基于Simulink的復(fù)合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂試驗(yàn)系統(tǒng)仿真分析

1 引言
目前,機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的動(dòng)力源主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)或液壓系統(tǒng)。在要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)較小的前提下,純電機(jī)系統(tǒng)的定位精度較高,但相對(duì)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力小,一般只在輕載荷的環(huán)境下應(yīng)用;而液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力大,但達(dá)到較高的定位精度較難。在重載特別是沖擊性負(fù)載的工況下,為獲得驅(qū)動(dòng)重載、精確定位的能力,不得不使用大體積的伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂,造成機(jī)器人的體積過大,因此應(yīng)用較少,較小體積的重載機(jī)器人亟待研究開發(fā)。本文介紹了一種較小體積的重載復(fù)合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與仿真研究。

2 復(fù)合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的結(jié)構(gòu)與工作原理
復(fù)合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂試驗(yàn)系統(tǒng)主要由電機(jī)伺服系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)伺服系統(tǒng)主要承擔(dān)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)與精確定位,液壓伺服系統(tǒng)主要承擔(dān)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂動(dòng)態(tài)響應(yīng)的輔助運(yùn)動(dòng),它是一個(gè)扭矩和位移復(fù)合隨動(dòng)系統(tǒng)。用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ)電機(jī)承載能力較小的缺點(diǎn),結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn),克服機(jī)器人關(guān)節(jié)臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出力不足的技術(shù)難題。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用鉸鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)型機(jī)構(gòu),因只考慮對(duì)關(guān)節(jié)臂的一個(gè)關(guān)節(jié)的控制,所以電機(jī)伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置,通過聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連,扭矩傳感器作為信號(hào)的監(jiān)測(cè)與反饋元件,扭矩傳感器再通過聯(lián)軸器與機(jī)械臂的傳動(dòng)軸相連,機(jī)械臂傳動(dòng)軸的另一側(cè)通過聯(lián)軸器與液壓馬達(dá)的輸出軸相連,液壓馬達(dá)作為液壓伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置,總體上采用單片機(jī)控制器協(xié)調(diào)液壓伺服系統(tǒng)配合電機(jī)伺服系統(tǒng)工作,協(xié)調(diào)過程如下所述。
1) 電機(jī)伺服系統(tǒng)控制
由單片機(jī)控制器向電機(jī)伺服系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令,驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)按照脈沖指令轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角,以此驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)指令的脈沖個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移,運(yùn)動(dòng)指令脈沖的頻率對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,運(yùn)動(dòng)指令的方向(正/負(fù)向)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
2) 液壓伺服系統(tǒng)控制

液壓伺服系統(tǒng)工作原理如圖2所示。扭矩傳感器檢測(cè)到步進(jìn)電機(jī)輸出軸的輸出扭矩后,將扭矩信號(hào)轉(zhuǎn)換為-5v~+5v之間變化的電壓信號(hào)反饋給單片機(jī)控制器,單片機(jī)控制器根據(jù)接收到的反饋信號(hào)向液壓伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)?？刂七壿嬋缦?