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用于汽車零件組裝的工業(yè)雙臂機(jī)器人的開(kāi)發(fā)
摘要
一般的工業(yè)機(jī)器人由于只有單只手臂在工作運(yùn)用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機(jī)器人有雙臂，但它們是單獨(dú)工作的。也就是說(shuō)，每只手臂在控制下按照其基準(zhǔn)彈道工作，對(duì)工作中的合作性不多以考慮，因此，它們?cè)谥荒芡瓿珊?jiǎn)單的合作工作。近來(lái)，一些日本汽車生產(chǎn)商對(duì)雙臂機(jī)器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因?yàn)樗鼈兡芙M裝汽車零件，而這需要機(jī)器人擁有雙臂，并且通過(guò)位置控制和力控制下能協(xié)調(diào)合作。我們正致力于開(kāi)發(fā)能組裝汽車零件的雙臂機(jī)器人，其手臂的自由度達(dá)6DOF，整體自由度達(dá)3DOF，手臂負(fù)荷達(dá)10kg，可觸范圍達(dá)1.5m。此參數(shù)是為實(shí)現(xiàn)WIA有限公司和機(jī)器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計(jì)的，并且融合了設(shè)計(jì)概念。
關(guān)鍵詞 ：雙臂機(jī)器人 組裝 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制器
1.簡(jiǎn)介
自面世以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人在各工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。機(jī)器人的應(yīng)用在汽車行業(yè)更為顯著，如果汽車行業(yè)和生產(chǎn)商沒(méi)有機(jī)器人，那后果是無(wú)法想象的。但是，目前在很多領(lǐng)域仍沒(méi)有工業(yè)機(jī)器人能代替人完成需要雙臂操作的工作。一般的工業(yè)機(jī)器人由于只有單只手臂在工作運(yùn)用中有一定的局限性。盡管某些特殊工業(yè)機(jī)器人有雙臂，但它們是單獨(dú)工作的。也就是說(shuō)，每只手臂在控制下按照其基準(zhǔn)彈道工作，對(duì)工作中的合作性不多以考慮，因此，它們?cè)谥荒芡瓿珊?jiǎn)單的合作工作。近來(lái)，一些日本汽車生產(chǎn)商對(duì)雙臂機(jī)器人的使用產(chǎn)生了濃厚的興趣，因?yàn)樗鼈兡芙M裝汽車零件，而這需要機(jī)器人擁有雙臂，并且通過(guò)位置控制和力控制下能協(xié)調(diào)合作[5]。
我們正致力于開(kāi)發(fā)能組裝汽車零件的雙臂機(jī)器人，其手臂的自由度達(dá)6DOF，整體自由度達(dá)3DOF，手臂負(fù)荷達(dá)10kg，可觸范圍達(dá)1.5m。此參數(shù)是為實(shí)現(xiàn)WIA有限公司和機(jī)器人谷有限公司的汽車組裝而設(shè)計(jì)的，并且融合了設(shè)計(jì)原理。
就一般工業(yè)機(jī)器人而言，用一個(gè)示教箱足以指導(dǎo)機(jī)器人定位操作，因?yàn)槔梦恢没鶞?zhǔn)一個(gè)控制器只控制一只手臂。對(duì)于雙臂機(jī)器人，由于雙臂需合作完成零件組裝，控制器必須考慮兩只手臂以及組裝零件產(chǎn)生的相互作用力，光用定位指導(dǎo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?？梢岳秒x線編程技術(shù)，但是我們需要更敏感的指示方法，因此采用了主從式技術(shù)。我們采用兩個(gè)商業(yè)主設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都能達(dá)到6DOF的定位輸入和6DOF的力量輸出。因此，控制器需及時(shí)在0.05-0.01s內(nèi)為從機(jī)器人和主機(jī)器人分別提供15DOF和12DOF反向/正向動(dòng)力。這也正是為什么我們采用基于電腦的控制器的原因。我們將采用運(yùn)動(dòng)工程有限公司和實(shí)時(shí)擴(kuò)展軟件產(chǎn)品有限公司的windows XP專業(yè)版奔騰處理器，引用控制器的原理和結(jié)構(gòu)。
2、雙臂機(jī)器人的工件定義
我們對(duì)汽車公司利用雙臂機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)械零件組裝的自動(dòng)化非常感興趣。而齒輪傳動(dòng)和等速萬(wàn)向接頭的組裝過(guò)程是我們的研究目標(biāo)。毫無(wú)疑問(wèn)，這兩個(gè)過(guò)程均需要雙臂合作才能完成，也就是所謂的“合作性工作”，所以，單臂機(jī)器人無(wú)法應(yīng)用于這些過(guò)程。這也是大多數(shù)汽車公司在這些過(guò)程中未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的原因之一。
在此，對(duì)于這兩個(gè)過(guò)程我們不會(huì)詳述，僅展示一些圖片。圖1顯示的是裝配輸送線，它由很多齒輪和軸組成。圖2顯示的是等速萬(wàn)向接頭生產(chǎn)線，它由兩個(gè)萬(wàn)向接頭和軸組成。在WIA有限公司，這些都是政府資助的。很多不包含著兩個(gè)過(guò)程的汽車零件的生產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。雙臂機(jī)器人是為實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的。
雙臂機(jī)器人的高度需達(dá)1.5m以承受10kgf，克服轉(zhuǎn)矩10N.m，使轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)150deg/s，這就要求可重復(fù)性達(dá)0.1mm。表1列舉了雙臂機(jī)器人要完成目標(biāo)程序的參數(shù)要求。
圖1
圖2
表1
3、機(jī)器人設(shè)計(jì)
雙臂機(jī)器人多種多樣，有不同的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)人形機(jī)器人的軀干自由度達(dá)3DOF，手臂自由度達(dá)6DOF。本課題研究的雙臂機(jī)器人與大多數(shù)人形機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上有所不同，雖然它們的自由度相同。圖3顯示了它們之間的區(qū)別。大多數(shù)人形機(jī)器人和人有類似的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，但是我們所研究的雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)不同，它的雙臂的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和美洲獅的及其相像。我們期望它的動(dòng)作和人類也不一樣。
人形機(jī)器人 本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人
圖3
我們?cè)O(shè)計(jì)的雙臂機(jī)器人要運(yùn)用于傳送組裝線和等速萬(wàn)向接頭組裝線，這要求手臂的末端功能器能360度不停旋轉(zhuǎn)。如果雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3左邊所示，那么每只手臂需有一個(gè)額外的旋轉(zhuǎn)夾。這樣，將會(huì)降低其負(fù)荷或者需要更強(qiáng)勁的馬達(dá)系統(tǒng)。因此，選擇了圖3右邊所示的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，最后一個(gè)接頭能使末端功能器實(shí)現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)，是組裝線360度旋轉(zhuǎn)。另外，這個(gè)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)還要一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是所謂的“解耦”，反向運(yùn)動(dòng)在閉合形式方案下也得以簡(jiǎn)單表達(dá)。這都是我們選擇這種運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的原因。
