一種高負載自重比輕型機械臂的研究

陸志國，鄒 冀，劉作濤，李紅建，劉文顥

（東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽 110004）

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一種高負載自重比輕型機械臂的研究

陸志國，鄒 冀，劉作濤，李紅建，劉文顥

（東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽 110004）

摘 要：針對現(xiàn)有輕型機械臂負載自重比較小的問題，提出了將微型液壓系統(tǒng)作為輕型機械臂直接驅(qū)動源的方案。設(shè)計了液壓驅(qū)動輕型機械臂的機械結(jié)構(gòu)，利用Arduino平臺搭建了控制系統(tǒng)，提出了控制方法，并進行了實驗。實驗結(jié)果表明：應用微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)的輕型機械臂負載自重比高，定位準確。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人技術(shù)；輕型機械臂；微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)；負載自重比；性能測試；控制

E－mail：zglu＠m(xù)e．neu．edu．cn

陸志國，鄒 冀，劉作濤，等．一種高負載自重比輕型機械臂的研究［J］．河北工業(yè)科技，2016，33（2）：146－150．

LU Zhiguo，ZOU Ji，LIU Zuotao，et al．Study of light weight manipulator with high load／weight ratio［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：146－150．

在傳統(tǒng)的焊接、噴涂和搬運等工業(yè)自動化生產(chǎn)線上，工業(yè)機器人占據(jù)主導地位，但隨著科技的發(fā)展和社會的進步，機器人應用領(lǐng)域在不斷擴大，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人在很多情況下已經(jīng)不能完全勝任它們的工作了，從而輕型機械臂應運而生［1］。輕型機械臂除了需要高精度的位置控制外，還需要其對未知工作環(huán)境具有柔順性，即當機器人與未知環(huán)境相接觸時，不至于對機器人本身和操作對象造成損傷。德國宇航中心（DLR）的機器人專家HIRZINGER等［2］指出：“輕型機械臂是為了便于靈活移動，與預先未知的環(huán)境、人發(fā)生交互作用而特意設(shè)計的。這種應用往往要求較高的負載／自重比。”當前，輕型機械臂大多采用電機驅(qū)動［3］，需在機械臂上安裝電機，這種結(jié)構(gòu)剛性較大，用于與人交互的服務(wù)型機械臂容易對人造成傷害，而且電機及其附屬機構(gòu)具有較大的自重，增加了機械臂的額外負擔［4］，減弱了機械臂的有效承載能力，降低了負載自重比。與電機驅(qū)動系統(tǒng)相比，液壓系統(tǒng)的壓力取決于負載，這一方面可以提高機械臂的柔順性，另一方面可提供更大的驅(qū)動力［5］，增強機械臂的有效承載能力。目前液壓控制技術(shù)已經(jīng)在諸如冶金、機械等工業(yè)部門，飛機、船舶等交通部門，航空航天技術(shù)，海洋技術(shù)，近代科學實驗裝置及武器控制等［6］得到廣泛應用，但是，現(xiàn)有的大型液壓系統(tǒng)通常用于重型機械，且需要很多復雜設(shè)備作為輔助［7］。微型液壓系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、體積小、可提供較大的驅(qū)動力等優(yōu)點［8］。為了增強機器人的動態(tài)特性、負載能力和環(huán)境適應能力，液壓驅(qū)動方式引起了機器人研究者的興趣［9］。因此，本文提出采用微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)作為輕型機械臂驅(qū)動系統(tǒng)的方案，可以滿足輕型機械臂在有效承載力、安全、定位等方面的要求。

1 機械結(jié)構(gòu)

實驗用機械臂為微型液壓系統(tǒng)驅(qū)動的機械臂。機械結(jié)構(gòu)主要由大臂、小臂、驅(qū)動系統(tǒng)等部件構(gòu)成。小臂通過肘關(guān)節(jié)與大臂相連，大臂通過肩關(guān)節(jié)固定在底盤上。實驗用機械臂結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。該機械臂大臂與水平方向夾角為10°～90°，小臂與大臂的夾角為30°～150°。

圖1　機械臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Sketch map of the manipulator

