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三分支机器人模块化关节的设计

作　者: 何永强
导　师: 孙汉旭；贾庆轩
学　校: 北京邮电大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 模块化关节模块化设计关节力矩传感器关节控制器 MATLAB仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

模块化机器人是由一系列标准的关节模块和连接模块构成的机器人系统。模块化关节是模块化机器人的核心组成部分,每个模块化关节具有标准的机械和电气接口。模块化机器人的突出优点是可重构、易维护、高灵活性和可靠性,具有很广泛的应用前景。本文根据国家863计划项目“空间实验室舱内机器人综合服务系统”中提出的模块化设计思想,进行了模块化关节的设计和研究工作。在分析国内外模块化关节研究现状并结合课题要求的基础上,完成了模块化关节的总体方案的设计和分析论证。根据模块化机器人的任务要求,采用自顶(末端手爪)向下(机座)逐级递推的方法计算出模块的各关节所受的最大力矩；建立了模块几何尺寸误差与机器人末端手爪最大位置误差之间的关系模型,并通过该模型计算出机器人末端手爪最大位置误差。最后确定了模块化关节的设计指标,并完成了模块化关节主要部件的选型。根据三分支模块化机器人的技术要求,采用模块化设计思想设计了一种集机械系统、驱动系统、传感系统、控制系统和电源系统为一体、具有标准机械与电气接口的机器人模块化关节。详细设计了一种基于应变式原理、采用成十字分布的弹性梁结构的关节力矩传感器,使关节具备转矩和弯矩过载保护能力。完成了模块化关节材料的选用、详细结构设计、走线设计、系统集成设计、多种连接模块设计等工作。应用三维软件Pro/E对模块化关节进行虚拟装配和运动仿真分析,利用有限元分析软件ANSYS对模块的关节的关键零部件进行了强度分析,并对轴承进行了强度校核计算。结果表明关节结构设计无干涉现象,零部件的布置和安装符合要求,整个系统传动合理,关键零部件的强度满足设计要求。根据课题的任务要求分析了模块化关节控制系统的组成,提出了一套基于DSP的控制系统设计方案。介绍了模块化关节控制系统的硬件设计,给出了DSP控制器、驱动电路、信号检测和反馈电路以及CAN总线接口电路的详细设计。根据模块化关节的工作原理和功能要求,详细阐述了系统软件的设计思想,讨论了主程序和各功能子程序的设计步骤。从模块化关节的模型出发,设计了出有效的关节控制器,对多路闭环控制方法进行了算法分析和MATLAB仿真实验研究,取得了比较理想的效果。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-24
  1.1 引言  11
  1.2 模块化关节国内外研究现状  11-19
    1.2.1 模块化关节国外研究现状  11-15
    1.2.2 模块化关节国内研究现状  15-18
    1.2.3 研究现状分析  18-19
  1.3 模块化设计概述  19-22
    1.3.1 模块化设计思想  19
    1.3.2 机器人模块化设计过程  19-20
    1.3.3 模块化设计准则  20
    1.3.4 模块的划分  20-22
    1.3.5 模块化设计的优势  22
  1.4 本文的主要研究内容  22-24
第二章功能分析及方案设计  24-40
  2.1 三分支模块化机器人系统简介  24
  2.2 模块化关节技术指标的确定  24-31
    2.2.1 模块化关节负载力矩计算  25-26
    2.2.2 模块化机器人末端精度计算  26-31
  2.3 模块化关节总体方案设计  31-33
  2.4 模块化关节主要部件选型  33-36
  2.5 关节的技术继承与改进分析  36-38
  2.6 本章小结  38-40
第三章模块化关节机械结构设计  40-64
  3.1 模块化关节设计的总体思想  40
  3.2 模块化关节主要部件设计  40-42
    3.2.1 关节壳体设计  40-41
    3.2.2 电机组件设计  41
    3.2.3 谐波减速器力矩传感器组件设计  41-42
    3.2.4 制动器组件设计  42
    3.2.5 主轴设计  42
  3.3 关节力矩传感器设计  42-48
    3.3.1 力矩传感器的工作原理  43-44
    3.3.2 力矩传感器的设计要求  44-45
    3.3.3 力矩传感器安装位置的选择  45-46
    3.3.4 力矩传感器结构设计  46-47
    3.3.5 力矩传感器有限元分析  47-48
  3.4 模块化关节虚拟装配和运动仿真  48-50
  3.5 模块化关节走线设计  50
  3.6 模块化关节材料的选用  50-52
  3.7 模块化关节关键零件强度校核  52-61
    3.7.1 关键零件有限元分析  52-58
    3.7.2 轴承校核  58-61
  3.8 模块化关节系统集成设计  61-62
    3.8.1 模块化关节的机械连接  61
    3.8.2 模块化关节的电气接口  61
    3.8.3 模块化关节集成结构设计  61-62
  3.9 多种连接模块设计  62-63
  3.10 本章小结  63-64
第四章模块化关节控制系统设计  64-90
  4.1 模块化关节控制系统硬件设计  64-71
    4.1.1 伺服运动控制器设计  65-67
    4.1.2 三相无刷直流电动机接口电路设计  67-69
    4.1.3 光电编码盘接口电路设计  69
    4.1.4 CAN总线接口电路设计  69-70
    4.1.5 力矩传感器电路设计  70
    4.1.6 温度传感器电路设计  70-71
  4.2 模块化关节控制系统软件设计  71-77
    4.2.1 主程序  72
    4.2.2 电流调节环的实现  72
    4.2.3 速度调节环的实现  72-73
    4.2.4 PID计算模块  73-75
    4.2.5 CAN总线通信模块  75-77
  4.3 关节控制器设计与仿真研究  77-89
    4.3.1 系统模型  77-79
    4.3.2 多回路控制器设计  79-84
    4.3.3 前馈控制设计  84-86
    4.3.4 干扰观测器的设计  86-89
  4.4 本章小结  89-90
第五章结论与展望  90-92
  5.1 结论  90
  5.2 展望  90-92
参考文献  92-95
附录  95-99
致谢  99-100
攻读学位期间发表的学术论文目录  100

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