陳 浩，李騰飛，陳 銳

(1.北京航空航天大學 機器人研究所，北京 100191；2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400044)

一種六自由度串聯機械臂的研制

陳 浩1，李騰飛1，陳 銳2

(1.北京航空航天大學 機器人研究所，北京 100191；2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400044)

設計了一款六自由度串聯機械臂，并對其機械結構與控制系統(tǒng)進行了詳盡的論述。機械臂采用關節(jié)式的結構，工作靈活，可達空間大；基于PMAC多軸運動控制器搭建了切實可行的運動控制方案，控制系統(tǒng)具有很好的實時性和可擴展性。實驗結果表明研制出的機械臂各關節(jié)運轉良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，達到了設計目標。

六自由度；機械臂；研制；PMAC

0 引言

機器人可以代替人在危險的場合工作，特別是在核電站發(fā)生事故的情況下，使用救援機器人實施救援是一項很重要的施救手段，救援機器人搭載的機械臂是其完成救援任務的關鍵。結合核電站救援機器人關鍵系統(tǒng)開發(fā)項目，本文設計了一款六自由度串聯機械臂，設計的機械臂為功能驗證樣機，暫不考慮核輻射的影響。

1 機械臂本體結構的設計

核電站內部結構復雜，機械臂將執(zhí)行旋擰閥門、打開/關閉開關、抓取物品、插拔開關等工作，特別是核電站內部管道很多，涉及很多旋擰閥門的工作，目前多數文獻開發(fā)的救援機械臂為5個自由度且沒有可以連續(xù)旋轉的自由度，工作范圍較小且不利于閥門的快速旋擰。本文開發(fā)的機械臂有6個自由度，并且有2個自由度可以連續(xù)旋轉，6個自由度為非耦合的結構，末端可搭載多種操作手。

設計的六自由度機械臂采用關節(jié)型式，具有工作靈活和可達范圍大等突出的優(yōu)點[1-3]，其工作范圍如下：第1軸(腰部)為0°～300°；第2軸(肩部)為0°～225°；第3軸(肘部)為0°～200°；第4軸(手腕轉動)為連續(xù)旋轉；第5軸(腕部俯仰)為0°～180°；第6軸(末端旋轉)為連續(xù)旋轉。

按照設計參數確定的機械臂傳動方案如圖1所示。6個自由度全部為旋轉關節(jié)，1軸、2軸和3軸采用蝸輪蝸桿的形式，具有自鎖功能[4]，可以在突發(fā)及斷電情況下保持位置，從而保護機械臂；4軸、5軸和6軸為非耦合結構，各自由度的運動互不干涉，為后續(xù)的控制提供了很大的便利。6個自由度的驅動均采用Manxon直流伺服電機，它具有高精度和高可靠性，可作為機械臂的理想動力源，電機前部裝配行星齒輪減速器，后部裝配增量編碼器。連續(xù)旋轉自由度的實現可以使用滑環(huán)結構，用來解決有相對轉動部件的電源以及信號的傳輸問題。機械臂本體結構示意圖如圖2所示。

圖1 機械臂傳動方案

圖2 機械臂本體結構示意圖

1.1 1軸、2軸和3軸的機械結構設計

由于1軸、2軸和3軸具有類似的結構，現以2軸為例進行結構設計，其結構示意圖如圖3所示。蝸輪與U型支撐件通過鍵連接固連，肩部關節(jié)運動時，蝸桿一方面繞著自身旋轉軸旋轉，另一方面帶動相關部件繞著蝸輪軸軸線旋轉，實現肩關節(jié)的旋轉動作。由于蝸輪蝸桿的自鎖，在斷電及突發(fā)情況下，關節(jié)可保持原有姿態(tài)從而保護機械臂不受損壞。該方式相比于采用具有抱閘的電機而言，成本更低。由于蝸輪蝸桿中心距的精度對效率的影響很大[5]，因此設計了調整蝸輪蝸桿中心距的結構，蝸輪與機械臂本體固定，蝸桿軸的一端通過軸承與機械臂本體過盈裝配，與蝸桿軸另一端裝配的軸承與機械臂本體采用間隙配合，通過4個調整螺釘進行中心距的微調。微調結構可以保證蝸輪蝸桿具有準確的中心距，有效地提高工作效率。機械臂的腰部關節(jié)處留有安裝孔，機械臂可以固定安裝到地面、墻體或安裝到移動平臺上，其使用范圍具有很好的可擴展性。

