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轻型机械臂模块化柔顺关节研究

李国涛  
【摘要】:模块化机器人是机器人领域未来的重要研究方向之一。模块化设计具有灵活性好、设计周期短、设计成本低且便于维护的优点。本文针对自动装配轻型机械臂的应用需求,研制具有力感知及柔顺控制功能的模块化关节,以满足快速发展的装配作业的需求。为提高轻型机械臂的互换性和可维护性,缩短开发周期,采用模块化以及一体化的思想设计其关节。根据装配任务的需求,确定了关节需要满足的功能及性能指标,基于此,设计了关节的总体方案,将机构、驱动、传感、控制集成为一体,并完成了关键部件的选型,包括关节电机、谐波减速器、位置传感器、失电抱闸以及轴承等。基于设计的方案将各部件装配起来,构成一个传动可靠、集成度高、具有标准机械和电气接口、可实现中空走线的模块化关节。根据设计的结果,推导了一体化关节的动力学模型,建立了包含位置、速度及电流三环在内的闭环仿真系统。基于该系统,完成了关节控制器的算法验证,为设计本课题的伺服驱动器提供了技术支持。通过分析机械臂的负载能力及运行情况,得出关节电机适于采用id=0的磁场定向矢量控制策略和采用空间脉宽调制技术的结论。为满足一体化关节实时性、开放性、灵活性的控制需求,开发了基于FPGA的伺服控制器。该控制器主要包括时序控制模块、电流信号采集电路及其信号处理模块、矢量变换模块、PI调节器、三角函数计算模块、空间矢量脉宽调制模块、绝对式编码器SSI总线接口电路及采集模块等,综合实现了传感器信号采集与融合、伺服控制、电机驱动等功能。最后完成了样机的集成和调试。以开发的样机作为测试对象,分别对SVPWM和永磁同步电机矢量控制算法进行了实验验证,结果表明了所设计的柔性关节具有较好的电流、速度和位置跟随性,达到了预期目标。


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