基于直流無刷電機(jī)的無線遙控機(jī)械手臂的策略研討

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1、基于直流無刷電機(jī)的無線遙控機(jī)械手臂的策略研討 　摘 要：控制目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)以MXS128飛思卡爾單片機(jī)為核心，PC機(jī)輔助控制的機(jī)械手臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。采用經(jīng)典的D-H模型法建立運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型【1】，將每個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系建立在手臂的每節(jié)連桿上，各連桿連接通過齊次變換矩陣聯(lián)系。利用CAD進(jìn)行圖紙的設(shè)計(jì)，采用鋁合金和POM材料作為制作材料。選用高精度直流無刷電機(jī)作為機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)，通過SI9979對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，利用PC機(jī)作為控制信號(hào)發(fā)送端，配合無線遙控界面，通過串口無線發(fā)送數(shù)據(jù)來控制機(jī)械手的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的無線遙控。 　　關(guān)鍵詞：MXS128飛思卡爾單片機(jī)；CAD設(shè)計(jì)；SI9979驅(qū)動(dòng)；無線遙控 　　中

2、圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 16-0000-01 　　隨著機(jī)械手臂概念的廣泛流行，機(jī)械人和機(jī)械手臂的研制也已然成為當(dāng)下高新技術(shù)和科學(xué)鄰域迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。機(jī)械手臂可通過對(duì)單片機(jī)的編程加以控制來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械臂被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中。本文簡(jiǎn)要介紹基于直流無刷電機(jī)的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)，并通過LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的無線控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三臺(tái)直流無刷電機(jī)的位置伺服和角度控制，從而實(shí)現(xiàn)整體機(jī)械手臂的無線遙控功能。 　　一、機(jī)械手臂硬件設(shè)計(jì) 　?。ㄒ唬┧淖杂啥葯C(jī)械手臂系

3、統(tǒng) 　　自由度是指一個(gè)機(jī)構(gòu)獲得自由運(yùn)動(dòng)的程度，由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的伸縮、升降、旋轉(zhuǎn)等多種獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)方式所決定。自由度是機(jī)械手臂設(shè)計(jì)的重要參數(shù)依據(jù)，自由度越多，機(jī)械手臂的靈活性越大，通用性越廣，同樣結(jié)構(gòu)也會(huì)越復(fù)雜【1】。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂具有4自由度，可實(shí)現(xiàn)多復(fù)合運(yùn)動(dòng)的疊加。 　　（二）CAD設(shè)計(jì)與材料選擇 　　對(duì)機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段：第一階段設(shè)計(jì)的是雙邊三關(guān)節(jié)的手臂，關(guān)節(jié)之間均用弓形部件連接，再利用螺絲加固，由底座和兩個(gè)弓形手臂部分構(gòu)成整個(gè)手臂的硬件。這樣的設(shè)計(jì)雖然保證了機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但做成的手臂質(zhì)量過大，不便于可移動(dòng)性的擴(kuò)展。在第二階段，結(jié)合力學(xué)原理，考慮到單邊手臂可以提供足夠的支撐

4、強(qiáng)度，后續(xù)采用單邊手臂替換雙邊手臂以減輕整體手臂的重量。在第三階段，考慮到后續(xù)手臂和舵機(jī)手爪的承重能力，在原有的轉(zhuǎn)動(dòng)基座上增加了兩個(gè)L型緊固件以提供給手臂足夠強(qiáng)度的支撐力。 　　機(jī)械手臂的選材直接關(guān)系到手臂的載重能力和整體的可移動(dòng)性。在設(shè)計(jì)的過程中，考慮到無刷電機(jī)和配帶的減速器的自身重量及手臂的所需載重，選取了鋁合金和POM材料作為手臂的制作材料，其中兩個(gè)手臂的關(guān)節(jié)部分使用POM材料，旋轉(zhuǎn)底盤使用鋁合金材料制作。 　?。ㄈ┲绷鳠o刷電機(jī)選型 　　無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于有刷直流電動(dòng)機(jī)無法解決機(jī)械換向的問題，使得控制系統(tǒng)整體的可靠性降低，導(dǎo)致其使用受到限制。

