机器人一体化关节模组驱控系统设计.pdf

机器人技术现代制造工程()年第 期机器人一体化关节模组驱控系统设计焦露张秋菊陈宵燕姚宇(江南大学机械工程学院无锡 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室无锡)摘要:机器人关节模组作为机器人的核心零/部件需要满足高精度、高可靠性的要求但由于体积、成本的制约加大了其设计难度 设计了一种高度集成的一体化关节模组及其驱控系统在满足“轻、薄”的机械结构设计要求基础上重点进行了驱控系统软硬件设计开发 采用 芯片为主控芯片设计了驱控系统硬件电路在此基础上完成了软件算法的设计 实验结果表明所设计的一体化关节模组结构紧凑、集成化程度高且运转平稳可以快速应用于机器人设计开发关键词:机器人关节模组一体化关节模块化设计驱控系统中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.():.“”.:引言当前我国制造业数字化、智能化转型建设步伐日益加快有力推动了机器人市场的快速发展 传统的机器人关节由独立的电机、减速器和驱动器组合而成其设计过程包含了上述三部分的独立和综合设计已难以满足企业对于时间成本和研发成本越来越高的要求因此机器人一体化关节模组成为当前的研究热点模块化、标准化成为新的发展趋势自 年卡内基梅隆大学研究模块化机械手开始已经陆续有很多模块化关节的相关研究文献开发了一种结构紧凑、内嵌高精度传感器的机器人关节关节质量轻、控制精度高且负载能力强文献从模块化、智能化着手设计了一种可快速重构的机器人关节及其驱控系统但体积较大文献设计了一种高性能驱控系统可以高效率地发挥模组性能但由于价格昂贵而无法广泛应用文献基于普通 芯片搭建了驱动器硬件电路实现了关节模组的控制 但功能简单且 电路设计复杂不能集成到关节内部江苏省博士后科研资助项目()焦露等:机器人一体化关节模组驱控系统设计 年第 期综上所述高精度、高可靠性是机器人一体化关节模组的性能要求轻量化、模块化及智能化是其发展趋势而体积、成本是其设计开发的主要制约因素如何兼顾性能、成本和集成度是一体化关节模组设计开发所面临的瓶颈问题本文设计了一种机器人关节模组针对模组的机械结构进行了模块化设计采用创新的谐波减速器结构和超薄型绝对值编码器在机械层面实现了模组的高度集成和高精度设计 以 芯片为主控芯片结合驱动、位置反馈及电压电流采样等模块完成了驱控系统的软硬件设计且极大程度上降低了外围电路的复杂程度兼顾高性能和低成本的优势 所设计的模组还具有结构紧凑、组装灵活等特点可以快速部署在机器人应用上 机械结构设计本文所设计的关节模组主要由无框力矩电机、谐波减速器、绝对值编码器及驱动器等四大部件组成关节组织结构如图 所示图 关节组织结构为了减小传动间隙提高传动精度本文采用谐波减速器作为传动部件 但传统的谐波减速器相比于模组本身轴向尺寸大、质量重会导致模组的整体长度和质量增加不能很好地兼容空间紧凑的场景且成本较高本文重新设计了谐波减速器对传统谐波减速器结构进行了改进通常谐波减速器由钢轮、柔轮和波发生器组成主要有 种输出方式:钢轮输出和柔轮输出钢轮输出方式下减速器整体尺寸较大、质量高 而柔轮输出方式下对加工工艺要求较高成本相应增加本文在柔轮输出方式的基础上将柔轮的输出功能单独拆分出来使得柔轮轴向尺寸更小柔轮改进如图 所示图 柔轮改进通过单独增加一个与柔轮啮合的输出轮降低了加工工艺要求解决了轴向尺寸大和成本高的问题同时减速器为完全中空设计方便中空走线改进前后的谐波减速器如图 所示图 改进前后的谐波减速器为了满足高控制精度要求本文采用了 超薄绝对值编码器作为位置反馈传感器 编码器有效数字位为 位可以达到.