CN202656183U - 欠驱动机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种欠驱动机械臂，该装置为平面三连杆串联结构，一级杆为驱动杆，二级杆和末端杆为被动杆，关节部分配有编码器和制动器；是机械臂动力学模型建立、无碰撞运动规划控制、动力学耦合奇异研究、机械臂的动态自重构、机器人位置算法研究等的理想实验平台。

Description

欠驱动机械臂

技术领域

本实用新型涉及一种机械臂教学实验装置，特别是涉及一种欠驱动冗余机械臂实验装置。

背景技术

机械臂广泛应用于太空机器人，水下机械人等领域，该欠驱动机械臂实验装置主要用于欠驱动优化控制的研究。

存在非驱动关节的运动系统称为欠驱动系统，即独立控制变量（驱动单元）少于系统的自由度（关节数）的系统。欠驱动系统非驱动关节的加速度仅受到来自其它关节的动力学约束，一般属于非完整系统。

欠驱动机器臂是一类含有被动关节、控制输入少于系统自由度的机械系统，由于系统中某个或某些关节不具有驱动装置，所以减轻了机器人的重量，降低了成本，同时也减少了能源的消耗，非常适用于对能源和重量有要求的场合，如水下机器人、太空机器人等。同时，当全驱动机器人的某个关节驱动装置失灵时，可以将其处理成被动关节，实现操作任务。诸多优点使这种机器人不仅具有理论研究价值，而且具有较好的应用前景，成为机器人研究领域的新热点。

驱动系统为2阶非完整系统，具有特殊的非线性结构，满足驱动系统为2阶非完整系统，具有特殊的非线性结构，满足Brockett(布罗克特)条件，即在不完整的状态反馈控制下，就可使系统保持在平衡点上，所以用于控制全驱动机器人的控制系统对欠驱动机器人无效，在控制系统设计时要依据动力学模型，利用动力学影响实现被动关节的控制，到目前为止，国内外一些学者就欠驱动机器人运动控制问题进行了研究。De Luca（德鲁卡）和Iannitti(伊安尼提)研究了欠驱动机器人系统的小范围局部可控性(STLC)问题，从理论上证明了可以通过适当的控制策略对其实现类似全驱动机器人的控制。Arai(新井)运用反馈控制策略实现对平面3R机器人的位置控制。Bullo(布鲁)研究了欠驱动系统的局部指数稳定性。这些成果大都侧重于欠驱动机器人的控制方面，并且控制策略的提出往往依赖于对系统动力学特性的深入分析。Yoshikawa(吉川)将平面3杆运动方程转换成2阶链形式，而后对其进行轨迹控制。Martinez(马丁内斯)以Acrobot（机器人）为例，将欠驱动动力学方程转换成便于控制设计的阶梯规范形式，指出这些规范形式是在特定条件下得到的，是否分部可积取决于系统的惯性矩阵。De Luca（德鲁卡）分析了串联机械臂运动规划、轨迹跟踪和设定点调节的可行性，并用动力学反馈线性化的方法有效地解决了4自由度2被动关节机器人和欠驱动3R第3关节被动时机器人的运动规划问题。滦楠等提出了一种基于学习的动力学前馈方法，解决了欠驱动系统由于系统不可控造成的反馈控制失效、运动轨迹难以实现的问题。以上这些方法基本都要用到大量的数学知识，实现起来比较困难。刘庆波等运用模糊控制理论分别对2R欠驱动机器人与3R欠驱动机器人进行了位置分析，此类文献均需要复杂的模糊控制规则，因此其控制规则制定比较困难。

欠驱动机械臂主要集中在理论和仿真分析，到目前为止，能够应用于实验的比较少见。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种欠驱动机械臂的实验装置，该装置为平面三连杆串联结构，一级杆和二级杆为驱动杆，末端杆为被动杆，关节部分配有编码器和制动器；是机械臂动力学模型建立、无碰撞运动规划控制、动力学耦合奇异研究、机械臂的动态自重构、机器人位置算法研究等的理想实验平台。

本实用新型提供了一种欠驱动机械臂，其包括机械臂本体和电器控制系统，所述机械臂本体为三连杆串联结构，三连杆分别为一级杆、二级杆、末端杆，一级杆活动链接到机械臂本体基座，三连杆依次首尾顺序活动链接，三连杆的的首端分别为第一关节、第二关节、第三关节，第一关节和第二关节处设有驱动器和减速器，驱动器连接减速器，减速器与相应的关节处的连杆连接，电器控制系统包括计算机控制系统、驱动控制、位置信息反馈三大部分，运动控制卡设置在计算机上，运动控制卡与端子板连接，端子板与伺服电机驱动器连接，第一关节、第二关节、第三关节分别设有编码器。