圖3 肩部關節(jié)結構示意圖

在1軸、2軸、3軸中，行星減速器的輸出軸與蝸桿軸的鍵槽孔裝配起來，從而將電機的動力輸出給蝸桿。電機部分裝配在機械臂的臂管內，不僅美觀且節(jié)省了空間。

1.2 4軸、5軸和6軸的機械結構設計

4軸、5軸和6軸采用非耦合的傳動，3個自由度之間的運動互不影響，為后續(xù)的機械臂的正、逆解的計算以及控制帶來很大的便利[6-8]；此外，這種非耦合的傳動方案，3個關節(jié)具有分段式的特點，只有一層軸承嵌套結構，很大程度上降低了對于加工精度的要求，結構上也相對簡單，為機械臂的安裝提供了便利。

4軸、5軸和6軸的結構示意圖如圖4所示。4自由度電機與4自由度電機安裝套通過螺栓連接，4自由度電機安裝套與機械臂小臂(圖4中未示出)通過螺栓連接，聯軸器與5自由度電機安裝套通過螺栓連接，5自由度電機安裝套通過軸承嵌套在機械臂的小臂內部，4自由度電機輸出軸與聯軸器采用鍵連接，聯軸器與5自由度電機安裝套采用鍵連接，機械臂的手腕部分與5自由度電機安裝套采用螺釘連接的方式，從而使4自由度電機的動力可以傳遞到手腕部分，帶動手腕前部的旋轉。5自由度電機安裝在相應的電機安裝套中，5自由度電機的輸出軸與錐齒輪1采用鍵連接，錐齒輪2與錐齒輪1為1∶1傳動。6自由度關節(jié)的相應部件安裝在6自由度電機安裝套之上，6自由度電機安裝套與錐齒輪2通過鍵連接固定，從而使5自由度電機的動力可以傳遞到手腕的前部，帶動手腕前部的俯仰。

圖4 4軸、5軸和6軸的結構示意圖

1.3 連續(xù)旋轉自由度走線的處理

為增強機械臂的工作能力，關節(jié)4與關節(jié)6可以實現連續(xù)旋轉，為避免導線由于連續(xù)旋轉而造成的擰斷現象，使用了滑環(huán)結構。一對滑環(huán)結構由兩片組成(稱之為上片和下片)，一片具有滑道，一片具有觸點，通過觸點與滑道的摩擦接觸傳遞信號[9]，本文采用的滑環(huán)可以通過低于10 A的電流。機械臂共有3處采用滑環(huán)結構，其14路滑環(huán)結構如圖5所示。其中，夾持器的控制線需要滑環(huán)過渡，預留了6路信號；6自由度電機與夾持器的控制線需要滑環(huán)過渡，預留了14路信號；5自由度電機的控制線需要滑環(huán)過渡，預留了5路信號。

圖5 14路滑環(huán)結構圖

2 控制系統(tǒng)設計

機械臂控制系統(tǒng)結構框圖如圖6所示。上位機采用PC機或工控機，下位機采用美國Delta Tau公司PMAC多軸運動控制器，其本質上是一臺基于Motorola DSP芯片、具有獨立內存、獨立運算操作能力、實時的、多任務的計算機，滿足作為機械臂運動控制器的要求[10]。PMAC卡與PC機通過網卡通訊，PC端上運行系統(tǒng)控制軟件，PMAC卡接收上位機指令進行相關算法的運算，最終輸出控制信號給驅動器，驅動器驅動電機運動，電機編碼器的反饋信號回饋給PMAC卡，形成閉環(huán)回路。PMAC卡將電機位置信息反饋給PC端，在PC端上顯示。

