基于Simulink的復合驅動機器人關節(jié)臂試驗系統(tǒng)仿真分析

1 引言
目前,機器人關節(jié)臂的動力源主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機或液壓系統(tǒng)。在要求驅動系統(tǒng)機械結構較小的前提下,純電機系統(tǒng)的定位精度較高,但相對液壓系統(tǒng)驅動能力小,一般只在輕載荷的環(huán)境下應用;而液壓系統(tǒng)驅動能力大,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,為獲得驅動重載、精確定位的能力,不得不使用大體積的伺服電機來驅動機械臂,造成機器人的體積過大,因此應用較少,較小體積的重載機器人亟待研究開發(fā)。本文介紹了一種較小體積的重載復合驅動機器人關節(jié)臂試驗系統(tǒng)的設計,并對其進行了數(shù)學建模與仿真研究。

2 復合驅動機器人關節(jié)臂的結構與工作原理
復合驅動機器人關節(jié)臂試驗系統(tǒng)主要由電機伺服系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)組成,其結構如圖1所示。電機伺服系統(tǒng)主要承擔機器人關節(jié)臂的主動運動與精確定位,液壓伺服系統(tǒng)主要承擔機器人關節(jié)臂動態(tài)響應的輔助運動,它是一個扭矩和位移復合隨動系統(tǒng)。用液壓驅動系統(tǒng)的驅動能力強的優(yōu)點來彌補電機承載能力較小的缺點,結合兩者的優(yōu)點,克服機器人關節(jié)臂驅動系統(tǒng)出力不足的技術難題。

執(zhí)行機構采用鉸鏈式關節(jié)型機構,因只考慮對關節(jié)臂的一個關節(jié)的控制,所以電機伺服系統(tǒng)采用步進電機作為驅動裝置,通過聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連,扭矩傳感器作為信號的監(jiān)測與反饋元件,扭矩傳感器再通過聯(lián)軸器與機械臂的傳動軸相連,機械臂傳動軸的另一側通過聯(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(tǒng)的驅動裝置,總體上采用單片機控制器協(xié)調液壓伺服系統(tǒng)配合電機伺服系統(tǒng)工作,協(xié)調過程如下所述。
1) 電機伺服系統(tǒng)控制
由單片機控制器向電機伺服系統(tǒng)發(fā)出運動指令,驅動控制步進電機按照脈沖指令轉動相應的轉角,以此驅動機械臂動作。運動指令的脈沖個數(shù)對應步進電機的轉動角位移,運動指令脈沖的頻率對應步進電機的轉動角速度,運動指令的方向(正/負向)對應步進電機的轉動方向。
2) 液壓伺服系統(tǒng)控制

液壓伺服系統(tǒng)工作原理如圖2所示。扭矩傳感器檢測到步進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(jù)接收到的反饋信號向液壓伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號。控制邏輯如下: