图10为加入模糊PI控制的位置单位阶跃响应曲线。

由仿真结果对比可知,利用模糊PI控制的位置伺服系统上升时间短、超调量低、响应速度快、稳态性能好,并且具有较强的鲁棒性。该系统的设计很好满足了在生物声纳探测过程中全地形机器人机械手关节控制系统的实时性、准确性和稳定性要求。

8 结语

设计了一种带有生物声纳探测仪的机械手装置,介绍了该机械手的连杆坐标系和控制系统结构方案。针对生物声纳探测全地形机器人机械手关节相应的功能要求,文中采用了基于STM32F103微控制器模块化关节控制系统和模糊PI控制的位置伺服系统设计方案。仿真结果表明,该系统具有很好的实时性、准确性、稳定性和鲁棒性,可以用于生物声纳探测全地形机器人机械手关节控制。因此,生物声纳探测用机械手为全地形机器人在野外探险、侦测提供了方便,提高了机器人的工作效率,具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]沈平,段小刚,李涵雄.一种解析的模糊PI自整定方法[J].控制工程,2010,17(2):179-181.

[2]喻金钱,喻斌,等.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用[M].北京:清华大学出版社.2011:120.

[3]杨叔子,杨克冲.机械工程控制基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2011:93-97.

[4]Maosen Wang and Andreas Zell.Sequential sensing with Biosonarfor natural landmark classification[J].IEEE International Work-shop on Safety,Security and Rescue Robotics,2005:137-142.

[5]Nagatani K.,Yuta S.Designing strategy and implementation ofmobile manipulator control system for opening door.IEEE Ro-botics and Automation,,1996:2828-2834.

六关节机械臂运动路径设计 篇2

六关节机械臂运动路径设计

就关节式机械臂指尖在任意两点间移动、沿固定曲线移动、机械臂绕开障碍物执行任务以及参数优化等问题展开研究.首先确定了自由度组合到指尖空间位置的映射,建立了求解上述问题的最小二乘模型、泛函条件极值模型,并给出了数值解法.最后,结合图像处理等技术,对各参数的优化设计提出了改进措施.

作 者：陈明生 沙威 谢莹 CHEN Ming-Sheng SHA Wei XIE Ying 作者单位：安徽大学,计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽,合肥,230039刊 名：数学的实践与认识 ISTIC PKU英文刊名：MATHEMATICS IN PRACTICE AND THEORY年，卷(期)：38(14)分类号：O1 TH12关键词：机械臂 非线性最小二乘 泛函条件极值

关节型机械手 篇3

关键词：机械手臂；智能；控制系统；设计

前言

由于机械手臂是近现代制造业发展中出现的新型的技术形式，它的逐步发展使得企业整体的生产水平得以进一步提高，因此在这种条件下开发研制一种多关节智能机械手臂，但是这种机械手臂所要涉猎学科广泛，包括机械学、力学和计算机信息技术等，这就使得机械手臂在控制上常常出现一些不足，因此本文主要基于机械手臂的工作原理和构成，采用CAN总线对于机械手臂进行智能控制，可以使得机械手臂的控制能力大大提高。

1.概述机械手臂的组成和工作模式

1.1机械手臂的组成

机械手臂主要是由控制系统和驱动装置、执行装置组成。首先，执行装置主要由手掌和腕部、手臂等组成，主要的用来抓取一些部件和工具，而且它可以根据不同抓取物的大小和形状变换不同的方式抓取；驱动装置主要是使得手臂变换不同的形态对于抓取物进行灵活抓取；控制系统主要是利用网络和多媒体信息技术对于整个机械手臂的自由度进行控制，进而使得机械手臂的自由度进一步提升，相对于以前的点动和连续性控制效率大大提高。由于现在大多的工厂采用伺服电动和计算机信息技术进行机械手臂控制的[1]。

