多自由度微型机械臂设计与实现.pdf
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1、邮局订阅号：元年技术创新机 器 人 技 术 技术应用例 您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注多自由度微型机械臂设计与实现The Designand Implementationof Multi-DOFMicro-manipulator(1.装备指挥技术学院;2.国防科学技术大学)杨庆1税海涛2汤亚锋1 摘要:空 间 机 械 臂 面 临 着 轻 质 化、小 型 化 及 低 功 耗 的 发 展 趋 势。本 文 设 计 了5自 由 度 微 型 机 械 臂 的 机 械 结 构,对 驱 动 电 机 及配 套 设 备 进 行 了 选 型。采 用 上/下 位 机 的 控 制 结 构,基 于DSP2
2、812和CPLD3128开 发 了 机 械 臂 控 制 系 统。将 该 机 械 臂 系 统 固 定于 卫 星 模 拟 器 上,采 用 双 目 视 觉 导 引 方 式,对 固 定 目 标 的 关 键 部 件 完 成 了 夹 取、剪 切 和 插 拔 等 动 作。关键词:空间机械臂;多自由度;DSP2812;控制系统中图分类号:TP241.3文献标识码:AAbstract:SpaceManipulator faces the development trend of lightweight,mini-typeand low-power-consuming.The mechanical struc-t
3、ure of micro-manipulator with 5-DOFis designed,and the motors?as well as other equipments are selected.With the upper/lowercontrol architecture,the control system is constructed based on DSP2812 and CPLD3128.At last,the micro-manipulatorsystem isfixed on the satellite simulator.Guided by the dual-vi
4、sionsystem,the actions,such as clamping,cutting and inserting&drawingwith a key component of a fixed target,are accomplished.Key words:space-manipulator;multi-DOF;DSP2812;control system文章编号:1008-0570(2010)09-2-0147-02引言随着航天技术的发展,人类探索太空的活动越来越频繁。出于经济方面和安全方面的考虑,空间机器人将协助甚至代替航天员完成大量在轨服务任务,如对故障卫星的捕获、装配、修理
5、等,其在未来的空间应用中将发挥重大作用。空间机器人上一般都安装有一个或多个多自由度机器臂。第一个成功应用的空间机械臂系统是加拿大为美国国家宇航局(NASA)定制的航天飞机遥 操 作 机械 臂系 统(SRMS),该 臂 于1981年底 升 空,有 六 个 旋转关节,每个关节由一个单自由度基本模块JOD构成;1993年德国宇航中心 研 制成 功 并 发射 的 六 个自 由 度 空间 机 器 人系 统ROTEX,成功演示了空间机器人的在轨装配、更换ORU以及捕获太空浮游物体等空间作业能力;1997年 日 本NASDA研制 的科学实验卫星ETS-VII,成功演示了空间机器人用于在轨卫星捕获与对接的能力
6、;2005年德国宇航中心在国际空间站(ISS)上进行了Rokviss机械臂部件验证试验,对其研制的模块化、小质量、力矩控制关节进行了验证。目前国际空间站拥有一个复杂的空间机器人系统,主要包括加拿大的移动服务系统(MSS),日本的实验舱机械手系统(JEMRMS)和欧洲航天 局 资助 研 制 的欧 洲机械臂(ERA)。这些机械臂系统都是面向大型航天器而设计,而21世 纪 航天 技 术 发展 的 战 略 目 标 之 一 是 实 现 航 天 器 的 质 量、体积以及全寿命成本比目前降低一个数量级,充分体现“更快、更好、更省”的原则。因此,空间机械臂也应顺应微型航天器的发展趋势,实现轻质化、小型化及低功
7、耗。为了建立微型空间机械臂地面仿真平台,设计并制造了一套多自由度微型机械臂系统,对其执行能力进行了检验。1结构设计本文 设 计的 多 自 由度 微 型 机械 臂 系 统为5自 由 度 串 联 结构,可以折叠收缩,能够满足基本在轨服务任务的操作需求。采用3mm厚轻质铝合金板件作为基本的连杆部件,双连杆形成T型结构,具有结 构 简单、重 量 轻的 特 点,同时 满 足 了机 械 臂 各关节连接的强度需要。多自由度微型机械臂实物如图1所示,主要由关节轴、连杆和执行部件组成。该机械臂共有4个关节轴,考虑到重量限制和易装配性要求,所 有关 节 轴 都设 计 成 相似 的 结 构,具 有模 块化、易装配特
8、点,零件重量轻、构型简单。每个关节轴都具有1个内轴和1个外轴,二者通过固定电机与滚动轴承连接在一起。内轴主要用于固定电机和轴瓦,机械臂的基座则是一个特殊的内轴。为便于安装,内轴设计为异型电机套,装配时利用减速器上的滚动轴承和装配在内轴上的滑动轴承产生单自由度的转动;外轴主要作为自由度连接,通过与减速器上的滚动轴承和安装在内轴上的滑动轴承作用限制轴向滑动。执行部件能够完成夹取、剪切等动作,节约了成本。图1多自由度微型机械臂2驱动电机及配套设备选型驱动电机采用小功率伺服电机,减轻了驱动系统重量。使用微型电机直接控制方式,满足了基本的控制要求,同时设计和实现都相对简单。机械臂的杆件参数如图2所示。为
9、了表述方便,对运动副从0到3编号,相邻电机旋转轴的间距依次定义为l0到l3,其中l3包括了执行部件。假设各连杆质量分布均匀,设计最杨庆:讲师硕士147-技术创新微 计 算 机 信 息（嵌 入 式 与 ）年 第卷 第期元年 邮局订阅号：现场总线技术应用例机 器 人 技 术大抓取质量为150g。图2机械臂杆件参数示意图根据机械臂的杆件参数,计算各关节所需最大驱动力矩,然后选择转矩和效率合适的减速箱,最终确定合适的驱动电机,并选择匹配的码盘,如表1所示。鉴于Maxon公司生产的电机质量可靠,在航天领域得到广泛应用(在“勇气号”和“机遇号”火星车中,每辆有43套直流微电机组合作为驱动部件,其中有39套
