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机械臂驱动结构简析

机械臂是由多个电机驱动,常见的工业机械臂大多数具有六个自由度,由六个直流伺服电机驱动,是一个多变量的复杂对象。本节以机械臂的结构作为出发点,进行分析。关节类型主要分为移动关节和旋转关节:

旋转关节(左侧)和移动关节(右侧)

1 机械臂结构及其驱动方式

工业机械臂是由一系列关节和连杆构成,大部分机械臂的连杆以串联形式连接,且每个关节位置由一个变量定义,因此,关节数目等于自由度数目。六自由度机械臂是常见的工业机械臂之一,机械臂的前三个关节确定点的位置,后三个关节确定末端执行器的姿态,它可以沿 X 轴、 Y 轴、Z轴移动,绕 X轴、Y 轴、Z轴转动,实现按任意期望位置和姿态放置物件的功能。

机械臂的核心部分是关节,关节主要由传动装置、运动轴系、驱动器、传感器组成,其中,驱动器带动机械臂完成各种动作。控制器将控制信号传送到驱动器,驱动器再控制机械臂关节和连杆的运动,控制机械臂的本质是控制驱动器。按驱动器不同,工业机械臂主要分为以下三种:液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。

A 液压驱动式

液压驱动式机械臂通常由液动机(各种油缸、油马达)、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统,由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力(高达几百千克以上),适用于大型重载的工况环境,其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好,但存在泄露、噪声和低速不稳定等问题。

液压式驱动

B 气压驱动式

其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成,其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但是气压装置的工作压强低,抓举能力较低,并且不易精确定位,难以进行速度控制。一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动,如中、小负荷的工件抓取和装配。

C 电气驱动式

电气驱动是机械臂中使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便,响应快,驱动力较大(关节型的持重已达400kg),信号检测、传动、处理方便,并可采用多种灵活的控制方案。电气驱动式机械臂可应用于工业装配、机械制造等众多领域。

以上三种驱动方式中,由于电气驱动式机械臂较其他驱动方式,控制性能好、控制精度高、使用可靠、维护简单,且适用于所有尺寸的机械臂,因而电气驱动式机械臂是目前使用得最多的一种机械臂。在电气驱动式机械臂中,常见的驱动器为直流电机、步进电机和伺服电机,其中,直流伺服电机具有可靠性好、反应迅速、可以得到精确的旋转角度等有点,是目前主要的驱动电机。

机械臂的平移或转动是由电机控制关节的位移或转角,本质上来看,机械臂运动控制中最为重要的是,各个关节电机的协调控制,接下来将阐述机械臂与直流伺服电机之间的关系。

2 直流伺服电机及其驱动过程

直流伺服电机是机械臂关节内部的驱动器,带动机械臂完成各种动作。直流伺服电机由、减速器、编码器、直流电机构成,减速器用来改变电机方向传来的转速,以达到适合机械臂所需的转速;编码器记录电机旋转的角度速度等信息;通过对直流电机进行控制,可以使直流伺服电机按期望的转速和力矩运动到期望的转角。接下来具体描述直流伺服电机的工作原理。

直流伺服电机采用直流供电,为调节电机转速,需要对直流电压的大小进行控制,。电压越小转速越低,电压为零时,停止转动。目前常用的驱动方式是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)。

利用大功率晶体管的开关作用,通过改变电机上电压的时间即占空,电压的平均值大小发生改变,从而控制电机的转速。在控制过程中,如果负荷增大,转速就会低于期望转速,电压或电流将会增加,直至转速与期望值相等,反之,如果转速高于期望转速,电压将会减小。

基于直流伺服电机的工作原理,机械臂通过伺服电机驱动的一般过程如下:首先,通过轨迹规划算法计算出各个电机转动的期望角度、速度和加速度,采用编码器可得到电机转动的实际角度、速度等信息,二者进行比较可得到偏差值;其次,将以上接收到的数据进行解析并转换为脉冲和方向;最后,分别给各个关节的电机驱动器发送相应的PWM波形(即脉冲),从而使其向外输出高电平或低电平(即方向),控制机械臂的各个关节之间的协调运转。同时,采用各个电机编码器反馈给驱动器的脉冲数,结合时钟周期就可以计算出电机旋转的速度,以便观测、调整机械臂的运动情况。

需要注意的是,为了满足机械臂快速响应、精度高的要求,伺服电机的转动力矩要大,转动惯量要小。但是如果电机选型与机械臂不匹配,不仅会增加机械臂的成本,还会影响机械臂的性能,因此,需要合理选型。伺服电机的选型原则是以机械臂的动力学方程为基础,通过对伺服电机的最大转矩和最大速度推导计算,从而确定伺服电机型号。

机械臂关节传感系统由位置传感器和关节力矩传感器组成。位置传感器系统由电位计,电机自带霍尔传感器,磁场限位开关组成。电位计的精度较低,线性度只有±0.2%即0.72°。电机自带霍尔传感器使电机每转一圈均匀输出6个脉冲,经减速输出后电机在关节轴处一个霍尔数代表theta = pi /(3r)

3 机器人的串并联结构汇总

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