基于直流无刷电机的无线遥控机械手臂的策略研讨

基于直流无刷电机的无线遥控机械手臂的策略研讨摘 要：控制目标为实现以MXS128飞思卡尔单片机为核心，PC机辅助控制的机械手臂协调运动。采用经典的D-H模型法建立运动学数学模型【1】，将每个关节坐标系建立在手臂的每节连杆上，各连杆连接通过齐次变换矩阵联系。利用CAD进行图纸的设计，采用铝合金和POM材料作为制作材料。选用高精度直流无刷电机作为机械手臂的驱动，通过SI9979对电机进行控制，利用PC机作为控制信号发送端，配合无线遥控界面，通过串口无线发送数据来控制机械手的动作，实现机械臂的无线遥控。关键词：MXS128飞思卡尔单片机；CAD设计；SI9979驱动；无线遥控中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 16-0000-01随着机械手臂概念的广泛流行，机械人和机械手臂的研制也已然成为当下高新技术和科学邻域迅速发展起来的一门新兴技术。机械手臂可通过对单片机的编程加以控制来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点。在现代生产过程中，机械臂被广泛的运用于自动化生产线中。本文简要介绍基于直流无刷电机的机械手臂设计，并通过LabVIEW软件设计的无线控制平台实现对三台直流无刷电机的位置伺服和角度控制，从而实现整体机械手臂的无线遥控功能。一、机械手臂硬件设计（一）四自由度机械手臂系统自由度是指一个机构获得自由运动的程度，由运动机构的伸缩、升降、旋转等多种独立的运动方式所决定。自由度是机械手臂设计的重要参数依据，自由度越多，机械手臂的灵活性越大，通用性越广，同样结构也会越复杂【1】。本次设计的机械手臂具有4自由度，可实现多复合运动的叠加。（二）CAD设计与材料选择对机械手臂的设计分为三个阶段：第一阶段设计的是双边三关节的手臂，关节之间均用弓形部件连接，再利用螺丝加固，由底座和两个弓形手臂部分构成整个手臂的硬件。这样的设计虽然保证了机械结构的稳定性，但做成的手臂质量过大，不便于可移动性的扩展。在第二阶段，结合力学原理，考虑到单边手臂可以提供足够的支撑强度，后续采用单边手臂替换双边手臂以减轻整体手臂的重量。在第三阶段，考虑到后续手臂和舵机手爪的承重能力，在原有的转动基座上增加了两个L型紧固件以提供给手臂足够强度的支撑力。机械手臂的选材直接关系到手臂的载重能力和整体的可移动性。在设计的过程中，考虑到无刷电机和配带的减速器的自身重量及手臂的所需载重，选取了铝合金和POM材料作为手臂的制作材料，其中两个手臂的关节部分使用POM材料，旋转底盘使用铝合金材料制作。（三）直流无刷电机选型无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。由于有刷直流电动机无法解决机械换向的问题，使得控制系统整体的可靠性降低，导致其使用受到限制。无刷直流电机去除了机械接触电刷，很好地解决机械换向产生的问题。电机本体的电枢绕组为三相的星型连接绕组，电机的位置霍尔传感器与电机转子同轴，控制信号由外围控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生，信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的三相绕组按照一定的顺序进行工作【2】。在实际的生产和应用中，不同的无刷电机型号对应着不同的扭矩，下面是对机械手臂电机型号选择的整个计算过程：（四）SI9979驱动设计无刷电机的驱动需要输入20V到40V的直流电压，然后由换向器对输入的电压转换为三相电压后送入电机的线圈，来驱动电机的启动。换向器由上臂和下臂两个部分的6个功率晶体管组成，利用晶体管的开关性能来控制电机线圈的开启和闭合。利用PWM脉冲宽度调制对功率晶体管的开关频率加以控制，以实现换向器的换相功能。利用霍尔传感器实现对电机转速的闭环控制，同时作为相序控制的判断依据。SI9979为无刷电动机控制提供控制信号输入、相序控制、门驱动输出、过流保护电路等一系列的功能。具有以下特点：（1）霍尔传感器对输入信号进行处理；（2）60度及120度转向间隔可供选择；（3）集成逆变器高端驱动；（4）电流限制和欠电压保护。二、无线遥控设计实现整个无线遥控的控制流程利用PC机作为控制信号发送端，通过串口将数据无线传输到另一个串口上去，蓝牙在接收到PC机传来的数据后对数据进行处理，再转换为PWM的输入和使能及转向的输入来控制电机和舵机的旋转来改变机械臂转到的角度和手爪的抓取。同时，选用MPU6050传感器构成一个对机械手臂的闭环控制。该传感器整合了三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器，每个通道均有16位的ADC，能够同时捕获来自XYZ的信道的信号。利用MPU6050传感器实时测量人的手臂运动的偏转角度和机械臂旋转的角度，将测量到两者的角度值反馈给单片机，并在LabVIEW无线遥控图形界面上加以显示，比较目标转角和实际转角的差值，即将陀螺仪传感器上测得角度和电机的实时状态进行对比，再对电机的运动进行控制和修正，使角度值误差达到规定的误差允许范围，从而达到机械手臂预期的移动和抓取效果，以实现整个机械手臂的闭环控制。三、结束语综上所述，基于直流无刷电机的无线遥控机械手臂的设计涵盖了力学分析、机械构造、自动控制等多个学科领域的知识，作为在当代生产和生活中广泛应用的设备，可无线遥控的机械手臂具有很好的发展前景和应用前景，是未来智能控制的发展趋势。尽管在多个方面无线遥控机械手臂已经取得了重大的进展，但无论是实际问题还是研究方法都需要更加深入的研究。参考文献：【1】曾岩.自由度机械臂控制系统的设计与实现.厦门大学，2011.秦超，男，学士学位，研究方向：机械设计。