轻型机械臂模块化柔顺关节分析

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1、硕士学位论文轻型机械臂模块化柔顺关节研究RESEARCHONMODULARCOMPLIANTJOINTOFLIGHTWEIGHTROBOTICARM李国涛哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP24学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文轻型机械臂模块化柔顺关节研究硕士研究生：李国涛导师：李兵教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP24U.D.C:621Dissertationfo

2、rtheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONMODULARCOMPLIANTJOINTOFLIGHTWEIGHTROBOTICARMCandidate：LiGuotaoSupervisor：Prof.LiBingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2015Degree-C

3、onferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要模块化机器人是机器人领域未来的重要研究方向之一。模块化设计具有灵活性好、设计周期短、设计成本低且便于维护的优点。本文针对自动装配轻型机械臂的应用需求，研制具有力感知及柔顺控制功能的模块化关节，以满足快速发展的装配作业的需求。为提高轻型机械臂的互换性和可维护性，缩短开发周期，采用模块化以及一体化的思想设计其关节。根据装配任务的需求，确定了关节需要满足的功能及性能指标，基于此，设计了关节的总体方案，

4、将机构、驱动、传感、控制集成为一体，并完成了关键部件的选型，包括关节电机、谐波减速器、位置传感器、失电抱闸以及轴承等。基于设计的方案将各部件装配起来，构成一个传动可靠、集成度高、具有标准机械和电气接口、可实现中空走线的模块化关节。根据设计的结果，推导了一体化关节的动力学模型，建立了包含位置、速度及电流三环在内的闭环仿真系统。基于该系统，完成了关节控制器的算法验证，为设计本课题的伺服驱动器提供了技术支持。通过分析机械臂的负载能力及运行情况，得出关节电机适于采用id=0的磁场定向矢量控制策略和采用空间脉宽调制技术的结论。为满足一

5、体化关节实时性、开放性、灵活性的控制需求，开发了基于FPGA的伺服控制器。该控制器主要包括时序控制模块、电流信号采集电路及其信号处理模块、矢量变换模块、PI调节器、三角函数计算模块、空间矢量脉宽调制模块、绝对式编码器SSI总线接口电路及采集模块等，综合实现了传感器信号采集与融合、伺服控制、电机驱动等功能。最后完成了样机的集成和调试。以开发的样机作为测试对象，分别对SVPWM和永磁同步电机矢量控制算法进行了实验验证，结果表明了所设计的柔性关节具有较好的电流、速度和位置跟随性，达到了预期目标。关键词：轻型机械臂；模块化关节；柔性

6、关节；柔顺控制哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractModularroboticsisanimportantresearchaspectinthefieldofroboticsinthefuture.Ithastheadvantagesofgoodflexibility,shortdesignperiod,lowcostanditiseasytomaintain.Thisdissertationismainlyfocusedonthejointmodulardesignoftheautomaticassemblyli

7、ghtweightmanipulatorthathastheforceperceptionandthecompliantcontrolfunctiontomeettheneedoftherapiddevelopmentoftheassemblywork.Modulardesignideaisadoptedinthelightweightrobotdesign,whichhelpsimprovingtheinterchangeabilityandmaintainabilityofthemechanicalarm.Accordi

8、ngtoassemblytaskrequirements,mainfunctionsandtechnicalindexesofthemodularjointcanbegottenandtheoverallschemeofthemodularjointhasbeendesigned,inwh