5、無刷直流電機(jī)去除了機(jī)械接觸電刷，很好地解決機(jī)械換向產(chǎn)生的問題。電機(jī)本體的電樞繞組為三相的星型連接繞組，電機(jī)的位置霍爾傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制信號(hào)由外圍控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生，信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的三相繞組按照一定的順序進(jìn)行工作【2】。在實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用中，不同的無刷電機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)著不同的扭矩，下面是對(duì)機(jī)械手臂電機(jī)型號(hào)選擇的整個(gè)計(jì)算過程： 　　（四）SI9979驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 　　無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要輸入20V到40V的直流電壓，然后由換向器對(duì)輸入的電壓轉(zhuǎn)換為三相電壓后送入電機(jī)的線圈，來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)。換向器由上臂和下臂兩個(gè)部分的6個(gè)功率晶體管組成，利

6、用晶體管的開關(guān)性能來控制電機(jī)線圈的開啟和閉合。利用PWM脈沖寬度調(diào)制對(duì)功率晶體管的開關(guān)頻率加以控制，以實(shí)現(xiàn)換向器的換相功能。利用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，同時(shí)作為相序控制的判斷依據(jù)。 　　SI9979為無刷電動(dòng)機(jī)控制提供控制信號(hào)輸入、相序控制、門驅(qū)動(dòng)輸出、過流保護(hù)電路等一系列的功能。具有以下特點(diǎn)：（1）霍爾傳感器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理；（2）60度及120度轉(zhuǎn)向間隔可供選擇；（3）集成逆變器高端驅(qū)動(dòng)；（4）電流限制和欠電壓保護(hù)。 　　二、無線遙控設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 　　整個(gè)無線遙控的控制流程利用PC機(jī)作為控制信號(hào)發(fā)送端，通過串口將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)搅硪粋€(gè)串口上去，藍(lán)牙在接收到PC機(jī)傳來的數(shù)據(jù)后對(duì)

7、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再轉(zhuǎn)換為PWM的輸入和使能及轉(zhuǎn)向的輸入來控制電機(jī)和舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)來改變機(jī)械臂轉(zhuǎn)到的角度和手爪的抓取。 　　同時(shí)，選用MPU6050傳感器構(gòu)成一個(gè)對(duì)機(jī)械手臂的閉環(huán)控制。該傳感器整合了三軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器，每個(gè)通道均有16位的ADC，能夠同時(shí)捕獲來自X＼Y＼Z的信道的信號(hào)。利用MPU6050傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量人的手臂運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度和機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的角度，將測(cè)量到兩者的角度值反饋給單片機(jī)，并在LabVIEW無線遙控圖形界面上加以顯示，比較目標(biāo)轉(zhuǎn)角和實(shí)際轉(zhuǎn)角的差值，即將陀螺儀傳感器上測(cè)得角度和電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，再對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制和修正，使角度值誤差達(dá)到規(guī)定的誤差允許范圍，從而達(dá)到機(jī)械手臂預(yù)期的移動(dòng)和抓取效果，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手臂的閉環(huán)控制。 　　三、結(jié)束語 　　綜上所述，基于直流無刷電機(jī)的無線遙控機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)涵蓋了力學(xué)分析、機(jī)械構(gòu)造、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，作為在當(dāng)代生產(chǎn)和生活中廣泛應(yīng)用的設(shè)備，可無線遙控的機(jī)械手臂具有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用前景，是未來智能控制的發(fā)展趨勢(shì)。盡管在多個(gè)方面無線遙控機(jī)械手臂已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展，但無論是實(shí)際問題還是研究方法都需要更加深入的研究。 　　參考文獻(xiàn)： 　　【1】曾巖.自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).廈門大學(xué)，2011. 　　秦超，男，學(xué)士學(xué)位，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。