基於Simulink的複合驅動機器人關節臂試驗系統模擬分析*

   時間:2014-03-11 23:33:11
基於Simulink的複合驅動機器人關節臂試驗系統模擬分析*簡介
     1 引言目前,機器人關節臂的動力源主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機或液壓系統。在要求驅動系統機械結構較小的前提下,純電機系統的定位精度較高……
基於Simulink的複合驅動機器人關節臂試驗系統模擬分析*正文
  

1 引言
目前,機器人關節臂的動力源主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機或液壓系統。在要求驅動系統機械結構較小的前提下,純電機系統的定位精度較高,但相對液壓系統驅動能力小,一般只在輕載荷的環境下應用;而液壓系統驅動能力大,但達到較高的定位精度較難。在重載特別是衝擊性負載的工況下,為獲得驅動重載、精確定位的能力,不得不使用大體積的伺服電機來驅動機械臂,造成機器人的體積過大,因此應用較少,較小體積的重載機器人亟待研究開發。本文介紹了一種較小體積的重載複合驅動機器人關節臂試驗系統的設計,並對其進行了數學建模與模擬研究。

2 複合驅動機器人關節臂的結構與工作原理
複合驅動機器人關節臂試驗系統主要由電機伺服系統和液壓伺服系統組成,其結構如圖1所示。電機伺服系統主要承擔機器人關節臂的主動運動與精確定位,液壓伺服系統主要承擔機器人關節臂動態響應的輔助運動,它是一個扭矩和位移複合隨動系統。用液壓驅動系統的驅動能力強的優點來彌補電機承載能力較小的缺點,結合兩者的優點,克服機器人關節臂驅動系統出力不足的技術難題。

執行機構採用鉸鏈式關節型機構,因只考慮對關節臂的一個關節的控制,所以電機伺服系統採用步進電機作為驅動裝置,通過聯軸器與扭矩感測器相連,扭矩感測器作為信號的監測與反饋元件,扭矩感測器再通過聯軸器與機械臂的傳動軸相連,機械臂傳動軸的另一側通過聯軸器與液壓馬達的輸出軸相連,液壓馬達作為液壓伺服系統的驅動裝置,總體上採用單片機控制器協調液壓伺服系統配合電機伺服系統工作,協調過程如下所述。
1) 電機伺服系統控制
由單片機控制器向電機伺服系統發出運動指令,驅動控制步進電機按照脈衝指令轉動相應的轉角,以此驅動機械臂動作。運動指令的脈衝個數對應步進電機的轉動角位移,運動指令脈衝的頻率對應步進電機的轉動角速度,運動指令的方向(正/負向)對應步進電機的轉動方向。
2) 液壓伺服系統控制

液壓伺服系統工作原理。扭矩感測器檢測到步進電機輸出軸的輸出扭矩后,將扭矩信號轉換為-5v~+5v之間變化的電壓信號反饋給單片機控制器,單片機控制器根據接收到的反饋信號向液壓伺服系統發出控制信號。控制邏輯如下:
(1) 液壓馬達轉向控制
單片機控制器根據步進電機的轉向輸出兩路開關量信號,控制電磁換向閥兩個電磁鐵的通斷,使閥芯處於左位或右位,從而起到控制液壓馬達轉向的作用,使液壓馬達與步進電機的轉向相同;
(2) 液壓馬達輸出扭矩控制
單片機控制器根據扭矩感測器反饋信號的大小V輸出電流信號I1,控制電液比例壓力閥的調壓壓力p,起到控制液壓馬達輸出扭矩大小的作用,使步進電機承受的負載不超過其額定負載的70%;
(3) 液壓馬達轉速控制
單片機控制器根據步進電機控制脈衝信號的頻率輸出電流信號I2,控制電液比例調速閥的流量Q,起到控制液壓馬達轉速的作用,使液壓馬達跟隨步進電機同步轉動;
(4) 液壓馬達啟停控制
單片機控制器根據扭矩感測器反饋信號的大小V與液壓馬達的啟動設定值K(步進電機額定輸出扭矩的70%)進行比較,V≥K時,控制電磁換向閥處於左位或右位,液壓馬達啟動,輔助步進電機共同驅動負載;V<K時,控制電磁換向閥處於中位,液壓馬達停止,步進電機單獨驅動負載。
由此可以看出,液壓伺服系統實質上是一個位移與扭矩控制的伺服隨動系統。
通過單片機控制器的協調,使電機伺服系統的控制在液壓伺服系統的輔助驅動下實現重載荷快速高精度定位的功能,達到複合伺服驅動的目的。