圖4
圖5 雙臂機(jī)器人設(shè)計(jì)工具
圖4顯示的是機(jī)器人右臂的簡(jiǎn)單草圖以及符合表1所示參數(shù)的設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)工作分析，預(yù)備了運(yùn)動(dòng)解決方案，并開(kāi)發(fā)了目光鑒定儀和簡(jiǎn)單的雙臂分析工具，以便在制造過(guò)程中能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)評(píng)估和檢查控制計(jì)算等。圖5顯示的是雙臂機(jī)器人的設(shè)計(jì)工具。
4、控制器設(shè)計(jì)
圖6顯示的是控制器的總體構(gòu)造，它由中心主機(jī)，可是控制器，遙控控制器和機(jī)器人控制器組成。所有這些控制器均基于電腦系統(tǒng)，并且每個(gè)控制器都通過(guò)CAN總線相互連接，控制器間可以實(shí)時(shí)交流信息。離線編程，視覺(jué)系統(tǒng)和遙控控制器不在本研究范圍內(nèi)，在此只介紹機(jī)器人控制器。
圖6 控制器構(gòu)造
一般的機(jī)器人控制器在機(jī)器人開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中非常實(shí)用，它對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)和控制參數(shù)都起到借鑒作用。相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)器人而言，大多數(shù)普通機(jī)器人的控制器是可以利用的。但是要開(kāi)發(fā)特殊的機(jī)器人，這些控制器則不可用，因?yàn)樗鼈儧](méi)有所謂的“開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)”。用戶不能存取運(yùn)動(dòng)方程式的源編碼，所以特殊機(jī)器人不能用普通機(jī)器人的控制器。目前市場(chǎng)上還沒(méi)有轉(zhuǎn)為雙臂機(jī)器人設(shè)計(jì)的商業(yè)機(jī)器人控制器，因此，必須先開(kāi)發(fā)雙臂機(jī)器人的專用機(jī)器人控制器。
開(kāi)發(fā)雙臂機(jī)器人的專用機(jī)器人控制器有兩種方法：開(kāi)發(fā)特殊的控制器板或使用商業(yè)運(yùn)動(dòng)板。本研究選用了運(yùn)動(dòng)工程有限公司的帶有ZMP網(wǎng)絡(luò)同步并基于電腦的機(jī)器人控制器，此外工業(yè)電腦也正在開(kāi)發(fā)中。另外還選用了實(shí)時(shí)控制器。ZMP網(wǎng)絡(luò)同步的運(yùn)動(dòng)板是普通的運(yùn)動(dòng)板，它采用的是集成計(jì)算技術(shù)，當(dāng)多根軸同時(shí)工作時(shí)，其控制頻率就降低了。它一次可控制4根48khz的軸，32根2khz的軸。它有明顯的特征那就是將用數(shù)位傳輸運(yùn)用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器上，另外運(yùn)動(dòng)工程支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、RTX、RTLinux的軟件驅(qū)動(dòng)。普通運(yùn)動(dòng)板沒(méi)用支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，所以不能用來(lái)組成基于電腦的機(jī)器人控制器。
RTX是windows XP的一種實(shí)時(shí)擴(kuò)展，它的中斷等待時(shí)間很短（<10us）。RTLinux是最好的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一，但是對(duì)普通用戶而言在Linux系統(tǒng)中很難開(kāi)發(fā)軟件，因此沒(méi)有選擇RTLinux系統(tǒng)。大多數(shù)電腦用戶使用windows XP，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了很多軟件開(kāi)發(fā)包。考慮到市場(chǎng)情況，windows XP 是最好的操作系統(tǒng)，但是，windows XP不支持實(shí)時(shí)計(jì)算也不是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以，選擇了RTX。RTX在windows XP的基礎(chǔ)上增加了實(shí)時(shí)計(jì)算功能。圖7顯示了RTX的功能[4]。
圖7 RTX和windows
產(chǎn)品有限公司說(shuō)RTX在單個(gè)CUP系統(tǒng)下中斷等待時(shí)間克達(dá)10us，但是我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和他們說(shuō)的有所出入，因此選擇了雙核奔騰處理器。如果CPU大于兩核或是兩個(gè)CPU，那么RTX能不受windowsXP的影響而充分利用單核或者單個(gè)CPU。所以，即使電腦由于藍(lán)屏關(guān)機(jī)RTX也能在測(cè)試時(shí)保證中斷等待時(shí)間不少于2us。
用有獨(dú)自控制運(yùn)算法則和軸插值的運(yùn)動(dòng)板組裝基于電腦的機(jī)器人控制器，主從控制器的同步性至關(guān)重要。RTX要有自己的計(jì)時(shí)器，運(yùn)動(dòng)板也使用單獨(dú)的計(jì)時(shí)器，所以選擇了ZMP網(wǎng)絡(luò)同步簡(jiǎn)單機(jī)械霧化油槍[3]。
ZMP運(yùn)動(dòng)控制器能夠以特定頻率中斷主機(jī)，且頻率是控制器樣品頻率的幾倍。該主從式中斷被稱為同步中斷。對(duì)于需要使控制器和樣品所需的計(jì)算數(shù)據(jù)同步的系統(tǒng)，ZMP固件都有一個(gè)主程序標(biāo)志。這個(gè)標(biāo)志用于顯示主機(jī)軟件正在工作，并將所需的數(shù)據(jù)傳輸給ZMP，它是在主機(jī)工作后數(shù)據(jù)傳輸前由同步器同步開(kāi)啟的。當(dāng)所有程序完成后未進(jìn)入休眠和等待下一個(gè)同步前主程序標(biāo)志會(huì)被主機(jī)清除。ZMP軟件能在每個(gè)周期開(kāi)始工作前檢查主程序標(biāo)志，如果主程序標(biāo)志在開(kāi)始工作時(shí)是一個(gè)靜止的點(diǎn)，那么軟件便會(huì)在控制對(duì)象內(nèi)設(shè)置一個(gè)狀態(tài)位以表示主機(jī)未及時(shí)完成工作任務(wù)。圖9顯示了電腦主機(jī)和運(yùn)動(dòng)板（ZMP）在是如何同步使用的[3]。
5、總結(jié)
雙臂機(jī)器人應(yīng)用于汽車零件足證過(guò)程，它的控制器采用了工業(yè)電腦、ZMP運(yùn)動(dòng)板、微軟windows XP和RTX技術(shù)。介紹了雙臂機(jī)器人設(shè)計(jì)理念和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，主機(jī)和ZMP運(yùn)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)同步的方法以及RTX達(dá)到最短中斷等待時(shí)間的方法。
圖9運(yùn)動(dòng)板和主機(jī)的同步性
謝辭
感謝MOCIE和慶尚南道政府對(duì)本研究的大力支持。
參考文獻(xiàn)
1] Mark W. Spong, M. Vidyasagar, Robot dynamics
and control. John wiley & Sons, 1989
[2] John J. Craig, Introduction to Robotics, Addison
Wesley, 1989
[3] http://support.motioneng.com/Software-MPI/Top
ics/sync_interrupt.htm
[4] RTX Datasheet, Ardence (www.ardence.com)