1.2机械手臂的工作模式

机械手臂的伺服驱动装置，主要是通过关节的驱动对于机械手的基本动作进行控制，目前机械手臂主要是采用闭环控制的原理进行控制。伺服电机的基本原理是计算主机给出的关节应该操作的位置和计算机探测到的关节应该操作之间出现的误差，该误差通过数据模型的转换和功放之后，这样可以使得机械手臂和关节操作更加精准。各种伺服电机是现在经常使用的驱动装置，由于一般伺服电机输出的速率较高，输出转矩小，但是关节带动的力度和转速不足，但是力矩却较大。因此，在电机与负载间需要一种优质的驱动装置，使得转矩和转速在一定意义上达成一致。

另一种驱动装置是计算机控制系统，各关节伺服驱动性信号和指示都是通过主机进行计算后采样发出的。计算机根据整体的轨迹运行状态，进而得到在不同阶段和时间下轨迹运行数据，依据反向运动的原理把这些轨迹数据的变化，进一步转化成对于各个关节的指令数据。通常采用主机与关节计算机对于机械手臂进行控制。而且有时候需要进行智能化的操控，还需对包括视觉在内的各种传感信号进行搜集和处置并进行智能的形态下的辨析、解决问题、工作的规划、进行决策，这些才需要三级计算机形式进行控制[2]。

2.多关节智能机械手臂控制系统的设计

2.1多关节模式的设计

多关节的机械手臂主要是四个手指和六个手指构成，可以在垂直和水平这两个方向进行平面运动，而且通过四个或六个不同的电机对四个或六个手指进行控制，进而使得整个的手臂进行抓取的运动。当电脑的主机发出控制信号的时候，带有传感功能的装置就会对于要抓取的物体的位置进行探测，从而将控制器接收到信号，进而操作电机带动手臂和关节进行运动，等要抓取物体的时候就会对手臂发出指令，进而完成整个抓取动作，抓取结束后智能手臂控制系统还会将指令发送到电机装置，进而使得整个多关节模块完整的得以呈现，还可以使得机械手臂的自由度进一步提升，而且控制效率大大提高[3]。

2.2控制和驱动装置的整体过程的设置

现在国际和国内在控制多关节智能机械手臂主要是采用CAN总线进行调控，机械手臂的每个关节可以通过CAN总线进行规范化的控制和操作，而且每个关节都是这个网络控制下的一个环节，他们之间的关系是缺一不可和相辅相成的。每个关节都要与CAN总线进行连接，而且在传输数据的时候用数据包的形式，这就使得CAN总线通过控制器对于机械手臂的每个环节进行监测；另一方面，每个关节点和环节也可以通过自己的传感器将自己对于机械手臂监测信息传到CAN总线的控制网络上，进而形成一个封闭的控制系统，这样可以使得控制终端及时调整手臂的位置，进而更加精准的完成工作和任务，进一步提高生产的效率，而且还可以节省资源和控制上的人力投入。另外，整个设计过程不光需要硬件设备的投入，还需要注重设计过程中的计算机软件应用程序的建设，这对于完善整个智能手臂的控制设计模式有一定的促进作用，因为软件关系到整个网络控制系统的好坏，因此在设计的过程中很重视这方面的开发和研究。

3.结语

随着现代在制造业的不断发展，以及工业自动和机械化的不断推进，因此这就促使企业研制和探索开发智能机械手臂，从而使得自己的企业的工作和生产的效率进一步得以提升，而且也节约了工作的时间和人力和物力的投入。因此本文首先概述了机械手臂的组成和工作模式；其次，根据机械手臂以上的基本理论和原理的基础上，利用目前国际和国内先进的CAN总线的控制技术和模式，设计一种创新性的智能机械手臂控制装置，进而使得机械手臂的工作效率大大提高，智能性也逐步增强，而且也使得机械手臂的便捷性和灵活性大大提升，这对于整体工作效率的提高也也有一定促进作用。

参考文献：

[1]陈玄.基于模糊控制下多自由度机械手臂控制技术的研究[D].中北大学，2014.

[2]杜刚.关于机械手臂控制方案的研究[J].科技资讯，2013，29：83.