10、来自Maxon公司),机械臂各关节电机及减速箱均采用Maxon产品。数字MR编码器为带线驱动,一周脉冲数为256,通道数为2。3控制系统设计机械臂控制系统采用上/下位机的控制结构,这种结构可以充分发挥上位机运算能力强的特点,快速完成机械臂路径规划工作,下位机则专门负责控制机械臂的运动8。上位机采用PC机,基 于VC+6.0编 译 生 成 上 层 控 制 程 序,下 位 机 为 基 于DSP2812和CPLD3128开发的5轴电机控制板,基于C语言编译底层电机控制程序。上/下位机分别通过串口和SCI接口各自连接一个串口/无线转换模块CC2431,以无线方式实现上位机与下位机之间控制指令、电机状态
11、的通信。机械臂控制系统的结构如图3所示。电机控制板的核心处理器选用TMS320F2812,是32位定点DSP控制 器,其主 频 高 达150MHz,大 大 提 高了 控 制 系 统 的 控 制精 度 和 芯 片 处 理 能 力。由 于 机 械 臂 包 含 了5路 电 机,而1片DSP2812仅有两路正交脉冲编码电路,所以在电机控制板上集成了CPLD EPM3128,利用其实现了3路正交脉冲的鉴相与计数,电机控制结构如图4所示。此外,在电机控制板上集成了功率驱动芯片L298P。设计中将L298P内集成的2组H桥并联,输出电流可达4A。串 口/无 线 转 换 模 块 集 成 了 串 口 芯 片MA
12、X3232和 无 线 收发芯片CC2431。CC2431芯片内集成了增强的51内核和 射 频芯片CC2420,工作频率为30MHz,无线通信波特率为38400bps。控制系统的工作过程如下:上位机根据目标信息进行路径规划,生成机械臂各关节的控制命令,并通过串口发送到无线模块,由串口/无线转换模块CC2431将其转换为无线电信号传输出 去;5轴 电机 控 制 板上 的 串 口/无 线 转 换 模 块CC2431接 收 该无线电信号,并将其转换为串口信号后传送给下位机;DSP2812根据控制指令,产生PWM信号,驱动机械臂 关 节的 五 个 电机 转动相应角度,保证执行末端到达目标位置,并完成一定
13、动作。4结论本文对5自由度机械臂的结构进行了合理设计,根据机械臂的结构参数和任务要求,选择了合适的驱动电机和配套减速箱以及数字编码器,采用上/下位机的控制结构,基于DSP2812和CPLD3128开发了机械臂控制系统。整套机械臂系统质量为912g,功 耗 小 于15w,实 现 了 轻 质 化、小 型 化 及 低 功 耗 的 设 计 目标。将该机械臂系统固定于5自由度卫星模拟器上,采用双目视觉导引方式,对固定目标的关键部件进行了夹取、剪切和插拔等动作,执行误差小于1mm,实现了对微型机械臂空间在轨服务关键技术的研究和验证,对于认知在轨服务技术本质,促进我国在轨服务关键技术的工程化应用具有重要意义
14、。本文作者创新点:设计了5自由度微型机械臂的机械结构,采用上/下位机的控制结构,基于DSP2812和CPLD3128开发了机械臂控制系统,满足 了 轻 质化、小 型 化及 低 功 耗要 求,实 现了对固定目标关键部件的夹取、剪切和插拔等动作。参考文献1S.Beland,潘科炎.加拿大的空间机器人从国际空间站的灵敏作业机器人到行星探测机器人J.控制工程,2001(2):22-29.2G.Hirzinger,B.Brunner,J.Dietrich,et al.Sensor-Based SpaceRobotics-ROTEX and Its Telebobotic FeaturesC.IEEE T
15、rans.onRoboticsand Automation,Vol.9,No.5,1993:649-663.3Woo-Keun Yoon,Toshihiko Goshozono,Hiroshi Kawabe,et al.Model-Based Teleoperationof a SpaceRobot on ETS-VIIUsing aHaptic Interface C.Proceedingsof the 2001 IEEE InternationalConferenceon Robotics&Automation,Seoul,Korea,May 21-26,2001:407-412.4G.H
16、irzinger,K.Landzettel,D.Reintsema,etal.ROKVISSRoboticsComponentVerification on ISS,Proc.of The 8th International Symposium on ArtificialIntelligence,Robotics and Automation in Space,Munich,Germany,September5-8,2005:451-461.5Savi Sachdev,Benoit Marcotte,Graham Gibbs.Canadaand theInternational SpaceSt
17、ationProgram:Overview and Status C.55thInternational Astronautical Congress2004 vol.11,Vancouover(CA),Oct.4-8,2003:7405-7415.(下转第165页)148-文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3
18、H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8文档编码:CT3Z1L5A9S1 HY10N10U8I2I3 ZJ1U3H3H1C8
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- 关 键 词：
- 自由度 微型 机械 设计 实现
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