基于Simulink的復合驅動(dòng)機器人關(guān)節臂試驗系統仿真分析

1 引言
目前,機器人關(guān)節臂的動(dòng)力源主要有步進(jìn)電機、直流伺服電機、交流伺服電機或液壓系統。在要求驅動(dòng)系統機械結構較小的前提下,純電機系統的定位精度較高,但相對液壓系統驅動(dòng)能力小,一般只在輕載荷的環(huán)境下應用;而液壓系統驅動(dòng)能力大,但達到較高的定位精度較難。在重載特別是沖擊性負載的工況下,為獲得驅動(dòng)重載、精確定位的能力,不得不使用大體積的伺服電機來(lái)驅動(dòng)機械臂,造成機器人的體積過(guò)大,因此應用較少,較小體積的重載機器人亟待研究開(kāi)發(fā)。本文介紹了一種較小體積的重載復合驅動(dòng)機器人關(guān)節臂試驗系統的設計,并對其進(jìn)行了數學(xué)建模與仿真研究。

2 復合驅動(dòng)機器人關(guān)節臂的結構與工作原理
復合驅動(dòng)機器人關(guān)節臂試驗系統主要由電機伺服系統和液壓伺服系統組成,其結構如圖1所示。電機伺服系統主要承擔機器人關(guān)節臂的主動(dòng)運動(dòng)與精確定位,液壓伺服系統主要承擔機器人關(guān)節臂動(dòng)態(tài)響應的輔助運動(dòng),它是一個(gè)扭矩和位移復合隨動(dòng)系統。用液壓驅動(dòng)系統的驅動(dòng)能力強的優(yōu)點(diǎn)來(lái)彌補電機承載能力較小的缺點(diǎn),結合兩者的優(yōu)點(diǎn),克服機器人關(guān)節臂驅動(dòng)系統出力不足的技術(shù)難題。

執行機構采用鉸鏈式關(guān)節型機構,因只考慮對關(guān)節臂的一個(gè)關(guān)節的控制,所以電機伺服系統采用步進(jìn)電機作為驅動(dòng)裝置,通過(guò)聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連,扭矩傳感器作為信號的監測與反饋元件,扭矩傳感器再通過(guò)聯(lián)軸器與機械臂的傳動(dòng)軸相連,機械臂傳動(dòng)軸的另一側通過(guò)聯(lián)軸器與液壓馬達的輸出軸相連,液壓馬達作為液壓伺服系統的驅動(dòng)裝置,總體上采用單片機控制器協(xié)調液壓伺服系統配合電機伺服系統工作,協(xié)調過(guò)程如下所述。
1) 電機伺服系統控制
由單片機控制器向電機伺服系統發(fā)出運動(dòng)指令,驅動(dòng)控制步進(jìn)電機按照脈沖指令轉動(dòng)相應的轉角,以此驅動(dòng)機械臂動(dòng)作。運動(dòng)指令的脈沖個(gè)數對應步進(jìn)電機的轉動(dòng)角位移,運動(dòng)指令脈沖的頻率對應步進(jìn)電機的轉動(dòng)角速度,運動(dòng)指令的方向(正/負向)對應步進(jìn)電機的轉動(dòng)方向。
2) 液壓伺服系統控制

液壓伺服系統工作原理如圖2所示。扭矩傳感器檢測到步進(jìn)電機輸出軸的輸出扭矩后,將扭矩信號轉換為-5v~+5v之間變化的電壓信號反饋給單片機控制器,單片機控制器根據接收到的反饋信號向液壓伺服系統發(fā)出控制信號?？刂七壿嬋缦?