一种带运动控制器的小型高精度串联机械臂的制作方法

本实用新型涉及机械臂技术领域，具体为一种带运动控制器的小型高精度串联机械臂。

背景技术：

机械臂是一个多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性,已在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用。

串联机械臂是机械臂的一种。串联机械臂的精度取决于许多因素的交互影响，串联机械臂组成构件的尺寸误差、装配误差、运动部件间隙、运动轴线的歪斜、构件受力后产生的弹性变形、温度变化后所产生的热变形、摩擦磨损等原始误差，以及在实际操作过程中机械臂负载变化带来的尺寸延展变化等因素，都可能对串联机械臂造成几何偏差和运动偏差，从而影响串联机械臂的运动精度。由于产生的误差原因复杂，目前的运动控制器，尤其是小型、低成本运动控制器大多满足不了机械臂的精度要求。

部分带有高精度控制器的机械臂大都存在体积庞大、能耗高、算法复杂、开发难度大、成本居高不下的特点，对机械臂的民用化普及产生了阻碍。同时，能够达到相应精度的控制器除了上述对控制器本身的要求高以外，对机械臂的刚度也有更高的要求，这就使得要满足高精度要求，机械臂本身成本也居高不下。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种带运动控制器的小型高精度串联机械臂，采用控制器对机械臂进行控制，具有低成本、精度高、体积小且应用范围广、对机械臂本身刚度的依赖小的优点，解决了现有机械臂精度低、体积大的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种带运动控制器的小型高精度串联机械臂，包括包括机械结构和运动控制器，所述运动控制器包括：

轨迹计算器，用于接收机械结构的关节信息、位姿信息，并采用空间直线、圆弧等基本元素对机械臂在笛卡尔空间的运动轨迹进行规划，并根据任务空间的运动轨迹，将其转换至机械臂的关节空间，并通过逆运动学计算获取运动轨迹对应的关节空间内各关节位置相对时间的序列值；

上级微控制器，包括嵌入式微处理器，用于负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划、主控逻辑、数字I/O和传感器信息处理等；

下级微控制器，包括嵌入式微处理器，用于轨迹插补计算、运动伺服控制；

运动补偿控制器，用于接收上级微控制器传来的规划后轨迹点位图，和下级微控制器传来的补差数据，然后采用实时预测补偿控制方法，将关节位置期望输入信号和跟踪位姿误差预测估计来控制变量补偿量，作为控制系统的参考输入，优化关节位置闭环控制系统，对机械臂末端执行器的位姿误差进行补偿，减小由连杆参数几何误差造成的积累误差；

主动式动态平衡控制器，包括力矩传感器、平衡机构，用于接受来自运动补偿控制器的补偿信号，采用力矩传感器测量机械臂在运动过程中产生的振动力矩，根据检测的振动力矩信号驱动平衡机构工作，验证该机构的动态性能以及其主动消振性能；

驱动单元，包括伺服电机，用于接受主动式动态平衡控制器的位姿信息），并驱动机械臂正常工作，所述伺服电机设置在各个轴的连接位置，

所述机械结构包括第1轴、第2轴、第3轴、第4轴、第5轴、第6轴、联轴器、锥齿器1、锥齿器2、6路滑环、三指灵巧手、14路滑环、5路滑环、五自由度电机安全套，所述第1轴与第2轴连接，第2轴与第3轴连接，第3轴与第4轴连接，第4轴与第5轴连接，第5轴与第6轴连接，第6轴与三指灵巧手连接；所述联轴器与五自由度电机安全套通过螺栓连接。

优选的，所述第１轴旋转角度为0°～300°；第２轴旋转角度为０°～255°；第３轴旋转角度为０°～200°；第４轴旋转角度为360°；第５轴旋转角度为０°～180° ；第６轴旋转角度为360°。

优选的，所述第1轴、第2轴、第3轴采用蜗轮蜗杆的方式连接。

优选的，所述第4轴、第5轴、第6轴为非耦合结构。

优选的，所述锥齿器1与锥齿器2的传动比为1:1。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型具有结构简单、使用方便、维护方便、成本低廉的优点；

