工业机器人

目录

第1章引言....................................................................................................1

第2章微机器人检测系统性能要求与总体方案.......................................1

第3章微机器人直线位移检测...................................................................2

第4章微装配机器人及微马达...................................................................5

第5章步进运动模型....................................................................................6

第6章结论....................................................................................................9参考文献..........................................................................................................10

一种三自由度微机器人直线位移检测方法论文

摘要:宏-微结构作为一种扩展关节型工业机器人性能的重要方案近年来被广泛研究。针对宏-微机器人系统中三自由度微机器人的高检测精度、高响应速度要求和空间体积受限条件,采用基于调制解调的直线位移反馈技术实现了位置检测。实验结果表明,该检测系统能够满足微机器人的使用要求。关键词:宏-微机器人,微机器人,位置检测,调制解调

1.引言

随着加工工业的发展,一些高精度加工领域如激光焊接、切割等由于加工速度快,激光光斑直径小,对轨迹跟踪的速度和精度有更高的要求。在现有的制造和控制水平下,从工业机器人自身的构造和控制策略入手很难明显提高其动态轨迹精度。宏-微机器人作为一种建议被用来提高工业机器人运动的轨迹精度。其具体实现是将一小机械手(称为微机器人)附在一大机械手(称为宏机器人)的末端构成串联系统,从而达到减小末端有效惯量、扩充响应频带的效果[1]。

宏-微机器人进行高精密作业时,微机器人需要及时对上位机传来的任务进行分析,快速准确的执行上位机任务,这就对微机器人反馈系统的实时性,稳定性和精度都提出了很高的要求。同时由于微机器人位于宏-微机器人末端,体积受到限制,对馈系统体积提出了很高的要求。

现有的文献对精密位置反馈已有广泛研究。文献[2]采用增量式光电编码器,应用四倍频处理方法对轮履式焊接机器人十字滑块位置进行检测,效果明显。文献[3]采用感应同步器实现对直线位移的测量,测量精度可达0.05微米。文献[4]以位置敏感探测器(PSD)作为位置传感器,把成像于其敏感面上的光斑位置信号转换为电信号输出,研究了一种适合机器人三维位置检测的新方法。文献[5]采用计算机视觉进行反馈,对管内作业机器人进行位置检测,实验证明采用合理的算法可以在一定条件下,使精度达到1像素。本文微机器人反馈系统需要对直线位置进行检测,其应具有体积小,精度高,抗干扰能力强的特点。常用的编码器,感应同步器,PSD和视觉传感器由于体积较大,难以用于本文微机器人的反馈系统研制。本文提出一种基于微型直线电位器的位置检测和反馈系统,采用DSP作为反馈数据处理器。其具有体积小,精度高和抗干扰能力强的优点,能够满足微机器人的位置检测需求。

2.微机器人检测系统性能要求与总体方案

微机器人检测系统的性能要求及关键问题如下:

(1)微机器人是为了扩展工业机器人的动态性能尤其是提高轨迹精度而增加到工业机器人末端的,这就决定了微机器人的运动范围应超过工业机器人最大轨迹误差的两倍,且微机器人的运动精度应足够高,响应速度应足够快。

(2)检测电路与微机器人三个电机、三个直线位移传感器、六个限位开关、24V直流电源和上位机(计算机)之间有众多的线路连接。为了使微机器人成为相对紧凑且独立的系统,同时减少微机器人与外部的接线,避免长线路电磁干扰等,应该使检测电路尽量安装于微机器人内部。

(3)微机器人呈近似正方体,体积小,约90mm×90mm×90mm。而在此体积中,80%的空间被电机、传动机构、限位装置等机械部分所占据,剩余的空间很小且分散在各处。所设计的检测电路为了能

够嵌入到此分散的狭小空间中,需要严格考虑电路的体积和功能的整合。

(4)工作时,在微机器人的狭小空间内安装的三个电机频繁启动、加速、减速、停止及换向会导致在此空间内的高电磁干扰,要求检测电路尤其是直线位移反馈电路具有较强的抗干扰能力。设计的微机器人检测电路和电机分布如图1所示。宏-微机器人系统中的三自由度微机器人检测系统如图2中的虚线框部分所示,总体上分为微机器人机构和检测系统两部分。

1、DSP电路;2、驱动电路;3、电机C;4、反馈电路C;

5、反馈电路B;6、电机B;7、电机A;8、反馈电路A

图1微机器人反馈系统位置分布

图2宏-微机器人系统与微机器人的总体设计

3.微机器人直线位移检测

反馈部分的精度和响应速度对整个微动控制系统的控制精度和响应速度有重要影响,微机器人主要进行±5mm小范围的高速精密调节,这就对反馈传感的精度和稳定性提出了要求。由于微机器人三维均为直线运动,本文采用直线电位器作为反馈器件,这样可以将微机器人各维运动上的位置直接转化为直线电位器的电阻值。要将反馈信号传回DSP控制器,需要将电阻量转化为电信号,常用的方法是将不同阻值的电阻与不同的电压对应,然后输入到DSP,通过A/D转换输入给控制器。但是,当三自由度微机器人工作时,由于微机器人空间有限,电机转动对反馈电压易产生干扰。实验证明,当微机器人工作时,引入反馈电压上的干扰可达数百毫伏,难以实现系统要求的精度,实验结果如图

3所示。为了解决反馈中的干扰问题,本文采用在机构执行部分直接将电阻调制为不同周期的数值脉冲,然后反馈到DSP控制器的反馈方法。采用此方法能避免在反馈回路中传送模拟量,进而提高反馈精度。具体原理如图4所示。

微机器人某一轴末端位置和直线电位器阻值有如下关系:

(1)