[5] www.yaskawa.com
2011 IEEE/RSJ國(guó)際會(huì)議
智能機(jī)器人系統(tǒng)
2011年9月25-30日，舊金山，CA，USA
手腕和前臂可旋轉(zhuǎn)的DLR手臂系統(tǒng):
機(jī)械設(shè)計(jì)，形狀分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
Werner Friedl, Hannes H6ppner, Florian Petit and Gerd Hirzinger 德國(guó)航空航天中心（DLR），海燕，德國(guó)機(jī)器人與機(jī)電一體化研究所
郵箱：Werner.Friedl.Hannes.Hoeppner.Florian.Petit}@dlr.de
摘要
DLR手臂系統(tǒng)是基于變剛度的概念，這個(gè)進(jìn)來(lái)提出的概念大大地提高現(xiàn)代影響的魯棒性和能源效率機(jī)器人。本文還引入了工作在雙向拮抗變剛度（BAVS）合資的概念，就是拮抗關(guān)節(jié)的延伸。這三種機(jī)械的設(shè)置利用不同的彈簧和凸輪盤組合，對(duì)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)矩剛度特性進(jìn)行了分析。雙BAVS的接入可以作為DLR手臂系統(tǒng)中手腕和前臂旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合解決方案。此外，在實(shí)驗(yàn)部分對(duì)偏轉(zhuǎn)扭矩余的校準(zhǔn)和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了驗(yàn)證。
I. 簡(jiǎn)介
近來(lái)的研究的發(fā)展引導(dǎo)了可變抗撓性關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)。據(jù)報(bào)道DLR已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了生物機(jī)動(dòng)可變剛度機(jī)器人手臂稱手臂系統(tǒng)（HASy）。機(jī)械手含有26個(gè)自由度，其中19 自由度安裝在手部，另外7個(gè)自由度整合在前上臂上的所有電子設(shè)備。在幾個(gè)變剛度制動(dòng)器（VSA）調(diào)整位置和剛度的同時(shí)，不同研究者要進(jìn)行相應(yīng)的分析。使用變剛度制動(dòng)器擁有幾個(gè)好處，例如內(nèi)在的依從性使在關(guān)節(jié)處來(lái)存儲(chǔ)機(jī)械能提供了可能，類似于人類。彈性元素的低通濾波特性對(duì)魯棒性原因息息相關(guān)。此外，能量存儲(chǔ)性質(zhì)可以適用于高度動(dòng)態(tài)的動(dòng)作，比如扔球或在散步。在機(jī)器人安全背景下，被動(dòng)遵守也進(jìn)行了討論。
雖然VSA的想法類似于提到的所有的聯(lián)合原型，但是較大變化的機(jī)械執(zhí)行性和對(duì)不同VS接頭評(píng)價(jià)是正在進(jìn)行研究的議題。也因此多個(gè)不同的VS關(guān)節(jié)已經(jīng)應(yīng)用在的DLR手臂系統(tǒng)。對(duì)于19自由度拮抗原則，也類似人類的手的彈性肌腱。該手臂關(guān)節(jié)1-4，即肘和肩關(guān)節(jié)，實(shí)施浮動(dòng)彈簧接頭（FSJ）。一個(gè)叫做雙向拮抗變量剛度（BAVS）原則的概念已被同時(shí)用于前臂和腕關(guān)節(jié)。本文的目的是引進(jìn)雙向拮抗變量
剛度關(guān)節(jié)在HASy。
本文以以下方法敘述，我們首先評(píng)估雙向拮抗變量剛度的要求和托架設(shè)計(jì)，BAYS與上文中提到的DLR手臂系統(tǒng)YSA原則相比。接下來(lái)，我們分析預(yù)期轉(zhuǎn)矩剛度凸輪盤機(jī)構(gòu)的結(jié)果，它主要影響VS性能的聯(lián)合。我們將集中在不同凸輪盤的組合和線性彈簧，線性彈簧由機(jī)械前臂和兩個(gè)腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)主導(dǎo)。最后，我們將與第一次測(cè)量雙向拮抗變量剛度關(guān)節(jié)剛度的結(jié)果比較，，并顯示自動(dòng)適應(yīng)性的結(jié)果。
圖1.DLR手臂系統(tǒng)
II.BAVS聯(lián)合
DLR手臂系統(tǒng)包含多種不同聯(lián)合類型。BAVS聯(lián)合的原則是用于執(zhí)行的手腕和前臂關(guān)節(jié)的執(zhí)行。這種選擇所提出的要求如下。
A.要求：由于腕關(guān)節(jié)和前臂旋轉(zhuǎn)接頭的位置，與其他HASy關(guān)節(jié)比較，要求是不同的：
l 手腕：為了實(shí)現(xiàn)與人類的大小相同的不能放在重合位置的手腕腕關(guān)節(jié)執(zhí)行器關(guān)節(jié)軸，只能放置在前臂靠近肘部。因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要被轉(zhuǎn)移到手腕的前臂，類似于在手指肌腱實(shí)現(xiàn)權(quán)力交接關(guān)節(jié)。
l 手腕：此外，機(jī)械動(dòng)力的傳輸必須盡量徹底，以實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器直接耦合到手腕。手指的運(yùn)動(dòng)能一定程度耦合到手腕上，這是很重要的。因而靈活的肌腱不能使用。
l 前臂：前臂旋轉(zhuǎn)接頭的主要挑戰(zhàn)是由電纜提供的電源，水冷管，以及通信總線電纜傳輸?shù)角氨鄣膫鬏?，同時(shí)允許旋轉(zhuǎn)范圍1800?
l 另外，電源的前臂和兩個(gè)腕關(guān)節(jié)的尺寸比進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)樵谟邢薜目臻g中含有前臂的42個(gè)致動(dòng)器。
l 與肩部和肘部關(guān)節(jié)相比，手腕和前臂只需要較小的慣性和重量來(lái)支持要求較低 的扭矩能力。
其他VSA接頭則必須完成更多的要求，以滿足低摩擦和低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的機(jī)械設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高的動(dòng)態(tài)能力。
BAVS聯(lián)合概念使用更加適合這些要求。以下將闡述這種選擇各種的細(xì)節(jié)。
B. BAVS原則：
圖2.使用肌腱的對(duì)抗性和BEVS傳動(dòng)原理
設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之前，已經(jīng)給出主要性能的BAVS原則。在圖2中，標(biāo)準(zhǔn)的拮抗原理和BAVS原則的進(jìn)行了比較。剛度和位置的改變的方式是相同的：共同運(yùn)作彈簧引起了剛度的變化，同時(shí)同步運(yùn)動(dòng)電機(jī)用來(lái)在結(jié)合處產(chǎn)生扭矩。而本質(zhì)的區(qū)別是，兩個(gè)電機(jī)的BAVS聯(lián)合具有推拉聯(lián)合的功效。因此，關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)矩等于兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的總和。
（1）
其中，1和T2是由兩個(gè)電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩。失速扭矩Tstall的是一臺(tái)電機(jī)的最大扭矩。這種BAVS原則上使用電動(dòng)機(jī)的支持方式稱為幫助模式。總鏈路剛度k等于的剛度K1（T1）和k1（T2）每個(gè)馬達(dá)的彈簧單元的總和。
（2）
圖4顯示了BAVS聯(lián)合設(shè)置一個(gè)彈簧和兩個(gè)對(duì)稱凸輪盤，以及兩個(gè)特征模式。在圖4 b）該接頭是在幫助模式下，這兩個(gè)凸輪盤在相同的方向上提供了一個(gè)扭矩。在正常模式下，與所提供的凸輪盤的相對(duì)轉(zhuǎn)矩如圖 4C）所示。 圖3.
