模块化机械臂设计及其路径规划方法研究

模块化机械臂设计及其路径规划方法研究

张雷

身份证号： 1303221982071842**

摘要：机械臂作为目前唯一的空间任务执行终端操作系统，它在宇宙空间中发挥着至关重要的作用。伴随着人类太空任务需求的增加，机械臂的应用也更加广泛。因此，文章针对空间机械臂的运动学进行分析，结合了机械臂的研制方法，利用运动学以及摄动法的原理，进一步分析了机械臂关节误差与机械臂末端存在的关系，以供参考。

关键词：模块化；机械臂设计；路径规划

前言

在空间探索中，机械臂作为重要的且唯一的执行终端，在探究活动中的用途十分广泛。携带机械臂的空间探测器具有探究新事物的能力，还具有维修现有设备的能力，不仅能够提供维修功能，还能有效避免资源的浪费。随着空间机器人对接技术的不断成熟，虚拟智能控制技术被广泛应用于多个领域，相信在不久的将来，在轨服务能够拓展服务类型与服务对象。

1. 制定机械臂控制方案

机械臂控制系统作为机械臂的大脑中枢，它主要负责了信息的处理和决策环节，控制系统也是机械臂的重要组成部分，控制系统能够影响机械臂的性能。控制系统分类方式较多，主要分为集中式控制和分布式控制着两种。集中式控制方式是一种单机控制形式，它主要利用一台主机处理所有任务，对所有的设备和对象进行集中管控，这种方式控制系统的控制结构比较简单，但是信息处理能力始终是收到了限制。分布式控制方式主要是由上下两层结构来实现，上层机位主要是负责整个系统的信息管理，下层机位有多个，主要负责控制驱动器，其中，各个机位之间存在着一定的关系。在制定机械臂控制方案时，需要具体结合它的特点、类型进行分析^【1】。

2. 搭建机械臂电控系统

机械臂运动的持续发展，离不开电控系统的控制，电控系统控制会直接影响到整个机械臂性能的表现。为此，可以利用EtherCAT系统，进行总线分布式的控制。EtherCAT是由倍福公司研发的，它是基于以太网进行开发，采用标准的以太网帧，它的数据帧符合IEEE802.3的标准帧，数据帧会从主站出发，沿着搭建好的拓扑结构进行传输，与其他的总线数据相比，它具有传输速度快，即时性强、运用灵活的优点。本机械臂的控制系统方案是采用分布式的控制方式，上层机位一般是PC机，下层机位主要是控制各个独立关节中的附属系统。模块化的关节分为三部分，主要包括通讯、控制以及驱动这三个模块。通讯模块和控制模块主要在两个电路板上，各自分布在各自的电路板中。

3. 装配机械臂系统设置

机械结构和电气系统是模块化机械臂的两大内容，机械结构主要包括模块化关节、连杆以及基座，电气部分包括控制板、通信板，集成在模块化关节之中。模块化关节内容的部件有直流无刷电机、失电制动器和编码器、控制板和通信板这几部分。在安装时，首先需要进行单关节的安装，依次安装直流无刷电机、编码器模块、电气系统、谐波减速器和上下端盖这部分，进而完成单关节装配图。接下来会完成整个机械臂的装配，将其中的模块化关节安装至基座上，基座通过螺钉安装至工作台上，用连杆将这些关节进行一一装配，装置完成后已经实现了整机的装配。

4. 机械臂系统测试实验

在机械臂进行测速时，需要进行机械臂单关节速度的测试，通过测试实验开展后，依据速度指标关节速度以及电机转速，进行速度测试。模块化关节正常运行，电机可以按照设定速度进行运行，在达到了速度设计指标后，电机速度运行实现了预期目标^【2】。

机械臂的运动规划主要由离散路径点和轨迹规划组成，路径规划是由空间几何信息运转的不同算法以及机械臂末端的运行轨迹进行调整的，一般而言，这些轨迹是由许多离散点进行组合的，轨迹规划解决的问题则是通过满足机械臂的角度、速度以及加速度的条件后，计算如何经过上述的离散点。

机械臂的轨迹规划主要由两类组成，一般是关节空间内的规划以及笛卡尔空间的规划，关节空间内的规划方法计算较为简单，与笛卡尔空间并不存在连续的关系，所以不存在关节的奇异为题。机械臂需要经过连续的中间点，这就要求对中间点的速度进行测算，确定期间点速度一般可以用以下的三种形式。第一，根据工具坐标系的卡尔线速度和角速度，用合适的方法确定每个中间点的瞬时期望速度。第二，按照适当的启发形式，在关节空间选择中间点速度。第三，系统根据中间点的加速度，采取连贯的原则，进而确定中间点速度的多少。这种形式的设定相对合理，加速度一般在起始和目标点为零，中间的路径加速度按照需求需要进行重新规划。

结语

综上所述，机械臂已经在太空任务执行中，得到了广泛的应用，但是由于太空环境以及任务的复杂性，需要对机械臂的设计具有针对性。为此针对空间机械臂的发展前景和要求，对机械臂的设计进行研究与探索，通过制定机械臂控制方案、搭建机械臂电控系统、装配机械臂系统设置、开展机械臂系统测试几种形式进行调整，实现机械臂路径规划的有效性。

参考文献：

【1】郦滢澄,虞泽宇,张龙涵,郭兆阳,马新玲.多功能模块化居家整理机器人的结构设计[J].轻工机械，2020，38(06)：86-91.

【2】王志华,高文斌.模块化可重构机械臂上位机软件设计[J].现代制造技术与装备，2020，56(08)：109-110.