3 複合驅動機器人關節臂試驗系統的數學建模
3.1 電機伺服驅動建模
設機器人關節臂的輸出角位移為,步進電機輸入角位移為,傳動系統為剛性系統,則步進電機輸出角位移也為,試驗系統採用斬波恆流驅動方式,在恆流源條件下,其轉矩為[1]
式中,為電機總電磁轉矩係數,為電機轉子角位移,為電機轉子實際角位移,為步進電機有效輸出轉矩,為步進電機轉子轉動慣量,為步進電機轉子轉動時的阻尼係數,為電機驅動系統總有效輸入轉矩,為機器人關節臂傳動軸等效轉動慣量,為機器人關節臂傳動軸等效阻尼係數。
對式(1)進行拉普拉斯變換,假定初始條件為0,得
3.2 液壓馬達驅動建模
本系統所用液壓馬達實際輸出扭矩[2]為
式中,為液壓馬達工作壓力為機械效率;電液比例壓力閥的比例電磁鐵的輸入電流為,比例常數為。
液壓馬達的進口處實際流量[3為
式中,為液壓馬達排量,為液壓馬達實際轉速,液壓馬達容積效率,為液壓馬達實際角速度;電液比例調速閥的比例電磁鐵的輸入電流為,比例係數為。
由上述公式經化簡得
對式(2)進行拉普拉斯變換,並設初始條件為0,得

4 複合驅動機器人關節臂試驗系統模擬
4.1 系統模擬模型的建立與模擬
應用Matlab/Simulink軟體,根據系統的數學模型建立複合驅動系統模擬模型[4]如圖3所示,stepmotormodel是電機伺服系統的模擬子模型系統模塊,Transfer Fcn1是機器人關節臂傳遞函數模塊,Slider Gain2和Transport Delay是液壓伺服系統的增益和延遲模塊。模擬系統採用最大扭矩負荷50000N●mm作為負載擾動,採用變步長模擬演算法,最大步長設置為0.1,最小步長設置為1×10-30,模擬演算法採用ode45演算法,延遲時間為0.02s,在輸入端In1分別輸入階躍信號和正弦信號。系統響應如圖4所示。

由模擬結果可知:在重載扭矩50000N●mm擾動的情況下,階躍信號激勵響應的超調量為20%~30%,階躍響應上升時間不超過0.2s,響應收斂過渡時間為1s,系統響應收斂,響應時間很快。由此模擬結果可以看出,各項參數設置合理。
4.2 系統模擬模型的PID模擬與優化

建立複合驅動機器人關節臂試驗系統PID模擬模型如圖5所示。PID控制器的參數整定採用工程整定方法,在Simulink模型模擬中,運用pattern search演算法、latin hypercube搜索方法,設計出高性能的PID控制器,得出優化的PID控制器參數為Kp=0.0919,Ki=0.1138,Kd=0.166,其階躍激勵響應曲線如圖6所示。

由模擬結果可知:在重載扭矩50000N●mm擾動的情況下,階躍信號激勵的響應上升時間小於0.1s,超調量小於1%,過渡時間小於0.2s,系統響應收斂,對輸入的激勵信號表現出了很高的位置跟蹤精度和很快的響應速度,遠遠優於未加PID控制器的系統響應,達到了很好的優化效果。

5 結束語
通過對複合驅動機器人關節臂試驗系統建立數學建模,在Matlab/Simulink中對系統建立PID模擬模型並優化。由模擬結果可知:複合驅動控制試驗系統經PID優化后,可使該系統同時具有定位精度高和驅動能力強的優點,能夠承受50000N●mm的重載扭矩擾動,對重載輸入信號表現出很高的跟蹤精度(<1%)和響應速度(<0.2s),實現了快速響應的小體積高精度重載複合驅動機器人關節臂試驗系統的設計與理論研究,為複合驅動控制技術提供了理論依據。

參考文獻:
[1] 劉寶廷.步進電動機及其驅動控制系統[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1997.
[2] 董繼先,吳春英.流體傳動與控制[M].北京:國防工業出版社,2010.
[3] 趙應樾.液壓馬達[M].上海:上海交通大學出版社,2000.
[4] 李琳.基於Simulink的數控機床高階伺服系統建模與模擬[J].機械與電子,2007,(9):22-25.


[基於Simulink的複合驅動機器人關節臂試驗系統模擬分析*],你可能也喜歡

  • 圓的複合圖形
  • 複合圖形周長
  • 複合圖形定義
  • 複合圖形的體積
  • 複合圖形體積試題
  • 摩擦試驗機
  • 混凝土強度試驗規範
  • 鋼筋續接器試驗規範
  • 鋼筋拉拔試驗規範
  • 摩擦脫色試驗機
  • 關節軸承種類
  • 關節軸承安裝方式
Bookmark the permalink ,來源:
One thought on “基於Simulink的複合驅動機器人關節臂試驗系統模擬分析*