圖4
FSJ（如一個(gè)大的馬達(dá)的小型電動(dòng)機(jī)的位置和關(guān)節(jié)的剛度改變）和拮抗原則相比，雙向?qū)α?dǎo)致高功率尺寸比，因?yàn)樗饕璧那氨酆蛢蓚€(gè)腕關(guān)節(jié)。
C.機(jī)構(gòu)的建立
對(duì)高剛度手腕的要求，為了避免手腕運(yùn)動(dòng)的無(wú)故損壞，不采用肌腱基于VSA機(jī)制。相反，諧波傳動(dòng)齒輪三部分的設(shè)置控制同步電機(jī)彈性元件和驅(qū)動(dòng)側(cè)的接頭，見(jiàn)圖3。
聯(lián)合運(yùn)作以下列方式進(jìn)行，參照?qǐng)D3。波發(fā)生器連接到電機(jī)。正齒輪和柔性花鍵鏈接以輸出。所有圓形花鍵都連接到非線性彈性元件。移動(dòng)兩個(gè)在相同的方向上的馬達(dá)使鏈接（正輪）的位置的變化。如果移動(dòng)相反方向的無(wú)連桿運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，柔性花鍵會(huì)被連桿互相阻擋。在圓形花鍵施加的扭矩，可以使非線性彈性元件張緊。通過(guò)阻斷電機(jī)，任何外部的運(yùn)動(dòng)鏈接將加載彈簧元件。因此，一個(gè)自然的扭力 - 角度關(guān)系與非線性增加轉(zhuǎn)矩是可以實(shí)現(xiàn)的。
剛度的非線性元件是通過(guò)非線性凸輪盤制動(dòng)一個(gè)或多個(gè)線性彈簧。凸輪盤的形狀也可以影響扭矩剛度曲線的聯(lián)合。
在幫助模式下，轉(zhuǎn)矩—?jiǎng)偠惹€的影響的變化分析。
III.BAVS形狀分析
第II-C提供建議的機(jī)械安裝主要有兩種設(shè)計(jì)參數(shù)。首先，線性彈簧的數(shù)量（一個(gè)或兩個(gè)）和第二凸輪盤的形狀（對(duì)稱或不對(duì)稱）。在以下三種不同的設(shè)置進(jìn)行了分析。
最簡(jiǎn)單的設(shè)置是只使用一個(gè)線性彈簧的單個(gè)彈簧解決方案，如圖5a）所示。雙彈簧解決方案使用了兩個(gè)而不是僅一個(gè)彈簧，但在相同的設(shè)置有兩個(gè)凸輪盤，見(jiàn)圖5 B）。第三個(gè)分析的設(shè)置，和包含兩個(gè)彈簧和四個(gè)凸輪盤，如圖所示。5 c）圖5
所有的接頭都要滿足最大扭矩為8 Nm，相當(dāng)于兩個(gè)失速轉(zhuǎn)矩馬達(dá)（Tmax = 2· Tstall = 8Nm），偏轉(zhuǎn)角為15°。線性彈簧的剛度采用22.1 kN / m。
A. 單彈簧方案
最簡(jiǎn)單的可能的解決方案是一個(gè)彈簧和兩個(gè)對(duì)稱的凸輪盤（參見(jiàn)圖5）的組合，并需要最少的建造空間。由兩個(gè)對(duì)稱的凸輪盤的聯(lián)合施加的扭矩可由下列公式算出
（3）
￠關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)角，是凸輪盤的預(yù)緊角，c是回彈力，r是凸輪盤上杠桿比邊緣到凸輪盤中心的距離，,和，是凸輪盤和彈簧偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)角和它們的衍生物之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)函數(shù)描述。關(guān)節(jié)的剛度是扭矩相對(duì)于偏轉(zhuǎn)的導(dǎo)數(shù)。
1）對(duì)稱凸輪盤：對(duì)于對(duì)稱的外形設(shè)計(jì)剛度，圍繞零偏轉(zhuǎn)￠= 0°為低電平時(shí)，當(dāng)凸輪輥半徑限制了凸輪盤的形狀。這是因?yàn)橐员ＷC正確的凸輪滾子的滾動(dòng)，曲率凸輪盤的凸輪半徑小于滾筒。因此，對(duì)于一個(gè)對(duì)稱的凸輪盤形狀的約束是必要的，以避免間斷。
圖6
一個(gè)彈簧解決方案也有缺點(diǎn)，預(yù)拉伸的關(guān)節(jié)的扭矩變化范圍是有限的，因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)凸輪盤幾乎完全偏轉(zhuǎn)，才可以產(chǎn)生最大的彈簧力。在正常的拮抗模式下，最好的結(jié)果只有約四分之一的最大扭矩，圖6頂部說(shuō)明了這一點(diǎn)，其中的扭矩剛度關(guān)系為單個(gè)彈簧對(duì)稱的外形設(shè)計(jì)的解決方案做出了描繪。圖中的虛線示出了預(yù)拉伸為a =50％，它使約四分之一可達(dá)到的最大扭矩。此外，該圖表可作如下解釋：在曲線之間的步長(zhǎng)大小等于10％預(yù)緊遞增。此外，其中一個(gè)電動(dòng)機(jī)的Tstall曲線已用粗體打印在圖中，因?yàn)檫@條曲線相當(dāng)于正常和幫助對(duì)抗模式之間的邊界。最低的曲線相當(dāng)于非預(yù)緊機(jī)制（）。最高的曲線對(duì)應(yīng)為=90％的預(yù)拉伸。
此結(jié)果也可以通過(guò)轉(zhuǎn)矩剛度曲線的最大的剛度變化得到驗(yàn)證。在此，用指數(shù)特性
（4）
e和d都是正常數(shù)，如果對(duì)稱凸輪光盤設(shè)計(jì)假定（和），（3）式就可轉(zhuǎn)變?yōu)?
（5）解決這個(gè)微分方程，將引入凸輪盤形狀與.所以一個(gè)彈簧和兩個(gè)對(duì)稱凸輪盤的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)所需的特性的不足。
2）非對(duì)稱輪盤：另一種可能的單彈簧的解決方案是兩個(gè)不對(duì)稱的凸輪盤結(jié)合，非對(duì)稱的圓盤意味著并不取決于，見(jiàn)圖5。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)使用分段函數(shù)的非對(duì)稱形狀的設(shè)計(jì)，從中心的偏移如下所述。不對(duì)稱圓盤形凸輪盤的一個(gè)例子是
（6）
其中RI和R2是不同的半徑。圖6的底部，描繪了一個(gè)分段的非對(duì)稱外形設(shè)計(jì)的扭矩剛度。最大50％的預(yù)張力的扭矩比最大對(duì)稱形狀扭矩幾乎大25%。
B.雙彈簧方案
由于一個(gè)彈簧解決方案的局限性，使用兩個(gè)彈簧與兩個(gè)不對(duì)稱的凸輪相結(jié)合將之代替。然而，如圖5所示的設(shè)置需要多一點(diǎn)的空間。
關(guān)節(jié)扭矩以下列公式計(jì)算
（7）
與不對(duì)稱的外形設(shè)計(jì)和支撐的單彈簧解決方案相比，可以產(chǎn)生兩倍的轉(zhuǎn)矩（幾乎是一半），相當(dāng)于 50％的預(yù)拉伸。因?yàn)檫@兩個(gè)凸輪盤設(shè)計(jì)了完全偏轉(zhuǎn)的彈簧，彈簧的最大彈簧力總是可以被充分利用。對(duì)于單個(gè)彈簧的解決方案，在50％的預(yù)拉伸彈簧只能使最大撓度的一半偏轉(zhuǎn)。因此，這一機(jī)構(gòu)的力矩剛性的帶寬增加。
C.兩個(gè)彈簧和四個(gè)凸輪盤的方案
最后一個(gè)分析的設(shè)置包含四個(gè)形狀不對(duì)稱的凸輪盤和有兩個(gè)彈簧的結(jié)合，見(jiàn)圖5。不對(duì)稱的凸輪盤允許一個(gè)非零的剛度，即使在零偏轉(zhuǎn)。單獨(dú)的凸輪盤安裝在兩個(gè)圓形諧波驅(qū)動(dòng)齒輪的花鍵上。每個(gè)凸輪盤之間傳輸一個(gè)彈簧力。所要求的轉(zhuǎn)矩曲線，必須分為四個(gè)相同的鏡像曲線。通過(guò)凸輪盤上兩個(gè)彈簧的預(yù)張緊，產(chǎn)生了一定的扭矩。
圖7
圖8示出所得的指數(shù)扭矩剛性的關(guān)系，通過(guò)以下方式獲得（4）和（5）。這種方法給出了的扭矩剛度外形設(shè)計(jì)最大的靈活性。
圖8
與圖6中的非對(duì)稱的圓形形狀相比，如果預(yù)張緊凸輪盤，剛度減小更快。扭矩剛度特性也由任務(wù)而定。因此在這一點(diǎn)上，不能給一個(gè)通用的答案。
IV.設(shè)計(jì)
A. 前臂旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)
達(dá)到一個(gè)最佳的封裝密度的效果，前臂旋轉(zhuǎn)使用了錐齒輪系統(tǒng)，而不是使用一個(gè)直齒圓柱齒輪系統(tǒng)（圖9）。出于同樣的原因，彈簧被放置與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸平行。裝有冷卻水且用于控制電機(jī)的手的和完整的前臂的電纜，通過(guò)一個(gè)內(nèi)孔的錐齒輪，與旋轉(zhuǎn)軸線平行。三個(gè)電位器是用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)凸輪盤的位置和連桿
圖9。
B.手腕設(shè)計(jì)
對(duì)于手腕的輸出，為了使相應(yīng)的電機(jī)盡可能放置在靠近的基站點(diǎn)的前臂的地方，可引導(dǎo)的正機(jī)架的取代了斜輪。此外，該線性彈簧放置在垂直于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸。這就使前臂內(nèi)部有一個(gè)緊湊的設(shè)計(jì)。圖10示出了橫截面的在手腕BAVS驅(qū)動(dòng)。
V.測(cè)量和實(shí)驗(yàn)
A.扭矩剛度形狀校準(zhǔn)
基于VS聯(lián)合的高精密的扭矩，需要扭矩?fù)隙惹€的非線性的精確的校準(zhǔn)。我們測(cè)量了手腕和前臂BAVS的轉(zhuǎn)矩偏轉(zhuǎn)曲線，使用一個(gè)安裝了額外的杠桿臂的測(cè)力計(jì)，來(lái)對(duì)平動(dòng)旋轉(zhuǎn)的前臂進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于手腕扭矩?fù)隙惹€的測(cè)量，測(cè)力計(jì)是直接連接到驅(qū)動(dòng)手腕。
手腕上的制動(dòng)，是由一個(gè)對(duì)稱的圓凸輪盤的形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。理想曲線和所獲得的測(cè)量值示于圖11中。只要連接桿的剛度和測(cè)力計(jì)安裝有瑕疵，又會(huì)有微小的偏差。
圖10
圖11.