2、本实用新型设置有控制器，具有如下优点：采用机械臂控制变量补偿方法，具有简单、易操作、实时性强的优点，能通过主动动态平衡机构抵消机械臂承受的振动力或振动力矩；

3、本实用新型第1轴、第2轴、第3轴采用蜗轮蜗杆的方式连接。具有自锁功能，可以在突发及断电情况下保持位置，从而保护机械臂。

附图说明

图1为本实用新型运动控制器结构示意图；

图2为本实用新型运动机械结构结构示意图；

图3为第４轴、第５轴和第６轴的结构示意图；

图中：1-机械结构；2-运动控制器；3-轨迹计算器；4-上级微控制器；5-下级微控制器；6-运动补偿控制器；7-主动式动态平衡控制器；8-驱动单元；9-第1轴；10-第2轴；11-第3轴；12-第4轴；13-第5轴；14-第6轴；15-联轴器；16-锥齿器1；17-6路滑环；18-三指灵巧手；19-锥齿器2；20-14路滑环；21-5路滑环；22-五自由度电机安全套。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1～图3，本实用新型提供的一种实施例：一种带运动控制器的小型高精度串联机械臂，包括包括机械结构1和运动控制器2，所述运动控制器2包括：

轨迹计算器3，用于接收机械结构1的关节信息、位姿信息，并采用空间直线、圆弧等基本元素对机械臂在笛卡尔空间的运动轨迹进行规划，并根据任务空间的运动轨迹，将其转换至机械臂的关节空间，并通过逆运动学计算获取运动轨迹对应的关节空间内各关节位置相对时间的序列值；

上级微控制器4，包括嵌入式微处理器，用于负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划、主控逻辑、数字I/O和传感器信息处理等；

下级微控制器5，包括嵌入式微处理器，用于轨迹插补计算、运动伺服控制；

运动补偿控制器6，用于接收上级微控制器4传来的规划后轨迹点位图，和下级微控制器5传来的补差数据，然后采用实时预测补偿控制方法，将关节位置期望输入信号和跟踪位姿误差预测估计来控制变量补偿量，作为控制系统的参考输入，优化关节位置闭环控制系统，对机械臂末端执行器的位姿误差进行补偿，减小由连杆参数几何误差造成的积累误差；

主动式动态平衡控制器7，包括力矩传感器、平衡机构，用于接受来自运动补偿控制器6的补偿信号，采用力矩传感器测量机械臂在运动过程中产生的振动力矩，根据检测的振动力矩信号驱动平衡机构工作，验证该机构的动态性能以及其主动消振性能；

驱动单元8，包括伺服电机，用于接受主动式动态平衡控制器7的位姿信息，并驱动机械臂正常工作，所述伺服电机设置在各个轴的连接位置，

所述机械结构1包括第1轴9、第2轴10、第3轴11、第4轴12、第5轴13、第6轴14、联轴器15、锥齿器116、锥齿器219、6路滑环17、三指灵巧手18、14路滑环20、5路滑环21、五自由度电机安全套22，所述第1轴9与第2轴10连接，第2轴10与第3轴11连接，第3轴11与第4轴12连接，第4轴12与第5轴13连接，第5轴13与第6轴14连接，第6轴14与三指灵巧手18连接；所述联轴器15与五自由度电机安全套22通过螺栓连接。

所述第１轴旋转角度为0°～300°；第２轴旋转角度为０°～255°；第３轴旋转角度为０°～200°；第４轴旋转角度为360°；第５轴旋转角度为０°～180° ；第６轴旋转角度为360°。具有工作灵活和可达范围大等突出的优点。

所述第1轴9、第2轴10、第3轴11采用蜗轮蜗杆的方式连接。

所述第4轴12、第5轴13、第6轴14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。具有自锁功能，可以在突发及断电情况下保持位置，从而保护机械臂。

所述锥齿器116与锥齿器219的传动比为1:1。

工作原理：本实用新型设置有第1轴9、第2轴10、第3轴11、第4轴12、第5轴13、第6轴14，具有６个自由度，并且有２个自由度可以连续旋转。６个自由度的驱动均采用伺服电机。运动控制器2起到控制机械臂的作用。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。