多關(guān)節機械手臂振動(dòng)分析及檢測方法

　　關(guān)節式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動(dòng)形式。它像人手一樣有肘關(guān)節，可實(shí)現多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄空間工作。早在20世紀40年代，關(guān)節式機械手就在原子能工業(yè)中得到應用，隨后又應用于開(kāi)發(fā)海洋，有一定的發(fā)展前途。

　　摘要：本文以多關(guān)節機械手臂為例首先分析其運動(dòng)規律，構建了耦合動(dòng)力學(xué)模型并以此為基礎將機械手臂作為一個(gè)系統推導出其固有頻率表達式，分析與固有頻率相關(guān)參數。其次，提出使用反饋方法來(lái)檢測手臂關(guān)節電機處的振幅和頻率，設計了硬件檢測電路原理圖。最后，繪制實(shí)際振幅波形圖，分析振動(dòng)規律，為下一步如何消除或者抑制振動(dòng)奠定基礎。

　　關(guān)鍵詞：多關(guān)節機械手;動(dòng)態(tài)特性;振動(dòng)

　　引言

　　隨著(zhù)智能裝備的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)機械手臂的使用，機械手臂不僅效率高，而且國產(chǎn)化的不斷發(fā)展也使其成本在逐步降低。但是機械手臂的振動(dòng)問(wèn)題一直以來(lái)沒(méi)有很好的解決，當機械手臂在某時(shí)刻的固有頻率和激勵源頻率相同或相近時(shí)，手臂的振動(dòng)不斷放大，嚴重影響機械手的定位。

　　一、機械手臂模型分析

　　如圖1所示為機械手臂簡(jiǎn)化圖，機械手由三條手臂構成，分別為臂1、臂2、臂3，每個(gè)手臂之間通過(guò)電機轉動(dòng)連接，臂1為最末端關(guān)節，上面安裝手爪來(lái)抓取物品。

　　通常對多關(guān)節機械手臂的抑制方法有以下幾種：結構優(yōu)化設計、反饋控制、輸入指令等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉延杰在《硅片傳輸機器人手臂結構優(yōu)化設計方法》(機械工程學(xué)報)對機構優(yōu)化設計有較深入的研究。本文著(zhù)重從反饋控制研究對機械手臂振動(dòng)的方法。

　　J為轉動(dòng)慣量矩陣，τ為廣義力矩矢量。

　　二、動(dòng)態(tài)特性分析

　　將整個(gè)機械手臂作為一個(gè)整體系統研究，固有頻率為系統的固有屬性，對多關(guān)節機械手臂的動(dòng)力學(xué)模型分析并根據公式1，得出固有頻率公式：

　　ω為系統的固有頻率，A為模態(tài)振動(dòng)矢量。由于機械手臂在運動(dòng)中的位置始終變化，其質(zhì)量矩陣為時(shí)變矩陣，所以系統的固有頻率隨機械手臂的位置變化而變化，其值非定值。

　　三、機械手臂振動(dòng)檢測

　　(1)檢測硬件原理圖

　　使用msp430系列單片機相應速度快，處理能力強，性?xún)r(jià)比高，故選擇型號2553作為核心處理芯片，以壓力傳感器作為振幅檢測元件，構建硬件檢測電路，系統原理圖如圖2所示，傳感器的檢測數據通過(guò)AD574轉換為數字量傳輸給單片機處理，單片機對數據濾波及分析后將結果傳輸給上位機。

　　(2)檢測結果

　　振幅傳感器安裝在關(guān)節處的電機上，構成半閉環(huán)控制方式。通過(guò)實(shí)驗得到振動(dòng)數據，通過(guò)數據繪制其時(shí)域振動(dòng)波形圖。

　　通過(guò)檢測振幅的變化來(lái)調整機械手的運動(dòng)規律，使其振動(dòng)避開(kāi)固有頻率，保證機械手安全運行。

　　四、結語(yǔ)

　　以多關(guān)節機械手臂為模型，建立動(dòng)力學(xué)公式，進(jìn)一步求出系統固有頻率表達式。利用MSP430單片機及振幅傳感器為核心元件構建硬件檢測電路，測得關(guān)節處電極的振動(dòng)規律并將振動(dòng)數據傳輸給上位機控制中心，為下一步的抑制振動(dòng)奠定基礎。

　　參考文獻：

　　[1]趙童.結構振動(dòng)的時(shí)滯魯棒控制及其實(shí)驗研究[D].上海，2014.

　　[2]李茂濤.驅動(dòng)力矩受限下雙臂空間機器人軌跡跟蹤控制[J].力學(xué)與實(shí)踐，2014(06).

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