作为本实用新型的进一步改进，所述驱动器为交流伺服电机。

作为本实用新型的进一步改进，所述编码器为增量式编码器。

作为本实用新型的进一步改进，所述减速器为行星减速器。

作为本实用新型的进一步改进，所述机械臂本体为平面三连杆串联结构。

本实用新型采用交流伺服电机驱动连杆，可实现小型，超轻化，全容量连接化。

采用行星减速器连接传动进行减速，减速比大，体积小，可使设备小型化。

采用的运动控制器可实现多种运动模式，比如速度控制, 点对点定位, 连续路径运动, 2D线性及圆弧插补，特别是可实现椭圆轴伸缩比例，过弯减速, 无限线段进给, 超驰进给等功能。

附图说明

图1是本实用新型欠驱动机械臂工作原理图；

图2是本实用新型欠驱动机械臂结构示意图；

图3是本实用新型欠驱动机械臂的关节控制放大图。

图中各部件名称如下：机械臂本体100、一级杆101、二级杆102、末端杆103、基座104、第一关节105、第二关节106、第三关节107、第一伺服电机108、第二伺服电机109、第二减速器110、计算机系统200、运动控制卡201、计算机202、端子板203、第一编码器204、第二编码器205、第三编码器206、电控箱207、伺服电机驱动器208。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型进一步说明。

本实用新型主要有机械臂本体和电气控制系统组成。机械臂本体为平面三连杆串联结构，一级杆和二级杆驱动杆，末端杆为被动杆，关节部分配有编码器和驱动器，选用交流伺服电机来驱动关节运动，采用增量式编码器进行实时位置反馈控制；一级杆活动链接到机械臂本体基座，三连杆依次首尾顺序活动链接，第一关节和第二关节装有伺服电机和编码器，伺服电机驱动器发送脉冲信号，驱动伺服电机转动，伺服电机再经减速器减速，带动负载连杆转动，减速器采用行星减速器，体积下，减速比大，编码器实时控制反馈连杆位置；第三关节仅有编码器实时控制反馈位置，不需电机驱动控制其转动，通过第一关节和第二关节的动力学耦合原理来控制其转动，不需专门的驱动器及电机控制，只需编码器反馈运动量，使整台设备质量减少，达到欠驱动控制的目的。

电气控制系统包括计算机控制系统、驱动控制、位置信息反馈三大部分。运动控制卡安装在计算机上，控制软件发出控制信息，计算机对控制信息进行预处理，将预处理的数据传送给运动控制卡，运动控制卡进行精确数据处理，产生控制信号，发送至伺服电机驱动器，伺服驱动器根据控制信号产生相应的脉冲信号，驱动伺服电机按控制量转动，带动负载连杆转动，编码器采集负载位置数据，反馈给运动控制卡，达到闭环控制，最终使机械臂按指定的轨迹进行跟踪。

一种欠驱动机械臂，其包括机械臂本体100和电器控制系统，所述机械臂本体100为三连杆串联结构，三连杆分别为一级杆101、二级杆102、末端杆103，一级杆活动链接到机械臂本体基座104，三连杆依次首尾顺序活动链接，三连杆的的首端分别为第一关节105、第二关节106、第三关节107。

第一关节处设有第一伺服电机108和第一减速器，第二关节处设有第二伺服电机109和第二减速器110，驱动器连接减速器，即第一伺服电机108连接第一减速器，第二伺服电机109连接第二减速器110。

减速器与相应的关节处的连杆连接，即第一减速器与一级杆连接，第二减速器与二级杆连接。

电器控制系统包括计算机控制系统、驱动控制、位置信息反馈三大部分，运动控制卡201设置在计算机202上，运动控制卡201与端子板203连接，端子板203与伺服电机驱动器208连接，第一关节、第二关节、第三关节处分别设有第一编码器204、第二编码器205、第三编码器206。

所述伺服电机为交流伺服电机。所述编码器为增量式编码器。所述减速器为行星减速器。所述机械臂本体为平面三连杆串联结构。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种欠驱动机械臂，其特征在于：其包括机械臂本体和电器控制系统，所述机械臂本体为三连杆串联结构，三连杆分别为一级杆、二级杆、末端杆，一级杆活动链接到机械臂本体基座，三连杆依次首尾顺序活动链接，三连杆的的首端分别为第一关节、第二关节、第三关节，第一关节和第二关节处设有驱动器和减速器，驱动器连接减速器，减速器与相应的关节处的连杆连接，电器控制系统包括计算机控制系统、驱动控制、位置信息反馈三大部分，运动控制卡设置在计算机上，运动控制卡与端子板连接，端子板与伺服电机驱动器连接，第一关节、第二关节、第三关节分别设有编码器。

2.根据权利要求1所述的欠驱动机械臂，其特征在于：所述驱动器为交流伺服电机。

3.根据权利要求1所述的欠驱动机械臂，其特征在于：所述编码器为增量式编码器。

4.根据权利要求2所述的欠驱动机械臂，其特征在于：所述编码器为增量式编码器。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的欠驱动机械臂，其特征在于：所述减速器为行星减速器。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的欠驱动机械臂，其特征在于：所述机械臂本体为平面三连杆串联结构。

7.根据权利要求5所述的欠驱动机械臂，其特征在于：所述机械臂本体为平面三连杆串联结构。

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