基于直流無刷電機的無線遙控機械手臂的策略研討

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1、基于直流無刷電機的無線遙控機械手臂的策略研討 　摘 要：控制目標為實現(xiàn)以MXS128飛思卡爾單片機為核心，PC機輔助控制的機械手臂協(xié)調(diào)運動。采用經(jīng)典的D-H模型法建立運動學數(shù)學模型【1】，將每個關節(jié)坐標系建立在手臂的每節(jié)連桿上，各連桿連接通過齊次變換矩陣聯(lián)系。利用CAD進行圖紙的設計，采用鋁合金和POM材料作為制作材料。選用高精度直流無刷電機作為機械手臂的驅(qū)動，通過SI9979對電機進行控制，利用PC機作為控制信號發(fā)送端，配合無線遙控界面，通過串口無線發(fā)送數(shù)據(jù)來控制機械手的動作，實現(xiàn)機械臂的無線遙控。 　　關鍵詞：MXS128飛思卡爾單片機；CAD設計；SI9979驅(qū)動；無線遙控 　　中

2、圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01 　　隨著機械手臂概念的廣泛流行，機械人和機械手臂的研制也已然成為當下高新技術和科學鄰域迅速發(fā)展起來的一門新興技術。機械手臂可通過對單片機的編程加以控制來完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械臂被廣泛的運用于自動化生產(chǎn)線中。本文簡要介紹基于直流無刷電機的機械手臂設計，并通過LabVIEW軟件設計的無線控制平臺實現(xiàn)對三臺直流無刷電機的位置伺服和角度控制，從而實現(xiàn)整體機械手臂的無線遙控功能。 　　一、機械手臂硬件設計 　?。ㄒ唬┧淖杂啥葯C械手臂系

3、統(tǒng) 　　自由度是指一個機構(gòu)獲得自由運動的程度，由運動機構(gòu)的伸縮、升降、旋轉(zhuǎn)等多種獨立的運動方式所決定。自由度是機械手臂設計的重要參數(shù)依據(jù)，自由度越多，機械手臂的靈活性越大，通用性越廣，同樣結(jié)構(gòu)也會越復雜【1】。本次設計的機械手臂具有4自由度，可實現(xiàn)多復合運動的疊加。 　?。ǘ〤AD設計與材料選擇 　　對機械手臂的設計分為三個階段：第一階段設計的是雙邊三關節(jié)的手臂，關節(jié)之間均用弓形部件連接，再利用螺絲加固，由底座和兩個弓形手臂部分構(gòu)成整個手臂的硬件。這樣的設計雖然保證了機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但做成的手臂質(zhì)量過大，不便于可移動性的擴展。在第二階段，結(jié)合力學原理，考慮到單邊手臂可以提供足夠的支撐

4、強度，后續(xù)采用單邊手臂替換雙邊手臂以減輕整體手臂的重量。在第三階段，考慮到后續(xù)手臂和舵機手爪的承重能力，在原有的轉(zhuǎn)動基座上增加了兩個L型緊固件以提供給手臂足夠強度的支撐力。 　　機械手臂的選材直接關系到手臂的載重能力和整體的可移動性。在設計的過程中，考慮到無刷電機和配帶的減速器的自身重量及手臂的所需載重，選取了鋁合金和POM材料作為手臂的制作材料，其中兩個手臂的關節(jié)部分使用POM材料，旋轉(zhuǎn)底盤使用鋁合金材料制作。 　?。ㄈ┲绷鳠o刷電機選型 　　無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的。由于有刷直流電動機無法解決機械換向的問題，使得控制系統(tǒng)整體的可靠性降低，導致其使用受到限制。

5、無刷直流電機去除了機械接觸電刷，很好地解決機械換向產(chǎn)生的問題。電機本體的電樞繞組為三相的星型連接繞組，電機的位置霍爾傳感器與電機轉(zhuǎn)子同軸，控制信號由外圍控制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生，信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率開關管，使電機的三相繞組按照一定的順序進行工作【2】。在實際的生產(chǎn)和應用中，不同的無刷電機型號對應著不同的扭矩，下面是對機械手臂電機型號選擇的整個計算過程： 　?。ㄋ模㏒I9979驅(qū)動設計 　　無刷電機的驅(qū)動需要輸入20V到40V的直流電壓，然后由換向器對輸入的電壓轉(zhuǎn)換為三相電壓后送入電機的線圈，來驅(qū)動電機的啟動。換向器由上臂和下臂兩個部分的6個功率晶體管組成，利

6、用晶體管的開關性能來控制電機線圈的開啟和閉合。利用PWM脈沖寬度調(diào)制對功率晶體管的開關頻率加以控制，以實現(xiàn)換向器的換相功能。利用霍爾傳感器實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，同時作為相序控制的判斷依據(jù)。 　　SI9979為無刷電動機控制提供控制信號輸入、相序控制、門驅(qū)動輸出、過流保護電路等一系列的功能。具有以下特點：（1）霍爾傳感器對輸入信號進行處理；（2）60度及120度轉(zhuǎn)向間隔可供選擇；（3）集成逆變器高端驅(qū)動；（4）電流限制和欠電壓保護。 　　二、無線遙控設計實現(xiàn) 　　整個無線遙控的控制流程利用PC機作為控制信號發(fā)送端，通過串口將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)搅硪粋€串口上去，藍牙在接收到PC機傳來的數(shù)據(jù)后對

7、數(shù)據(jù)進行處理，再轉(zhuǎn)換為PWM的輸入和使能及轉(zhuǎn)向的輸入來控制電機和舵機的旋轉(zhuǎn)來改變機械臂轉(zhuǎn)到的角度和手爪的抓取。 　　同時，選用MPU6050傳感器構(gòu)成一個對機械手臂的閉環(huán)控制。該傳感器整合了三軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器，每個通道均有16位的ADC，能夠同時捕獲來自X＼Y＼Z的信道的信號。利用MPU6050傳感器實時測量人的手臂運動的偏轉(zhuǎn)角度和機械臂旋轉(zhuǎn)的角度，將測量到兩者的角度值反饋給單片機，并在LabVIEW無線遙控圖形界面上加以顯示，比較目標轉(zhuǎn)角和實際轉(zhuǎn)角的差值，即將陀螺儀傳感器上測得角度和電機的實時狀態(tài)進行對比，再對電機的運動進行控制和修正，使角度值誤差達到規(guī)定的誤差允許范圍，從而達到機械手臂預期的移動和抓取效果，以實現(xiàn)整個機械手臂的閉環(huán)控制。 　　三、結(jié)束語 　　綜上所述，基于直流無刷電機的無線遙控機械手臂的設計涵蓋了力學分析、機械構(gòu)造、自動控制等多個學科領域的知識，作為在當代生產(chǎn)和生活中廣泛應用的設備，可無線遙控的機械手臂具有很好的發(fā)展前景和應用前景，是未來智能控制的發(fā)展趨勢。盡管在多個方面無線遙控機械手臂已經(jīng)取得了重大的進展，但無論是實際問題還是研究方法都需要更加深入的研究。 　　參考文獻： 　　【1】曾巖.自由度機械臂控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).廈門大學，2011. 　　秦超，男，學士學位，研究方向：機械設計。