前臂旋轉(zhuǎn)扭矩 - 位移曲線示于圖12中。
再次使用對(duì)稱的圓，最大扭矩的減少是清晰可見(jiàn)的。與在圖11中的手腕上測(cè)量相比，由于制造公差較大的滯后需要追蹤，將來(lái)的聯(lián)合方案將會(huì)減少這一點(diǎn)。
圖12
B.全自動(dòng)剛度適應(yīng)、
如果接頭處于對(duì)立的模式，最大的關(guān)節(jié)力矩是電機(jī)停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的一半。對(duì)于某些應(yīng)用中，通過(guò)使用幫助模式達(dá)到更高的扭矩是必要的。在圖12中，關(guān)于正常與幫助模式的切換，已經(jīng)給出了算法。采用的方法是減少的凸輪盤的預(yù)張力，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩太高。
該方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模式的改變。關(guān)節(jié)內(nèi)的阻尼是必要的。對(duì)于預(yù)拉伸的最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法，如果超出，則預(yù)張力會(huì)降低測(cè)量扭矩與最大扭矩的線性差。實(shí)驗(yàn)在安裝了杠桿臂的旋轉(zhuǎn)前臂進(jìn)行。外部扭矩手動(dòng)生成。在圖13中是無(wú)剛度自動(dòng)適應(yīng)下力矩和剛度的繪制。如果達(dá)到第一電機(jī)的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)將被復(fù)原。在圖14激活了剛度自動(dòng)適應(yīng)。如果凸輪盤扭矩達(dá)到2.4 Nm，第二個(gè)凸輪盤預(yù)緊就會(huì)減少。
C.冗余驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)故障
沒(méi)有進(jìn)一步分析的BAYS聯(lián)合的性質(zhì)是電機(jī)的冗余，它增加了系統(tǒng)的魯棒性。
電機(jī)的對(duì)稱設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)及以疊加的方式生成的剛性的接縫?？紤]只有一臺(tái)電機(jī)的運(yùn)作的情況下，由于第二電動(dòng)機(jī)的故障，關(guān)節(jié)的剛度不能被改變，但仍然可以設(shè)置關(guān)節(jié)位置。雙向的方法可以驅(qū)動(dòng)有故障的電機(jī)復(fù)原。這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于自主工作機(jī)器人來(lái)說(shuō)，因?yàn)橐慌_(tái)電機(jī)的故障不會(huì)停止機(jī)器人的基本功能。
圖13
余下的最大可達(dá)的鏈路轉(zhuǎn)矩依賴于運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩減去失效電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪所需的轉(zhuǎn)矩。通過(guò)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算計(jì)算補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)的位置。圖15示出了BAYS聯(lián)合在位置控制與電機(jī)閉合的關(guān)系的曲線圖。前面供給的計(jì)算出的位置可以使凸輪盤的偏轉(zhuǎn)完成反向驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。
（8）
（9）
反向驅(qū)動(dòng)扭矩隨著鏈路速度增加而增加。反向驅(qū)動(dòng)將會(huì)記錄在額外的測(cè)試，同時(shí)測(cè)量齒輪的效率。
圖14
圖15
VI.結(jié)論與今后的工作
本文提出了，實(shí)現(xiàn)使用的諧波傳動(dòng)機(jī)制雙向拮抗關(guān)節(jié)DLR手臂系統(tǒng)。具有不同的彈簧和凸輪盤的設(shè)置的三個(gè)主要的設(shè)計(jì)概念已被評(píng)估，并優(yōu)化在一定轉(zhuǎn)矩能力和剛度的范圍內(nèi)，尤其是在幫助模式。還展示了手腕和前臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)DLR的手臂系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)。，以及上文關(guān)于連接測(cè)量的校準(zhǔn)和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。首先，自動(dòng)僵硬適應(yīng)方案的實(shí)施提供最大扭矩。 其次，對(duì)電機(jī)有障礙的情況下進(jìn)行了評(píng)估。在今后的工作中，非對(duì)稱形狀的設(shè)計(jì)的增加帶寬的剛度扭矩曲線將會(huì)實(shí)施和評(píng)估。此外，如果鏈接轉(zhuǎn)矩由兩個(gè)馬達(dá)的共享，也對(duì)系統(tǒng)的能量消耗在不同的狀態(tài)下記性評(píng)估。此次結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的DLR手臂系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行，還提供了扭矩剛度外形設(shè)計(jì)有價(jià)值的研究成果。
VII致謝
這部分工作由歐洲委員會(huì)第六框架計(jì)劃資助，作為STIFF項(xiàng)目之一，編號(hào)231576，也作為VIACTORS項(xiàng)目的之一，編號(hào)231554。
現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列的三自由度的數(shù)字控制系統(tǒng)機(jī)械手
摘要
這項(xiàng)工作是以展示設(shè)計(jì)過(guò)程和執(zhí)行三自由度機(jī)械手為目的的，被由超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言的數(shù)字系統(tǒng)控制，以及被現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列執(zhí)行。用于控制的數(shù)字系統(tǒng)是通過(guò)互相連接的電路和功能塊設(shè)計(jì)的。
現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列終端被用來(lái)控制三個(gè)步進(jìn)電機(jī)序列，這種方式實(shí)現(xiàn)了三自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，在控制系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)中的接口階段是被基于晶體管的電力電子電路所開(kāi)發(fā)的。這個(gè)設(shè)計(jì)是一個(gè)試圖說(shuō)明設(shè)計(jì)階段以及主要關(guān)于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的數(shù)字控制系統(tǒng)的理論模型。對(duì)于這種情況，機(jī)械手設(shè)計(jì)并不依賴一個(gè)特定的情況，這是一個(gè)免費(fèi)的軌跡，與此同時(shí)用戶能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列的界面決定機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手通常沒(méi)有能力去移動(dòng)大部件，既不能升大重力物體，也不能成為一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)模型和被每個(gè)人訪問(wèn)除非能用可循環(huán)材料建造它，它被做成這種形式只是處于教育的目的。
1.介紹
對(duì)現(xiàn)代人來(lái)說(shuō)，根本不可能去構(gòu)思他們的生活如果沒(méi)有數(shù)字電子的存在，因?yàn)殡娮討?yīng)用出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪械臄?shù)量是巨大的，數(shù)字電子的應(yīng)用是非常多和非常普遍的。
【1】傳感器，微芯片和致動(dòng)器被普遍用于現(xiàn)在生產(chǎn)中。甚至傳統(tǒng)的機(jī)械工程領(lǐng)域的汽車工業(yè)也用微芯片在現(xiàn)代交通工具和機(jī)械結(jié)構(gòu)
【2】機(jī)電一體化和有關(guān)的各種學(xué)問(wèn)去接近設(shè)計(jì)工程發(fā)展的解決方案，提供一個(gè)重要的方向來(lái)跟隨教學(xué)和研究。因此,對(duì)成功的工程師來(lái)說(shuō)這樣一個(gè)多學(xué)科學(xué)位的教學(xué)已經(jīng)成為必要。