2 驅(qū)動系統(tǒng)

2．1 驅(qū)動系統(tǒng)的組成

如圖2所示，實驗用驅(qū)動系統(tǒng)為微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)，由液壓缸、溢流閥、電磁式三位四通換向閥、油箱及齒輪泵組成。具體結(jié)構(gòu)為兩個液壓缸分別通過換向閥與兩個齒輪泵相連，再與油箱相連，然后再分別分出一個支路連接溢流閥。齒輪泵將液壓油壓入換向閥，換向閥不同的位置可以改變油路，使相應的液壓缸伸長或縮短，從而使液壓缸推拉機械臂實現(xiàn)俯仰動作。該換向閥為M型中位機能，換向閥處于中位時，液壓泵卸荷，液壓缸可以在任意位置停止。溢流閥的作用是：當負載突然增大時，普通機械臂會卡死，甚至損壞，但在微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)中液壓油會通過溢流閥流回油箱，保護機械臂和人員的安全。現(xiàn)有的類似驅(qū)動系統(tǒng)中，有的除了主泵外還需添加輔助泵、高速開關(guān)閥等復雜的輔助機構(gòu)［10］。與之相比，實驗用微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高。

圖2　驅(qū)動系統(tǒng)組成Fig．2 Composition of the driving system

2．2 液壓缸的選用

1）大臂液壓缸

設(shè)大臂在下極限位置時大臂液壓缸的長度為lmin，在上極限位置時大臂液壓缸的長度為lmax。由圖3可知：

圖3　大臂的極限位置Fig．3 Limit of the big arm

由式（7）可知，為保證大臂的活動范圍，大臂液壓缸的行程至少應為147mm，故取大臂液壓缸的行程為150mm。

2）小臂液壓缸

設(shè)小臂在下極限位置時小臂液壓缸的長度為Lmin，在上極限位置時小臂液壓缸的長度為Lmax。由圖4可知：

圖4　小臂的極限位置Fig．4 Limit of the small arm

由式（13）可知，為保證小臂的活動范圍，小臂液壓缸的行程至少應為209mm，故取小臂液壓缸的行程為210mm。

3）液壓缸特性方程

若輸入液壓缸的油量為q，液壓缸進出口壓力分別為p1和p2，A1為無桿腔的有效工作面積；A2為有桿腔的有效工作面積。油液從工作端（無桿腔端）輸入，其活塞所產(chǎn)生的推力F和速度v為

2．3 齒輪泵工作原理

外嚙合齒輪泵作為液壓傳動中最常用的動力源之一，長期以來應用相當廣泛［11］，裝在泵體中的一對參數(shù)相同的漸開線齒輪互相嚙合，當傳動軸帶動齒輪旋轉(zhuǎn)時，泵的吸油腔的輪齒逐漸退出嚙合，使吸油腔容積增大而吸油。泵的壓油腔的輪齒逐漸進入嚙合，使壓油腔容積減小，將油液壓出。

3 控制方法

實驗用機械臂的控制系統(tǒng)由控制手柄，控制器，反饋器，Arduino uno及電機控制器組成。Arduino是一塊基于開放原始代碼的Simple I／O平臺。該平臺由2部分組成：硬件（包括微處理器、電路板等）和軟件（編程接口和語言）［12］，它的主控板采用AVR單片機［13］。控制器與反饋器均為B100K電位器。控制器裝在控制手柄的大臂與小臂關(guān)節(jié)處，改變控制手柄的姿態(tài)，即可改變輸入角度。反饋電位器裝在機械臂的大臂與小臂關(guān)節(jié)處，機械臂的不同姿態(tài)對應不同的輸出角度。根據(jù)輸入角度與輸出角度，單片機通過電機控制器控制齒輪泵的電機使齒輪泵轉(zhuǎn)動，從而使機械臂完成俯仰動作，直至機械臂姿態(tài)與控制手柄姿態(tài)吻合，機械臂停止動作。機械臂控制流程如圖5所示。

圖5　機械臂控制流程圖Fig．5 Flow chart of the control of the manipulator

4 實驗過程

4．1 實驗方法

實驗時，負載位于機械臂末端，采用向容器中加水的方式來改變負載，控制機械臂的Arduino uno與上位機間利用串口進行通信，將控制手柄的輸入角度、反饋電位計的反饋角度實時上傳到上位機，上位機同時保存該數(shù)據(jù)。

4．2 機械臂的極限載荷

經(jīng)實驗測得，實驗用機械臂的極限載荷可達5．1kg，包括齒輪泵及油箱在內(nèi)的機械臂自重為4．8kg，負載自重比可達1．06［14］，遠遠大于相關(guān)參考文獻中機械臂的負載自重比，如表1所示。

表1　負載自重比對照表Tab．1 Contrast of load／weight ratio

4．3 機械臂的動作速度與定位性能

為進一步檢測實驗用機械臂的動作速度與定位性能而進行實驗，實驗分別研究了機械臂在半極限載荷和極限載荷2種情況下的運動。

如圖6所示，半極限載荷時，設(shè)定小臂目標輸入角度為相對于大臂120°，大臂目標輸入角度為相對于水平方向85°。在最初狀態(tài)，小臂的輸出角度為相對于大臂80°，大臂的輸出角度為相對于水平方向45°。從目標輸入角度輸入單片機到目標位置的達到，實現(xiàn)時間為8s。動作結(jié)束后，小臂的輸出角度為相對于大臂120°，大臂的輸出角度為相對于水平方向84．5°，與目標輸入角度基本一致。實驗結(jié)果如圖7所示。

圖6　半極限載荷動作過程Fig．6 Action process of the manipulator with half of limit load

圖7　半極限載荷實驗結(jié)果Fig．7 Experimental results of the manipulator with half of limit load

圖8所示為機械臂的負載為極限載荷時的動作過程。從目標輸入角度輸入單片機到目標位置的達到，實現(xiàn)時間為10s，大小臂的最終角度與目標輸入角度基本一致，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖8　極限載荷動作過程Fig．8 Action process of the manipulator with limit load

圖9　極限載荷實驗結(jié)果Fig．9 Experimental results data graph of the manipulator with limit load

實驗結(jié)果表明，在半極限和極限載荷2種情況下，機械臂均可達到預定位置，定位較為準確。

5 結(jié) 語

針對現(xiàn)有輕型機械臂負載自重比較小的問題，提出采用微型直驅(qū)式液壓系統(tǒng)作為輕型機械臂驅(qū)動系統(tǒng)的方案。實驗結(jié)果表明，實驗用機械臂的末端載荷可達5．1kg，機械臂自重4．8kg，負載自重比為1．06，大于多數(shù)現(xiàn)有的機械臂，定位較準確，動作速度較快。

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Study of light weight manipulator with high load／weight ratio

LU Zhiguo，ZOU Ji，LIU Zuotao，LI Hongjian，LIU Wenhao
（Department of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang，Liaoning 110004，China）

Abstract：Aiming at the problem that existing light mechanical arms are usually with low load／weight ratio，aplan that using the direct－driving hydraulic system as the driving system of the light mechanical arm is proposed．According to the plan the mechanical structure is designed，the control system is constructed with Arduino，the control method is put forward，and the experiment is carried out．The experimental results show that the load／weight ratio of the light mechanical arm with mini direct－driving hydraulic system is high，and the positioning accuracy is in good condition．

Keywords：industrial robot technology；light weight manipulator；mini direct－driving hydraulic system；load／weight ratio；performance test；control

作者簡介：陸志國（1982—）男，遼寧義縣人，講師，博士，主要從事欠驅(qū)動自適應式機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、多運動模式仿人機器人運動控制、多點接觸閉合運動鏈內(nèi)力最優(yōu)分配方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金（51505069）；教育部青年教師科研創(chuàng)新基金（N120403016）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目（N140304008）；遼寧省科技計劃項目（2015020150）；沈陽市科技計劃項目（F15－123－9－00）

收稿日期：2015－12－12；修回日期：2016－01－11；責任編輯：馮 民

文章編號：1008－1534（2016）02－0146－05

中圖分類號：TP241

文獻標志碼：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02009