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机器人技术 ＰＬＣ技术应用２００例》 您的论文得到两院院士关注 多自由度微型机械臂设计与实现 The Design and Implementation of Multi-DOF Micro-manipulator (1.装备指挥技术学院;2. 国防科学技术大学 杨庆 1 税海涛 2 汤亚锋 1 ＹＡＮＧＱｉｎｇＳＨＵＩＨａｉ－ｔａｏＴＡＮＧＹａ－ｆｅｎｇ 摘要:空间机械臂面临着轻质化、小型化及低功耗的发展趋势。本文设计了5自由度微型机械臂的机械结构, 对驱动电机及
配套设备进行了选型。采用上/下位机的控制结构, 基于DSP2812和CPLD3128开发了机械臂控制系统。将该机械臂系统固定于卫星模拟器上, 采用双目视觉导引 方式, 对固定目标的关键部件完成了夹取、剪切和插拔等动作。关键词:空间机械臂; 多自由度; DSP2812; 控制系统中图分类号:TP241.3文献标识码:A
Abstract:Space Manipulator faces the development trend of lightweight, mini-type and low-power-consuming. The mechanical struc -ture of micro-manipulator with 5-DOF is designed, and the motors?as well as other equipments are selected. With the upper/lowercontrol architecture, the control system is constructed based on DSP2812and CPLD3128. At last, the micro -manipulator system is fixed on the satellite simulator. Guided by the dual -vision system, the actions, such as clamping, cutting and inserting &drawing with a key component of a fixed target, are accomplished.
Key words:space-manipulator; multi-DOF; DSP2812; control system 文章编号:1008-0570(201009-2-0147-02 引言 随着航天技术的发展, 人类探索太空的活动越来越频繁。出于经济方面和安全方面的考虑, 空间机器人将协助甚至代替航天员完成大量在轨服务任务, 如对故障卫星的捕获、装配、修理等, 其在未来的空间应用中将发挥重大作用。空间机器人上一般都安装有一个或多个多自由度机器臂。第一个成功应用的空间机械臂系统是加拿大为美国国家宇航局(NASA定制的航天飞机遥操作机械臂系统(SRMS,该臂于1981年底升空, 有六个旋转关节, 每个关节由一个单自由度基本模块JOD 构成;1993年德国宇航中心研制成功并发射的六个自由度空间机器人系统
ROTEX, 成功演示了空间机器人的在轨装配、更换ORU 以及捕获太空浮游物体等空间作业能力;1997年日本NASDA 研制的
科学实验卫星ETS-VII, 成功演示了空间机器人用于在轨卫星捕获与对接的能力;2005年德国宇航中心在国际空间站(ISS上进行了Rokviss 机械臂部件验证试验, 对其研制的模块化、小质量、力矩控制关节进行了验证。目前国际空间站拥有一个复杂的空间机器人系统, 主要包括加拿大的移动服务系统(MSS,日本的实验舱机械 手系统(JEMRMS和欧洲航天局资助研制的欧洲机械臂(ERA。这些机械臂系统都是面向大型航天器而设计, 而
21世纪航天技术发展的战略目标之一是实现航天器的质量、体积以及全寿命成本比目前降低一个数量级, 充分体现“更快、更好、更省”的原则。因此, 空间机械臂也应顺应微型航天器的发展趋势, 实现轻质化、小型化及低功耗。
为了建立微型空间机械臂地面仿真平台, 设计并制造了一套多自由度微型机械臂系统, 对其执行能力进行了检验。
1结构设计 本文设计的多自由度微型机械臂系统为5自由度串联结构, 可以折叠收缩, 能够满足基本在轨服务任务的操作需求。采用3mm 厚轻质铝合金板件作为基本的连杆部件, 双连杆形成T 型结构, 具有结构简单、重量轻的特点, 同时满足了机械臂各关节连接的强度需要。