【3】世界上的大學(xué)用在機(jī)電一體化和機(jī)電工程方面介紹新學(xué)位來(lái)回報(bào)的方式出現(xiàn)。因?yàn)樵谙嗤姆绞?它也通常發(fā)生在數(shù)字電子技術(shù)和電子產(chǎn)品，在很多應(yīng)用里我們能找到電子設(shè)備涉及機(jī)械設(shè)備，其中的一個(gè)應(yīng)用就是機(jī)械結(jié)構(gòu)控制。
【4】在控制和施工條件下，教育和演示目的一個(gè)機(jī)械手,和大的工業(yè)機(jī)械手有相同的結(jié)構(gòu)的，因此，理解用于控制他們的技術(shù)的設(shè)計(jì)是非常重要的。每一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始于一組規(guī)格和完成模式開(kāi)發(fā)的特性，此外它它用布爾運(yùn)算功能所表示的邏輯圖結(jié)束，同時(shí)它被編程到現(xiàn)場(chǎng)可編程陣。
【5】實(shí)際上,邏輯設(shè)計(jì)師的任務(wù)是簡(jiǎn)化使用描述性語(yǔ)言的電路。雖然多樣化的描述性語(yǔ)言存在，非常高速的集成硬件描述語(yǔ)言是最受歡迎的和使用時(shí)間最長(zhǎng)的。硬件描述語(yǔ)言的描述性語(yǔ)言的目的是開(kāi)展在可編程序邏輯方面的電路領(lǐng)悟，這技術(shù)是已知的像設(shè)計(jì)合成。
被提出的數(shù)字系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)械臂是由自上而下的分層設(shè)計(jì)技術(shù)。使用這種技術(shù),設(shè)計(jì)師有從容分開(kāi)設(shè)計(jì)階段,確定幾個(gè)抽象水平，能夠治療系統(tǒng)黑盒來(lái)開(kāi)發(fā)他們用并行方式。這個(gè)項(xiàng)目被分為三個(gè)主要部分來(lái)講:機(jī)械部分的手臂,電力電子接口電路和FPGA階段。非常重要的說(shuō),擬議中的數(shù)字系統(tǒng)的用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)是不會(huì)考慮一個(gè)特定的軌跡。在這個(gè)項(xiàng)目中,數(shù)字系統(tǒng),如同樣的方式,機(jī)械設(shè)計(jì),不依賴任何運(yùn)動(dòng)軌跡。這是一個(gè)被推薦的FPGA接口所以運(yùn)動(dòng)軌跡是由用戶決定。圖1顯示了這個(gè)項(xiàng)目是主要部分劃分:
圖1設(shè)計(jì)過(guò)程階段
2.發(fā)展
2.1機(jī)械階段
機(jī)械階段重點(diǎn)建設(shè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，為此，各種各樣的元素被實(shí)用，如鋁鏈接、齒輪、滑輪、帶輪、步進(jìn)電機(jī)、軸、參考線以及一些公共設(shè)施的元素在停止實(shí)用的的電子設(shè)備中都有包含。這個(gè)階段的項(xiàng)目很有趣,因?yàn)樵邶X輪、帶輪、滑輪中的機(jī)械聯(lián)合體，他們自己的生產(chǎn),所有機(jī)械設(shè)備被放置在一個(gè)精確的方式來(lái)獲得想要的運(yùn)動(dòng)。圖2顯示了機(jī)械作臂是如何建立。
圖2三自由度的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)
圖2顯示了臂是如何被建立去完成三自由度的運(yùn)動(dòng):在圖像的劣質(zhì)部分，第一馬達(dá)是被鑒別的,允許整體的運(yùn)動(dòng)基于手臂的位置;在左邊圖像的優(yōu)越部分的馬達(dá)有助于開(kāi)展二自由的運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于第一個(gè)鏈接的運(yùn)動(dòng)，以其各自的機(jī)械連接,允許想要運(yùn)動(dòng)離開(kāi);最后,圖2也顯示了步進(jìn)電機(jī),是定位于攜帶出了運(yùn)動(dòng)的第三和最后的自由度，適當(dāng)?shù)募尤脒@個(gè)運(yùn)動(dòng)反映了機(jī)制的第二環(huán)節(jié)。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)是建立在一個(gè)自由的方式,對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目沒(méi)有必要采取合成過(guò)程來(lái)確定結(jié)構(gòu)尺寸,比如鏈接的長(zhǎng)度，基于一個(gè)特定的精密點(diǎn)軌跡。結(jié)構(gòu)尺寸是任意選擇的和機(jī)械臂結(jié)構(gòu)不是考慮一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)軌跡而建立。圖2沒(méi)顯示了機(jī)械臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于目前情況下,執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以是一個(gè)螯,伊瑪目,一個(gè)支承面,一個(gè)電磁鐵,一支鉛筆,它實(shí)際上可以是任何東西,機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用戶的決定。
2.2電子階段
電子的階段主要是使用的電力電子接口連接FPGA和步進(jìn)電機(jī)安裝在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。這個(gè)FPGA包含一個(gè)非常廣泛的邏輯包為了應(yīng)用現(xiàn)狀，但它的終端不能直接與步進(jìn)電機(jī)相連接，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)電流的需求比支持現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的要大得多。為了解決這個(gè)問(wèn)題,有必要實(shí)現(xiàn)”接口電路”,它可以解釋FPGA輸出和采取相應(yīng)的行動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)給必要的和足夠的力量,同時(shí)FPGA是受保護(hù)的。為此,光學(xué)絕緣體被用來(lái)在FPGA輸出和步進(jìn)電機(jī)的輸入間消除身體接觸。圖三顯示了電路的應(yīng)用原理圖：電力電子接口電路顯示在圖3是只有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)相,它是必須實(shí)現(xiàn)12次同樣的電力電子接口電路，因?yàn)槊恳粋€(gè)步進(jìn)電機(jī)有四相和這個(gè)項(xiàng)目使用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)相來(lái)運(yùn)動(dòng)。有時(shí)FPGA輸出有一個(gè)非常低電壓水平,這就是為什么另一個(gè)電子電路選擇界面在FPGA和光絕緣子之間放一個(gè)緩沖區(qū),但對(duì)于目前的項(xiàng)目它不是必需的。光絕緣子輸出與相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相具有相同的狀態(tài)（激活或禁用），但它是孤立于FPGA和有一個(gè)電壓水平稍高于它的輸入。光絕緣體輸出不能提供步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需求的電流，這就是為什么電力階段是適當(dāng)?shù)?。高輸出增益的達(dá)林頓晶體管配置,被用在功率階段。最后,接口電路也有相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相線可用的連接器:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的終端連接到供給電壓(Vcc)，相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相連接達(dá)林頓晶體管集電極。圖4顯示了完整的接口電子電路的實(shí)作界面及其到FPGA的連接:
圖4連接到FPGA電力電子接口電路
有許多不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功率電子接口電路,因?yàn)橛写罅康碾娏﹄娮釉O(shè)備可以使用，這只是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電力電子接口電路和用戶可以決定使用哪些電子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)它。
2.3現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列階段