圖6 機械臂控制系統(tǒng)結構框圖

機械臂預計搭配的三指靈巧手有獨立的控制模塊，三指靈巧手直接與其控制模塊通訊，控制模塊與PC機通訊，PC機端運行三指靈巧手的控制程序。

3 實驗驗證

對機械臂本體及控制系統(tǒng)進行了搭建，如圖7所示。記初始位置為0°，在PC端輸入各軸的運動指令，即相應的工作范圍角度，控制各關節(jié)運動到極限位置。共進行3次實驗，3次實驗數據見表1。

實驗結果表明：各軸的運動范圍均可以達到設計的要求，特別是第4軸與第6軸分別從初始位置正轉10圈并反轉10圈，運轉良好，信號穩(wěn)定、連續(xù)傳遞；編碼器實際脈沖數與編碼器指令脈沖數的誤差很小，最大誤差為0.09%，可以認為滿足工程需要。

表1 機械臂工作范圍驗證數據

圖7 六自由度串聯機械臂

4 結語

本文設計的六自由度機械臂的實驗結果表明：傳動方案合理可行，蝸輪蝸桿機構的自鎖功能方便實用，蝸輪蝸桿中心距調整結構的設計明顯提高了其傳遞效率；4軸、5軸、6軸采用的非耦合方案降低了對加工精度的要求，更為重要的是給機械臂后續(xù)控制帶來了很大的便利；滑環(huán)結構的使用可以穩(wěn)定地傳遞控制及動力信號；基于PMAC多軸運動控制卡的控制系統(tǒng)具有良好的實時性與可擴展性，很好地滿足了機械臂的控制要求。

[1] 梁利華,強華,鄭暾.5R裝夾機械臂幾何參數優(yōu)化設計[J].浙江工業(yè)大學學報,2014,42(4):446-462.

[2] 明添,錢瑞明.排爆機器人五自由度操作臂動力學分析[J].機械設計與制造工程,2014,43(9):13-17.

[3] 王燕,楊慶華,鮑官軍,等.關節(jié)型果蔬采摘機械臂優(yōu)化設計與試驗[J].農業(yè)機械學報,2011，42(7):191-195.

[4] 吳瑞祥,王之棟,郭衛(wèi)東,等.機械設計基礎[M].第2版.北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[5] 朱映遠,倪風雷,劉宏.蝸輪蝸桿副的空間操作器應用研究[J].機械傳動,2012,36(7):107-110.

[6] 畢諸明,蔡鶴皋.六自由度操作手的逆運動學問題[J].機器人,1994,16(2):92-97.

[7] 姜宏超,劉士榮,張波濤.六自由度模塊化機械臂的逆運動學分析[J].浙江大學學報(工學版),2010,44(7):1348-1354.

[8] 陳明生,沙威,謝瑩.六關節(jié)機械臂運動路徑設計[J].數學的實踐與認識,2008,36(14):103-110.

[9] 李坤芝.導電滑環(huán)技術研究[J].艦船科學技術,1994(5):56-58.

[10]劉建平.基于PMAC的六自由度關節(jié)工業(yè)機器人碼垛控制系統(tǒng)[J].機械與電子,2013(12):48-50.

Development of A Tandem 6-DOF Robot Arm

CHEN Hao1, LI Teng-fei1, CHEN Rui2

(1. Research Institute of Robotics, Beihang University, Beijing 100191, China; 2.College of Mechanical Engineering, Chongqing University，Chongqing 400044, China)

In this paper, a tandem 6-DOF robot arm is designed, and its mechanical structure and control system are discussed in detail. Robot arm adopts the articulated structure, it works flexibly and has large operating range. A practical motion control scheme is built based on PMAC multi-axis motion controller and the control system has good performance such as real-time and scalability. The experiment results show that each joint of the developed robotic arm is working well and the control system is reliable to achieve the design goals.

6-DOF; robot arm; development; PMAC

1672- 6413(2015)06- 0014- 03

國家973計劃資助項目(2012GB102006)

2015- 01- 09；

2015- 10- 08

陳浩(1989-)，男，陜西榆林人，在讀碩士研究生，主要研究方向：機器人技術。

TP24

A