多自由度微型机械臂实物如图1所示, 主要由关节轴、连杆和执行部件组成。该机械臂共有4个关节轴, 考虑到重量限制和易装配性要求, 所有关节轴都设计成相似的结构, 具有模块化、易装配特点, 零件重量轻、构型简单。每个关节轴都具有1个内轴和1个外轴, 二者通过固定电机与滚动轴承连接在一起。内轴主要用于固定电机和轴瓦, 机械臂的基座则是一个特殊的内轴。为便于安装, 内轴设计为异型电机套, 装配时利用减速器上的滚动轴承和装配在内轴上的滑动轴承产生单自由度的转动; 外轴主要作为自由度连接, 通过与减速器上的滚动轴承和安装在内轴上的滑动轴承作用限制轴向滑动。执行部件能够完成夹取、剪切等动作, 节约了成本。
图1多自由度微型机械臂 2驱动电机及配套设备选型 驱动电机采用小功率伺服电机, 减轻了驱动系统重量。使用微型电机直接控制方式, 满足了基本的控制要求, 同时设计和实现都相对简单。机械臂的杆件参数如图 2所示。为了表述方便, 对运动副从0到3编号, 相邻电机旋转轴的间距依次定义为l 0到l 3, 其中l 3包括了执行部件。假设各连杆质量分布均匀, 设计最
杨庆:讲师硕士147-- 技术创新 《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２０１０年第２６卷第９－２期 ３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６ 现场总线技术应用２００例》 机器人技术 大抓取质量为150g 。 图2机械臂杆件参数示意图 根据机械臂的杆件参数, 计算各关节所需最大驱动力矩, 然后选择转矩和效率合适的减速箱, 最终确定合适的驱动电机, 并选择匹配的码盘, 如表1所示。鉴于Maxon 公司生产的电机质量可靠, 在航天领域得到广泛应用(在“勇气号”和“机遇号”火星车中, 每辆有43套直流微电机组合作为驱动部件, 其中有39套来自Maxon 公司, 机械臂各关节电机及减速箱均采用Maxon 产品。数字MR 编码器为带线驱动, 一周脉冲数为256, 通道数为2。
表1电机及配套设备选型 3控制系统设计 机械臂控制系统采用上/下位机的控制结构, 这种结构可以充分发挥上位机运算能力强的特点, 快速完成机械臂路径规划工作, 下位机则专门负责控制机械臂的运动[8]。上位机采用PC 机, 基于VC++6.0编译生成上层控制程序, 下位机为基于 DSP2812和CPLD3128开发的5轴电机控制板, 基于C 语言编译底层电机控制程序。上/下位机分别通过串口和SCI 接口各自连接一个串口/无线转换模块CC2431, 以无线方式实现上位机
与下位机之间控制指令、电机状态的通信。机械臂控制系统的结构如图3所示。
图3控制系统结构图 电机控制板的核心处理器选用TMS320F2812, 是32位定点 DSP 控制器, 其主频高达150MHz, 大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。由于机械臂包含了5路电机, 而1片DSP2812仅有两路正交脉冲编码电路, 所以在电机控制板上集成了CPLD EPM3128, 利用其实现了3路正交脉冲的鉴相与计数, 电机控制结构如图4所示。
此外, 在电机控制板上集成了功率驱动芯片L298P 。设计中将L298P 内集成的2组H 桥并联, 输出电流可达4A 。
串口/无线转换模块集成了串口芯片MAX3232和无线收发芯片CC2431。CC2431芯片内集成了增强的51内核和射频芯片CC2420, 工作频率为30MHz, 无线通信波特率为38400bps 。
控制系统的工作过程如下:上位机根据目标信息进行路径规划, 生成机械臂各关节的控制命令, 并通过串口发送到无线模块, 由串口/无线转换模块CC2431将其转换为无线电信号传输出去;5轴电机控制板上的串口/无线转换模块CC2431接收该无线电信号, 并将其转换为串口信号后传送给下位机;DSP2812根据控制指令, 产生PWM 信号, 驱动机械臂关节的五个电机转动相应角度, 保证执行末端到达目标位置, 并完成一定动作。
图4电机控制结构图 4结论 本文对5自由度机械臂的结构进行了合理设计, 根据机械臂的结构参数和任务要求, 选择了合适的驱动电机和配套减速箱以及数字编码器, 采用上/下位机的控制结构, 基于DSP2812和CPLD3128开发了机械臂控制系统。整套机械臂系统质量为
912g, 功耗小于15w, 实现了轻质化、小型化及低功耗的设计目标。将该机械臂系统固定于5自由度卫星模拟器上, 采用双目视觉导引方式, 对固定目标的关键部件进行了夹取、剪切和插拔等动作, 执行误差小于1mm, 实现了对微型机械臂空间在轨服务关键技术的研究和验证, 对于认知在轨服务技术本质, 促进我国在
轨服务关键技术的工程化应用具有重要意义。 本文作者创新点:设计了5自由度微型机械臂的机械结构, 采用上/下位机的控制结构, 基于DSP2812和CPLD3128开发了机械臂控制系统, 满足了轻质化、小型化及低功耗要求, 实现了对固定目标关键部件的夹取、剪切和插拔等动作。
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