FPGA階段包括在被VHDL描述的數(shù)字系統(tǒng),它能夠控制機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)提供了激活感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)資格的選擇：用戶選擇想激活的電動(dòng)機(jī)，它移動(dòng)的意義和希望最后它可以激活運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始?？梢允褂玫目删幊踢壿嬜鳛橐环N個(gè)性化的邏輯設(shè)計(jì),也就是說(shuō),設(shè)計(jì)思考關(guān)于自己的硬件。第一個(gè)器件是編程的通過(guò)面具,他們被電腦制造商開(kāi)發(fā)的,在60年代初可編程序邏輯到達(dá)可融化的程度，從那時(shí)，這種技術(shù)對(duì)大小用戶的使用都很普遍。用一種更簡(jiǎn)單的方法來(lái)描述數(shù)字系統(tǒng)為控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)多樣化，它們使用的功能塊允許執(zhí)行必要的功能。數(shù)字系統(tǒng)被以下功能模塊建造借助分層設(shè)計(jì)基金會(huì):時(shí)間坐標(biāo),步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)和控制有限狀態(tài)機(jī)。
圖5數(shù)字系統(tǒng)功能塊
圖5顯示了數(shù)字系統(tǒng)功能塊并給出一個(gè)關(guān)于的互聯(lián)互通他們的主意，包括用戶選項(xiàng)用于選擇一些機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。時(shí)間坐標(biāo)功能塊是像一個(gè)振蕩器,它確實(shí)沒(méi)有從用戶收到任何價(jià)值或命令，但它發(fā)送一個(gè)預(yù)先確定的和持續(xù)期脈沖控制有限狀態(tài)機(jī),對(duì)于這種情況,周期是1 ms;在時(shí)間坐標(biāo)生成的相對(duì)低頻脈沖功能塊用于處理相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相來(lái)通過(guò)電力電子接口電路，同時(shí),它允許解釋目前步進(jìn)電機(jī)階段狀態(tài)，來(lái)影響運(yùn)動(dòng)序列有變化的時(shí)候；具體來(lái)說(shuō),時(shí)間坐標(biāo)功能塊設(shè)計(jì)可以像一個(gè)常數(shù)模塊計(jì)數(shù)器,由用戶決定的計(jì)時(shí)模塊，這種方式,時(shí)基脈沖周期可以有很多價(jià)值,但是所給的不改變；這是必要的時(shí)間坐標(biāo)脈沖對(duì)電力電子接口電路設(shè)備有一個(gè)好操作。步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)接收來(lái)自使用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向感(連續(xù)波或反時(shí)針?lè)较?和步驟類型(退或全部步驟)值,同時(shí)用戶選擇步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始的資格信號(hào)。顯而易見(jiàn),用戶激活相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)將感覺(jué)信號(hào),這一步類型的信號(hào)和選擇想要移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，所以機(jī)械臂結(jié)構(gòu)可以采取很多不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。這是為什么機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)確實(shí)不依賴于一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)軌跡,因?yàn)橛脩艨梢詻Q定,實(shí)際上決定了,機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有限狀態(tài)機(jī)發(fā)送來(lái)控制有限狀態(tài)機(jī)的相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相階段與從用戶選取的運(yùn)動(dòng)特征;步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)包含適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)相序?yàn)榱松蓛蓚€(gè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng),也包括一半和完整的步驟運(yùn)動(dòng)。
圖6步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)
圖6顯示了步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)的國(guó)家和它的特征。資格信號(hào),轉(zhuǎn)換信號(hào)和步進(jìn)式信號(hào)是輸入信號(hào)和它們的值從用戶直接定義的。步進(jìn)電機(jī)的階段可以分化為兩種不同的方式:第一個(gè)只有一個(gè)極化階段,第二個(gè)有兩個(gè)極化階段。總之,步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)認(rèn)為四個(gè)狀態(tài)只有一個(gè)極化階段和另外四個(gè)個(gè)狀態(tài)的兩個(gè)極化階段,這樣一般和完整的步驟運(yùn)動(dòng)都能生成。沒(méi)有任何國(guó)家有三個(gè)或四極化階段,因?yàn)樗皇且粋€(gè)為了興趣的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。圖6也顯示了可能的運(yùn)動(dòng)序列:連續(xù)波和完整的步驟,連續(xù)波和半步驟,反時(shí)針?lè)较蚝屯暾牟襟E,最后,反時(shí)針?lè)较蚝桶氩襟E。步進(jìn)電機(jī)的有限狀態(tài)機(jī)在圖6提供了一個(gè)參考狀態(tài),有限狀態(tài)機(jī)決定當(dāng)復(fù)位信號(hào)(RST)被激活。復(fù)位和fpga時(shí)鐘信號(hào)是最高層次的信號(hào)因?yàn)閺?fù)位信號(hào)重啟所有數(shù)字系統(tǒng)和時(shí)鐘信號(hào)，使這個(gè)設(shè)計(jì)成為一個(gè)同步數(shù)字系統(tǒng)確定數(shù)字系統(tǒng)操作速度,但另一個(gè)高的層次結(jié)構(gòu)信號(hào)是資格信號(hào),有資格的信號(hào)用戶允許或者阻礙選擇的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng),這樣,當(dāng)資格信號(hào)是禁用的步進(jìn)電機(jī)不動(dòng)。轉(zhuǎn)變感覺(jué)和步進(jìn)式信號(hào)不會(huì)有一個(gè)高的層次,但他們是很重要的,因?yàn)樗麄儧Q定運(yùn)動(dòng)特性。對(duì)于目前項(xiàng)目有必要考慮半步驟的運(yùn)動(dòng),因?yàn)樗歉_的運(yùn)動(dòng)相比完整步驟的運(yùn)動(dòng),這種方式,提出的控制數(shù)字系統(tǒng)提供了兩種精度水平的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng),因此,可能得到更好的機(jī)械臂定位。控制有限狀態(tài)機(jī)接收時(shí)間坐標(biāo)脈沖,相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)相狀態(tài)依據(jù)從用戶和步進(jìn)電機(jī)的選擇信號(hào)選定的運(yùn)動(dòng)特性;時(shí)間坐標(biāo)脈沖步進(jìn)電機(jī)相階段來(lái)自內(nèi)部功能塊,但步進(jìn)電機(jī)選擇信號(hào)來(lái)自用戶;控制有限狀態(tài)機(jī)詮釋步進(jìn)電機(jī)相狀態(tài)依賴于從步進(jìn)電機(jī)有限狀態(tài)機(jī)選擇的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)特性,用戶選擇步進(jìn)電機(jī)希望移動(dòng)和控制有限狀態(tài)機(jī)指定相狀態(tài)到對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這個(gè)過(guò)程是按以下方式進(jìn)行:控制有限狀態(tài)機(jī)接收步進(jìn)電機(jī)相狀態(tài)擁fpga時(shí)鐘速度,這就是說(shuō),每一個(gè)fpga時(shí)鐘脈沖控制有限狀態(tài)機(jī)更新對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)階段狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)資格信息,這樣,任何運(yùn)動(dòng)序列幾乎立即改變產(chǎn)生的相關(guān)的行動(dòng)，F(xiàn)PGA輸出狀態(tài)也幾乎立即反映這種變化的影響;時(shí)間坐標(biāo)功能塊的工作作為一個(gè)常數(shù)模塊計(jì)數(shù)器和發(fā)送控制有限狀態(tài)機(jī)的一個(gè)由設(shè)計(jì)師決定的常數(shù)周期脈沖。