的绝对定位精度且厚度只有 超薄绝对值编码器如图 所示图 超薄绝对值编码器超薄绝对值编码器相较于图 所示的普通编码器不仅精度高还可以缩小关节轴向尺寸使得关节设计更紧凑外形方面模组提供多套安装孔位和安装基准 年第 期现代制造工程()方便快速部署新的方案图 普通编码器安装孔位与安装基准如图 所示图 安装孔位与安装基准 驱动器硬件设计一体化关节模组不仅要有模块化的机械结构设计对驱动器的硬件设计也有很高的要求 相较于传统外置驱动器的配线连接一体化关节模组必须能够在完成机械连接的同时方便地完成电气连接 而且驱动器要很好地嵌入到一体化关节模组的内部以便形成完整的模块化结构本文设计的驱动器硬件原理如图 所示图 驱动器硬件原理驱动器硬件主要包括主控模块、驱动模块、位置反馈模块、电流电压采样模块、电源模块和通信模块 采用 为主控芯片通过驱动模块驱动电机的运动.主控模块主控模块由主控芯片及其外围电路组成 主要负责生成电机控制指令、/数据采集校准、编码器信号解码以及通信功能主控芯片采用 系列 该芯片为 位浮点型 主频高达 同时拥有非常丰富的外设资源功能强大非常适合用于电机驱动器的开发外围电路除了主控芯片最小系统外还包括 下载调试接口和 信号指示灯方便进行系统的开发调试.驱动模块驱动模块由门驱动芯片和功率电路(三相半桥电路)两部分组成驱动芯片采用 公司的 功率电路由 个 组成三相半桥 主控芯片将运算得到的六路 信号输出至驱动芯片经由功率电路放大后提供驱动电机所需的大电流实现电机的运动 驱动模块原理如图 所示图 驱动模块原理.位置反馈模块驱动器需要精确的位置信号来完成控制算法的实现 为了提高机器人控制精度本文采用 系列多圈绝对值编码器进行位置信号的反馈 是一种全双工同步串行总线通信协议由德国 公司开发专门为满足实时、双向及高速的传感器通信而设计因此本文选择 协议作为编码器的通焦露等:机器人一体化关节模组驱控系统设计 年第 期信协议以提高控制实时性 位置反馈模块利用主控芯片 的 可 配 置 逻 辑 块()外设采集编码器信号并进行数据解码获取电机的位置、速度等信息供主控模块完成电机的控制算法位置反馈模块原理如图 所示图 位置反馈模块原理.电源模块本文设计的驱动器供电电压为直流 由于选用的驱动芯片 工作电压为 所以可直接用 供电 为了给驱动器中其他的模块供电还需要进行电压转换所需电压包括 、.、.等 驱动芯片内置了一个可调节降压模块可以提供高达.的电流 首先将此可调节降压模块设置为降压至 可以为绝对值编码器等模块供电 此外分别用 转.、.转.的 芯片 生 成.和.的 电 压 为 主 控 芯 片 提供所需的/电压和内核电压等电源模块的结构如图 所示图 电源模块的结构.相电流电压采样模块在驱动器的核心控制算法中需要精确的相电流和相电压的采样值这直接影响驱动器的控制精度 本文对采样电路进行了分析设计以期达到高控制精度的要求.相电流采样 门驱动芯片内置了 个电流分流放大器可以精确地测量两相电流本文的无框力矩电机采用星形连接方式根据基尔霍夫电流定律的原理流入节点的电流之和等于零即:()式中:、分别为、相的相电流因此仅通过测量两相电流即可计算出第三相电流 相电流采样电路如图 所示图 相电流采样电路.相电压采样由于电机的相电压范围远高于主控芯片的 采样电压范围因此需要设计相应的分压电路进行采样 相电压采样电路如图 所示图 相电压采样电路主控芯片 模块的最大输入电压为.以 相电压为例进行说明驱动器可处理的最大相电压为:(.).年第 期现代制造工程().(.).()式中:为驱动器可采样的 相最大相电压为主控芯片 模块的 相电压采样通道的最大输入电压一般情况下需要预留 余量以保证安全则系统最大输入电压介于.与.之间因此此采样电路完全适配 电机相电压测量.通信模块 总线具有多主控制、错误检测及通知、恢复以及多连接等特点广泛用于工业控制领域 本文采用 总线作为驱动器与上位机的通信协议主控芯片 拥有双路 控制器增加一个 收发芯片即可完成通信的硬件实现收发芯片采用 的 通信硬件原理如图 所示图 通信硬件原理.设计根据原理文档设计了 电路板考虑到关节模组的结构驱动器整体尺寸较小为圆环形设计中间孔用来走线可以很好地嵌入到机器人关节模组中且设计时以高性能、低成本为设计指标精简了外围电路、元器件较少极大地降低了模组成本 设计完成后进行 打样和手工焊接焊接调试完成的驱动器实物如图 所示 驱动器软件设计一体化关节模组的控制离不开良好的控制软件设计本文的控制软件主要由初始化程序、主循环程序、主中断程序及 中断程序 个部分构成.