其中,s(mm)为微机器人某一维当前位置,R(Ω)

为该位置的直线电位器阻值,s0(mm)为微机器人某一维行程,R0(Ω)为直线电位器总阻值,a0(mm)为常数系数。

V

(a)电机停止时反馈电压中的干扰(b)电机转动时反馈中的干扰

图3普通A/D反馈线路中引入的电压干扰

图4微机器人反馈系统框图

电阻频率转化芯片采用MAX038,脉冲周期的公式为:

V)为芯片内部参考电压,C(F)为震荡电容,T(s)该位置s处的周期值。

(2)

其中,Uref(V)为芯片内部参考电压,C(F)为震荡电容,T(s)该位置s处的周期值。

当Ure和

C为定值时,T和R成线性比例关系。为了减小每次产生的脉冲周期的误差,根据微机器人的工作速度,在满足精度要求的条件下,实际中采用每10ms时间段中脉冲的平均周期,并且进行适当的缩放,作为反馈量反馈给DSP处理器,有:

(3)

其中,T′(s)为每10ms中平均周期,0T(10ns)反馈接收量,k为比例系数,取值108。传感电标定结果如图5-a,b,c所示。另取数点对三维标定拟合直线精度进行检测,检测结果转换为位移量后如图5-d所示。可以看到采用线性拟合反馈标定精度高于±0.1mm,

能够满足微机器人工作要求。通过多次测定电机停止与转动过程中同一点的反馈量的变化以测定微机器人的抗干扰能力。测试结果如表1所示。可以看到电机运动时三点测定值与电机停止时测得的反馈值几乎相同,反馈系统抗干扰能力很强。本文所研制的微机器人检测系统安装和布置如图6所示。实验证明该反馈系统可靠、集成度高、易于实现不同的控制算法。实验结果表明,该系统能够满足微机器人的使用要求。

(a)第一维

(b)第二维

(c)第三维

图5

表1(d)转换为位移量后的拟合误差传感器反馈数据标定结果微机器人抗干扰能力测定

1、限

位开关C;2、直线电位器;3、导轨C;4、电机C;5、反馈电路板C

图6微机器人

4微装配机器人及微马达

4.1微机器人结构

如图6所示微机器人体积小于1cm3

,顶部装有可拆卸的压电微夹钳一部,可用于微型工厂中微小零件的抓取和装配操作。微机器人通过极细的金属引线连接到一块电路板进行控制。

驱动器为4个直径3mm的电磁微马达,其中3个安装在轮子上负责驱动机器人的

平顶

山工业职

业技术学院前进和后退,另外一个安装于机架的中部,用于转向驱动。微机器人的直线与转向运动是完全独立的,因此便于控制。微马达以两个定子组成驱动轮的外缘,而转子直接作为移动微机器人的滚动轮(图8),大大减小了微机器人的尺寸。

齿轮组传动比1:3。小齿轮直接与转向马达的输出轴连接,大齿轮分别与轮子的转向轴连接。齿轮组在传递与放大力矩的同时,也提高了微机器人的转向精度。三个轮转向时保持同步,微机器人机架保持不动,可实现全方位无回转半径转向。

图7毫米级微机器人

图8电磁微马达结构

微马达定子绕组为6个,内部采用三相星形连接,转子磁极对数为4对。采用2-3通电方式控制时,旋转360°电角度需要12个状态,旋转360°机械角需要12×4=48步,即每步转动7.5°机械角。为提高步进精度,应用了基于PWM的平均转矩矢量合成方法[6],对微马达进行细分控制,旋转360°电角度达到36个状态,旋转360°机械角达到144步,即步进角度为2.5°机械角。但目前步进不均匀,最大角度误差0.5°,定位稳定性较

平顶

山工业职业技术学院差,增加了微装配操作过程中的控制调整时间和难度。

5.步进运动模型

为研究微机器人步进均匀性和定位稳定性,利用MATLAB的Simulink工具建立了微机器人步进运动的仿真模型,如图9所示。主要包括微马达力矩计算模块,摩擦阻力矩计算模块和仿真运行终止模块等。

图9微机器人步进仿真结构图

1)微马达力矩

如图9中的区域2所示,步进开始时刻,微马达输出的力矩有一个阶跃值,大小由公式(1)确定,但随着运行角度的增加,力矩会按正弦曲线规律逐渐减弱。因此马达力矩为运行角度的函数,可表示为:

(4)

其中ϕ为机械角度,马达磁极对数为4。由式(4),当步进机械角度超过标准值2.5°时,马达力矩将为负值,起到自动校正机器人过冲的作用。

2)摩擦阻力矩

平顶山工业职业技术学院摩擦阻力矩主要由地面(平台面)和宝石轴承产生,即bpMM+。取图9中X轴负方为正方向,当微机器人沿正方向运动(0≥ϕ

并通“Sign”单元判断,其输出分两种情况为:)时,摩擦阻力方向为负;反之为正,

(5)

3)合力矩及增益单元

马达力矩与摩擦阻力矩的合力矩MΣ可表示为:

(6)

经过增益单元后,即可获得角加速度。增益值为:

(7)

4)仿真终止条件

当两种情况同时发生时,微机器人的运行将视为停止,仿真也将结束。一是微机器人当前速度足够小,二是微马达当前输出力矩不足以克服摩擦阻力矩,即:

(8)

6.结论

本文研制了一种微型的三维直线位置检测系统。该系统以直线电位器作为传感元件,采用一种基于调制解调的直线位移反馈技术,该技术可以用于微机器人位置检测,抗干扰性强。反馈数据以DSP为核心处

理器,全部嵌入微机器人内部,能够满足微机器人的高检测精度、高响应速度和空间体积受限等使用要求。

参考文献

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