单自由度柔性臂的实验平台的制作方法

本发明属于实验验证平台
技术领域：
，涉及单自由度柔性机械臂的实验方向，具体涉及一种单自由度柔性臂的实验平台。
背景技术：
：柔性机械臂的柔性主要来自于杆的弹性变形和关节弹性变形两个方面。不论是连杆还是关节的变形都会给机械臂的末端带来静态和动态的形变，存在一定的误差。当机械臂在负载情况下和本身自重一起使得机械臂的各个连杆与关节出现形变，并且这些形变会逐步累加，最终集中到机械臂的末端形成末端位置误差这种静态的变形误差在串联机器臂中表现更为明显。连杆和关节变形导致的震荡给机械臂的动态性能带来影响，形成动态变形误差。由此可见，连杆与关节引起的形变给机械臂的控制精度和动态性能带来了很大影响。连杆产生的形变主要是由于机械臂系统结构的刚度较低导致。连杆的动能与势能相互作用形成了连杆的柔性。尤其是连杆越长，柔性越为明显。连杆的拉伸、弯曲和扭曲导致的机械臂柔性主要表现为震动和弯曲形变，从而增加了机械臂的控制难度。技术实现要素：根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种单自由度柔性臂的实验平台，通过在基座上安排关节和手臂构成机械臂，在关节外设置了驱动器和信号发生器，解决了柔性臂的不同工况所需的驱动力。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种单自由度柔性臂的实验平台，所述单自由度柔性臂的实验平台包括基座、关节和手臂，基座安装在底部，关节和手臂相连组成机械臂，关节位于基座上方，关节内设有步进电机，关节外设有驱动器和信号发生器，信号发生器连接驱动器，驱动器连接步进步进电机，关节末端连接柔性臂进行实验。上述装置中，所述实验平台还包括内轴、轴承、键、外接轴、轴承端盖、第一螺栓、垫片、第二螺栓和连杆，步进电机通过第二螺栓固定在基座上，步进电机的输出轴用键结构连接外接轴，外接轴与内轴配合，通过第一螺栓连接固定，内轴的外圈与基座的内圈用来与轴承配合，轴承端盖与基座连接，外接轴通过垫片与基座的定位孔相连，连杆连接于外接轴上，连杆是柔性臂。所述连杆是可更换的实验连杆。驱动器内设有步进电机驱动电路。本发明有益效果是:本发明提供一种单自由度柔性臂的实验平台，在基座上安装关节和手臂构成机械臂，设置驱动装置和信号发生器，可模拟多种工况来进行实验研究，可通过调节驱动装置来模拟机械臂在实际工作中的驱动情况，并且可在外接轴上快速更换不同规格和大小的建议柔性臂，装置结构简单易于改进。附图说明下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：图1是本发明的具体实施方式的单自由度柔性机械臂的构型图。图2是本发明的具体实施方式的单自由度柔性机械臂的结构示意图。图3是本发明的具体实施方式的实验平台驱动原理图。图4是本发明的具体实施方式的驱动电路示意图。图中：1-步进电机，2-基座，3-内轴，4-轴承，5-键，6-外接轴，7-轴承端盖，8-第一螺栓，9-垫片，10-第二螺栓，11-连杆。具体实施方式下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。如图1-4所示，一种单自由度柔性臂的实验平台，包括基座2、关节和手臂，基座2安装在底部，关节和手臂相连组成机械臂，关节位于基座上方，关节内设有步进电机1，关节外设有驱动器和信号发生器，信号发生器连接驱动器，驱动器连接步进电机1，关节末端连接柔性臂进行实验。实验平台还包括内轴3、轴承、键5、外接轴6、轴承端盖7、第一螺栓8、垫片9、第二螺栓10和连杆11，步进电机1通过第二螺栓10固定在基座2上，步进电机1的输出轴用键5结构连接外接轴6，外接轴6与内轴3配合，通过第一螺栓8连接固定，内轴3的外圈与基座2的内圈用来与轴承4配合，轴承端盖7与基座2连接，外接轴6通过垫片9与基座2的定位孔相连，连杆11连接于外接轴6上，连杆11是柔性臂，连杆是可更换的实验连杆，替换柔性臂，驱动器内设有步进电机驱动电路，驱动步进电机运转。驱动电路中，555芯片组成的定时电路连接74LS1618计数器，74LS1618连接两个并联的74LS138译码器，两个并联的74LS138译码器连接有一个选择开关S1，74LS138译码器连接多个并联的按键开关，每个按键开关连接有74LS08晶体管，晶体管连接了MOS管，MOS管的漏极连接串联的电阻、电感和二极管。本发明属于实验验平台，为单自由度转动关节。单自由度机械臂中，基座主要是对机械臂起到支撑与固定的作用；关节位于基座上方，主要包含步进电机、驱动器等驱动和传动装置，给手臂运动提供动能；手臂与关节相连，通过步进电机驱动转动关节将末端执行器(即连杆11)运送到指定位置。步进电机作为柔性关节机械臂的驱动系统，为机械臂杆提供动力来源，因此对步进电机的选择很重要，步进电机功率过大或者过小都不合适。首先需要考虑关节所受到的最大力矩以及关节转动的最大角速度，从而计算出步进电机所需的功率。为了估算关节需要的力矩，假设关节和连杆的重量分别集中于关节和连杆的中心，下面对关节的转矩、功率等进行计算。由于关节受到臂杆重力与末端执行器(负载)所产生的重力矩以及加速度扭矩。关节转矩的计算过程如下所示，其中L＝0.2m为关节到机械臂质心的距离。T＝(0.4+2.5)×10×0.2×1.2＝6.96(N·M)由于关节转矩的计算过程没有考虑动力学部分，而且关节和机械臂杆的质心位置和重量的估计存在一定的误差，因此在实际选型时的转矩应该比算出的力矩大20％左右。要求关节的转速是30度/秒，即根据功率＝转矩×角速度，可得P1＝T1×n1＝3.64W在这里，选用步进电机，为了能够稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的30％～50％。这里取30％，可以得到所需步进电机最大静转矩为P＝6.96/0.3＝23.2N·m选用广州坪川机电设备有限公司提供的130BYG350DH-0602型步进电机，并选用与此步进电机适配的SH-32206步进驱动器。步进电机具体的参数数据如下表1所示。表1：一般将步进电机与自由机构直接连接，步进电机能够提供所需范围的任何驱动力，所以其结构能够满足特定实验，从而满足机械臂的运动。整体的单连杆机械臂系统是由计算机控制驱动器，然后驱动步进电机作为机械臂关节的驱动系统，选用的柔性机械臂为长薄板结构，以保证结构的柔性。以碳纤维材料的长薄板代替柔性机械臂为实验对象。通过对该薄板振动测量和抑制分析以验证基于PZT传感器与驱动器控制策略的有效性。柔性连杆参数如下表2所示。表2：序列参数单位数值1长(L)mm4002宽(Wb)mm403高(hb)mm1.24密度(ρ)kg/m31700上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。当前第1页1 2 3