控制有限狀態(tài)機(jī)發(fā)送給FPGA輸出相應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相階段來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī), 但不是在fpga時(shí)鐘速度,它發(fā)送那個(gè)的價(jià)值在時(shí)間坐標(biāo)脈沖速度。所有數(shù)字系統(tǒng)提出功能塊是和fpga時(shí)鐘完全同步的，但有必要減少它的頻率并用一個(gè)適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行相應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相狀態(tài)。
1. 結(jié)果
結(jié)果的每一個(gè)階段在那個(gè)設(shè)計(jì)里被劃分成以下部分: 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)被建立在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b電機(jī),在每一個(gè)三自由度生成一個(gè)自由運(yùn)動(dòng); 一個(gè)基于功率晶體管的接口電路設(shè)計(jì), 連接FPGA與步進(jìn)電機(jī); 最后,一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)被設(shè)計(jì)生成必要的和適當(dāng)?shù)男盘?hào)來(lái)控制機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)。如前所述,無(wú)論是機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的數(shù)字系統(tǒng)并不是考慮一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)軌跡, 但它是提出一個(gè)FPGA接口采取關(guān)于轉(zhuǎn)換意義相應(yīng)的價(jià)值, 步進(jìn)式和從用戶選擇的步進(jìn)電機(jī)。在接下來(lái)的四個(gè)圖片,可以看到控制數(shù)字系統(tǒng)仿真程序的結(jié)果。這是重要的說(shuō),照片顯示所有可能的運(yùn)動(dòng)的類型,連續(xù)波和完整步驟,反時(shí)針?lè)较蚝屯暾襟E,連續(xù)波和半步驟,CCW和半步驟,最后, 一個(gè)額外的“堅(jiān)持”的狀態(tài),但只有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。仿真結(jié)果,數(shù)字7,8,9和10展示只會(huì)是選擇步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)。為了獲得一個(gè)正確的模擬他們定義一些控制信號(hào)。
這些信號(hào)是一種標(biāo)志,可以給關(guān)于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)條件的一些信息:信號(hào)（RST）有能力重啟完整數(shù)字系統(tǒng), 在模擬的開(kāi)始它被激活, 過(guò)很短的時(shí)間,然后它使其余的仿真市區(qū)能力; 時(shí)鐘信號(hào)(時(shí)鐘)正是FPGA時(shí)鐘信號(hào),
它有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的50mhz的頻率；使感覺(jué)信號(hào)(C)選擇連續(xù)波或反時(shí)針?lè)较蚋淖兏杏X(jué), 如果它是禁用的，默認(rèn)轉(zhuǎn)換感覺(jué)是連續(xù)波轉(zhuǎn)換感覺(jué), 如果轉(zhuǎn)換感覺(jué)信號(hào)被激活然后步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)是在反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)換感覺(jué); 步式信號(hào)(F)選擇步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)式, 它被激活時(shí)將選擇一個(gè)完整步驟序列，當(dāng)它被禁用了默認(rèn)類型是半步序列; 啟動(dòng)類型運(yùn)動(dòng)信號(hào)(STM)只是一個(gè)控制信號(hào),表明準(zhǔn)確即時(shí)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性改變時(shí); 步信號(hào)(S)只是一個(gè)控制信號(hào),提示號(hào)碼必要的步驟來(lái)完成這個(gè)步驟類型選擇序列; 信息傳輸信號(hào)(S)是一個(gè)標(biāo)志信號(hào)表明信息在正確的方式轉(zhuǎn)移, 當(dāng)它被禁用時(shí),信息轉(zhuǎn)移是正確的; 準(zhǔn)備好信號(hào)是一個(gè)旗語(yǔ)，這是激活顯示選定的運(yùn)動(dòng)的完成, 而且它也被激活當(dāng)選擇的步進(jìn)電機(jī)是在“堅(jiān)持”狀態(tài); 最后,這個(gè)階段信號(hào)(φ)是一個(gè)信號(hào)總線,代表選擇的步進(jìn)電機(jī)相狀態(tài)。一個(gè)關(guān)于模擬過(guò)程的重要解釋已經(jīng)有結(jié)果，可以看到步進(jìn)電機(jī)序列是做在一個(gè)比FPGA標(biāo)準(zhǔn)頻率較低的頻率的改變。圖7顯示了模擬的第一部分,可以看到它完成半步和連續(xù)波序列, 和一些半連續(xù)波序列。圖8顯示第二部分的仿真。我們可以看到半步和連續(xù)波序列的結(jié)束退的武器序列,和的完整步驟連續(xù)波序列的開(kāi)始。圖9顯示了模擬的第三部分, 我們可以看到完整步驟和連續(xù)波序列的結(jié)束,和完整步驟反時(shí)針?lè)较蛐蛄械拈_(kāi)始。圖10顯示了最后一部分的仿真, 它可以看到全部步驟和反時(shí)針?lè)较蛐蛄械慕Y(jié)束,和保持狀態(tài)。
4總結(jié)
機(jī)電一體化使用其他工程分支的知識(shí)，但是它有它的技術(shù)問(wèn)題, 應(yīng)用程序和作為獨(dú)立的工程的特定的設(shè)計(jì)。這個(gè)項(xiàng)目需要應(yīng)用先前獲得的知識(shí)和技能,如:數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)(有限狀態(tài)機(jī));硬件描述語(yǔ)言(VHDL);
分層設(shè)計(jì)技術(shù)在于實(shí)現(xiàn)使用FRGA。 電子電路設(shè)計(jì)(接口和驅(qū)動(dòng)電路); 最后,發(fā)動(dòng)機(jī)和致動(dòng)器(步進(jìn)電機(jī))。選擇一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)的主要的理由是提供工具來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的快速原型，這是必不可少的在當(dāng)前的電子行業(yè)，反應(yīng)當(dāng)前的行業(yè)慣例; 和使用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述數(shù)字系統(tǒng)。 合成和實(shí)際硬件作為一個(gè)替代設(shè)計(jì)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。這個(gè)項(xiàng)目的用戶界面可以是一個(gè)電腦鍵盤,計(jì)算機(jī)或電子電路, 但對(duì)于這種情況，選定的用戶界面是FPGA自己的控制, 按鈕和開(kāi)關(guān)。這個(gè)用戶界面不是最好的一個(gè),但它是非常實(shí)用和多功能的。最大的并發(fā)癥出現(xiàn)在機(jī)械階段,因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)和聯(lián)合結(jié)構(gòu)是自己生產(chǎn)的, 有必要驗(yàn)證那個(gè)元素的位置是否合適來(lái)生成一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)。這個(gè)機(jī)械手臂提議是用可回收材料建造的。這個(gè)項(xiàng)目需要一個(gè)非常常見(jiàn)的工業(yè)應(yīng)用:控制機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng), 但在同時(shí),它允許用FPGA做簡(jiǎn)單化系統(tǒng)來(lái)控制復(fù)雜的機(jī)制。三自由度機(jī)械臂的被提出不能移動(dòng)大部件,也不能提重物, 它可以被可回收的材料建立,如在這種情況下, 所以這個(gè)項(xiàng)目的主要目的是說(shuō)明了數(shù)字設(shè)計(jì)流程和被專注于FPGA階段。
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