初始化程序主要完成系统的初始化包括对系统时钟、中断控制器以及、及 等外设的初始化操作图 驱动器实物.主循环程序主要是监控并更新模组的控制参数比如期望速度、控制模式等 另外在主循环程序中添加信号指示灯的固定频率闪烁功能直观地显示程序运行情况.主中断程序主中断程序是控制系统的核心触发源设置为 模块的()信号触发主中断程序控制流程如图 所示图 主中断程序控制流程首先将 模块采集的、相电压/电流信号换算成相应的电压/电流值在获取编码器位置角后进行坐标变换将三相电压/电流转换为 坐标系中的两相电压/电流之后根据设置的控制模式完成闭环控制 变换后进入 模块输出 信号控制电机运转焦露等:机器人一体化关节模组驱控系统设计 年第 期.中断程序完成 通信的前提是根据标准 总线协议的通信格式制定好驱动器的收发报文 关节模组驱动器接收来自上位机的数据根据通信协议解析数据帧的数据从而改变关节模组的运行状态 驱动器采用 中断来接收上位机下发的数据 中断程序控制流程如图 所示图 中断程序控制流程 实验为了验证方案可行性以及驱控系统性能本文进行了一体化关节模组实验样机搭建样机实物如图 所示图 样机实物以此样机为实验对象在额定转速为 /的工况下进行测试实验测试系统的电流响应性能和速度稳定性要想实现良好的电流闭环性能首先需要对电流采样电路进行精确校准和补偿 在完成校准和补偿后运行样机记录该工况下 变换后的、轴电流数据绘制 变换后的电流曲线如图 所示图 变换后的电流曲线从图 中可以看到 变换后的 轴电流无限接近于零 轴电流趋于一条直线 根据 控制理论这反映了系统软硬件对三相电流采样和反馈的精确处理满足高精度控制的要求最后记录实验过程中的速度反馈值与速度给定值对比发现误差控制在.验证了系统速度的稳定性 速度曲线如图 所示图 速度曲线 结语本文以高性能、低成本及模块化为设计目标设计了一种机器人一体化关节模组 完成机械结构的模块化设计后重点对驱控系统进行了软硬件设计根据设计方案搭建了样机并进行了测试实验实验结果表明所设计的一体化关节模组可靠性高运转平 年第 期现代制造工程()稳可以快速部署在机器人应用上参 考 文 献:颜云辉徐靖陆志国等.仿人服务机器人发展与研究现状.机器人():.():.金力王成军夏科睿等.紧凑型内嵌扭矩传感器机器人关节设计.科学技术与工程():.吕石磊曹其新李想等.机电一体化机器人关节及其驱控系统硬件设计.重庆邮电大学学报(自然科学版)():.:.莫帅李旭高瀚君等.机器人关节无刷电机驱动与控制系统研究.华中科技大学学报(自然科学版)():.张奇刘振谢宗武.具有谐波减速器的柔性关节参数辨识.机器人():.蔡吴磊梁显荣赵云峰等.基于 的 协议绝对式圆光栅接口通讯设计.仪表技术与传感器():.李琛潘松峰.基于 的永磁同步电机控制系统硬件设计.制造业自动化():.亢雪琳.基于 的 总线通信设计.吉林:吉林大学.阳宪惠.工业数据通信与控制网络.北京:清华大学出版社:.作者简介:焦露硕士研究生研究方向为机器人控制张秋菊通信作者教授博士研究生导师主要研究领域为智能机器人与智能测控技术:.收稿日期:(上接第 页)杨春立.我国智能工厂发展趋势分析.中国工业评论():.程俊森吴文荣杨毅等.智能微装配技术研究综述.现代制造工程():.:()():.吴雁王晓军何勇等.数字孪生在制造业中的关键技术及应用研究综述.现代制造工程():.:.():.:.():.胡秀琨张连新.数字孪生车间在复杂产品装配过程中的应用探索.航空制造技术():.施佳宏刘晓军刘庭煜等.面向生产线仿真的数字孪生逻辑模型构建方法.计算机集成制造系统():.仇晓黎朱睿幸研等.螺线管装配生产线数字孪生建模技术.计算机集成制造系统():.赵大伟张太华卢尧等.基于数字孪生体的液压系统知识模型构建及应用.现代制造工程():.肖通江海凡丁国富等.五轴磨床数字孪生建模与监控研究.系统仿真学报():.陶飞张贺戚庆林等.数字孪生模型构建理论及应用.计算机集成制造系统():.作者简介:张博硕士研究生主要研究方向为数字孪生、计算机视觉孟月波通信作者博士教授主要研究方向为计算机视觉、人工智能与智能化系统:.收稿日期: