一种六自由度串联机械臂的研制

陈 浩，李腾飞，陈 锐

(1.北京航空航天大学 机器人研究所，北京 100191；2.重庆大学 机械工程学院，重庆 400044)

一种六自由度串联机械臂的研制

陈 浩1，李腾飞1，陈 锐2

(1.北京航空航天大学 机器人研究所，北京 100191；2.重庆大学 机械工程学院，重庆 400044)

设计了一款六自由度串联机械臂，并对其机械结构与控制系统进行了详尽的论述。机械臂采用关节式的结构，工作灵活，可达空间大；基于PMAC多轴运动控制器搭建了切实可行的运动控制方案，控制系统具有很好的实时性和可扩展性。实验结果表明研制出的机械臂各关节运转良好，控制系统稳定、可靠，达到了设计目标。

六自由度；机械臂；研制；PMAC

0 引言

机器人可以代替人在危险的场合工作，特别是在核电站发生事故的情况下，使用救援机器人实施救援是一项很重要的施救手段，救援机器人搭载的机械臂是其完成救援任务的关键。结合核电站救援机器人关键系统开发项目，本文设计了一款六自由度串联机械臂，设计的机械臂为功能验证样机，暂不考虑核辐射的影响。

1 机械臂本体结构的设计

核电站内部结构复杂，机械臂将执行旋拧阀门、打开/关闭开关、抓取物品、插拔开关等工作，特别是核电站内部管道很多，涉及很多旋拧阀门的工作，目前多数文献开发的救援机械臂为5个自由度且没有可以连续旋转的自由度，工作范围较小且不利于阀门的快速旋拧。本文开发的机械臂有6个自由度，并且有2个自由度可以连续旋转，6个自由度为非耦合的结构，末端可搭载多种操作手。

设计的六自由度机械臂采用关节型式，具有工作灵活和可达范围大等突出的优点[1-3]，其工作范围如下：第1轴(腰部)为0°～300°；第2轴(肩部)为0°～225°；第3轴(肘部)为0°～200°；第4轴(手腕转动)为连续旋转；第5轴(腕部俯仰)为0°～180°；第6轴(末端旋转)为连续旋转。

按照设计参数确定的机械臂传动方案如图1所示。6个自由度全部为旋转关节，1轴、2轴和3轴采用蜗轮蜗杆的形式，具有自锁功能[4]，可以在突发及断电情况下保持位置，从而保护机械臂；4轴、5轴和6轴为非耦合结构，各自由度的运动互不干涉，为后续的控制提供了很大的便利。6个自由度的驱动均采用Manxon直流伺服电机，它具有高精度和高可靠性，可作为机械臂的理想动力源，电机前部装配行星齿轮减速器，后部装配增量编码器。连续旋转自由度的实现可以使用滑环结构，用来解决有相对转动部件的电源以及信号的传输问题。机械臂本体结构示意图如图2所示。

图1 机械臂传动方案

图2 机械臂本体结构示意图

1.1 1轴、2轴和3轴的机械结构设计

由于1轴、2轴和3轴具有类似的结构，现以2轴为例进行结构设计，其结构示意图如图3所示。蜗轮与U型支撑件通过键连接固连，肩部关节运动时，蜗杆一方面绕着自身旋转轴旋转，另一方面带动相关部件绕着蜗轮轴轴线旋转，实现肩关节的旋转动作。由于蜗轮蜗杆的自锁，在断电及突发情况下，关节可保持原有姿态从而保护机械臂不受损坏。该方式相比于采用具有抱闸的电机而言，成本更低。由于蜗轮蜗杆中心距的精度对效率的影响很大[5]，因此设计了调整蜗轮蜗杆中心距的结构，蜗轮与机械臂本体固定，蜗杆轴的一端通过轴承与机械臂本体过盈装配，与蜗杆轴另一端装配的轴承与机械臂本体采用间隙配合，通过4个调整螺钉进行中心距的微调。微调结构可以保证蜗轮蜗杆具有准确的中心距，有效地提高工作效率。机械臂的腰部关节处留有安装孔，机械臂可以固定安装到地面、墙体或安装到移动平台上，其使用范围具有很好的可扩展性。

图3 肩部关节结构示意图

在1轴、2轴、3轴中，行星减速器的输出轴与蜗杆轴的键槽孔装配起来，从而将电机的动力输出给蜗杆。电机部分装配在机械臂的臂管内，不仅美观且节省了空间。

1.2 4轴、5轴和6轴的机械结构设计

4轴、5轴和6轴采用非耦合的传动，3个自由度之间的运动互不影响，为后续的机械臂的正、逆解的计算以及控制带来很大的便利[6-8]；此外，这种非耦合的传动方案，3个关节具有分段式的特点，只有一层轴承嵌套结构，很大程度上降低了对于加工精度的要求，结构上也相对简单，为机械臂的安装提供了便利。

4轴、5轴和6轴的结构示意图如图4所示。4自由度电机与4自由度电机安装套通过螺栓连接，4自由度电机安装套与机械臂小臂(图4中未示出)通过螺栓连接，联轴器与5自由度电机安装套通过螺栓连接，5自由度电机安装套通过轴承嵌套在机械臂的小臂内部，4自由度电机输出轴与联轴器采用键连接，联轴器与5自由度电机安装套采用键连接，机械臂的手腕部分与5自由度电机安装套采用螺钉连接的方式，从而使4自由度电机的动力可以传递到手腕部分，带动手腕前部的旋转。5自由度电机安装在相应的电机安装套中，5自由度电机的输出轴与锥齿轮1采用键连接，锥齿轮2与锥齿轮1为1∶1传动。6自由度关节的相应部件安装在6自由度电机安装套之上，6自由度电机安装套与锥齿轮2通过键连接固定，从而使5自由度电机的动力可以传递到手腕的前部，带动手腕前部的俯仰。

图4 4轴、5轴和6轴的结构示意图

1.3 连续旋转自由度走线的处理

为增强机械臂的工作能力，关节4与关节6可以实现连续旋转，为避免导线由于连续旋转而造成的拧断现象，使用了滑环结构。一对滑环结构由两片组成(称之为上片和下片)，一片具有滑道，一片具有触点，通过触点与滑道的摩擦接触传递信号[9]，本文采用的滑环可以通过低于10 A的电流。机械臂共有3处采用滑环结构，其14路滑环结构如图5所示。其中，夹持器的控制线需要滑环过渡，预留了6路信号；6自由度电机与夹持器的控制线需要滑环过渡，预留了14路信号；5自由度电机的控制线需要滑环过渡，预留了5路信号。

图5 14路滑环结构图

2 控制系统设计

机械臂控制系统结构框图如图6所示。上位机采用PC机或工控机，下位机采用美国Delta Tau公司PMAC多轴运动控制器，其本质上是一台基于Motorola DSP芯片、具有独立内存、独立运算操作能力、实时的、多任务的计算机，满足作为机械臂运动控制器的要求[10]。PMAC卡与PC机通过网卡通讯，PC端上运行系统控制软件，PMAC卡接收上位机指令进行相关算法的运算，最终输出控制信号给驱动器，驱动器驱动电机运动，电机编码器的反馈信号回馈给PMAC卡，形成闭环回路。PMAC卡将电机位置信息反馈给PC端，在PC端上显示。

图6 机械臂控制系统结构框图

机械臂预计搭配的三指灵巧手有独立的控制模块，三指灵巧手直接与其控制模块通讯，控制模块与PC机通讯，PC机端运行三指灵巧手的控制程序。

3 实验验证

对机械臂本体及控制系统进行了搭建，如图7所示。记初始位置为0°，在PC端输入各轴的运动指令，即相应的工作范围角度，控制各关节运动到极限位置。共进行3次实验，3次实验数据见表1。

实验结果表明：各轴的运动范围均可以达到设计的要求，特别是第4轴与第6轴分别从初始位置正转10圈并反转10圈，运转良好，信号稳定、连续传递；编码器实际脉冲数与编码器指令脉冲数的误差很小，最大误差为0.09%，可以认为满足工程需要。

表1 机械臂工作范围验证数据

图7 六自由度串联机械臂

4 结语

本文设计的六自由度机械臂的实验结果表明：传动方案合理可行，蜗轮蜗杆机构的自锁功能方便实用，蜗轮蜗杆中心距调整结构的设计明显提高了其传递效率；4轴、5轴、6轴采用的非耦合方案降低了对加工精度的要求，更为重要的是给机械臂后续控制带来了很大的便利；滑环结构的使用可以稳定地传递控制及动力信号；基于PMAC多轴运动控制卡的控制系统具有良好的实时性与可扩展性，很好地满足了机械臂的控制要求。

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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

国家973计划资助项目(2012GB102006)

2015- 01- 09；

2015- 10- 08

陈浩(1989-)，男，陕西榆林人，在读硕士研究生，主要研究方向：机器人技术。

TP24

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