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多關(guān)節(jié)機械手臂振動分析及檢測方法
關(guān)節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動形式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。早在20世紀40年代，關(guān)節(jié)式機械手就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后又應(yīng)用于開發(fā)海洋，有一定的發(fā)展前途。
摘要：本文以多關(guān)節(jié)機械手臂為例首先分析其運動規(guī)律，構(gòu)建了耦合動力學模型并以此為基礎(chǔ)將機械手臂作為一個系統(tǒng)推導(dǎo)出其固有頻率表達式，分析與固有頻率相關(guān)參數(shù)。其次，提出使用反饋方法來檢測手臂關(guān)節(jié)電機處的振幅和頻率，設(shè)計了硬件檢測電路原理圖。最后，繪制實際振幅波形圖，分析振動規(guī)律，為下一步如何消除或者抑制振動奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：多關(guān)節(jié)機械手;動態(tài)特性;振動
引言
隨著智能裝備的不斷發(fā)展，越來越多的企業(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問題一直以來沒有很好的解決，當機械手臂在某時刻的固有頻率和激勵源頻率相同或相近時，手臂的振動不斷放大，嚴重影響機械手的定位。
一、機械手臂模型分析
如圖1所示為機械手臂簡化圖，機械手由三條手臂構(gòu)成，分別為臂1、臂2、臂3，每個手臂之間通過電機轉(zhuǎn)動連接，臂1為最末端關(guān)節(jié)，上面安裝手爪來抓取物品。
通常對多關(guān)節(jié)機械手臂的抑制方法有以下幾種：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、反饋控制、輸入指令等。哈爾濱工業(yè)大學的劉延杰在《硅片傳輸機器人手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法》(機械工程學報)對機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有較深入的研究。本文著重從反饋控制研究對機械手臂振動的方法。
J為轉(zhuǎn)動慣量矩陣，τ為廣義力矩矢量。
二、動態(tài)特性分析
將整個機械手臂作為一個整體系統(tǒng)研究，固有頻率為系統(tǒng)的固有屬性，對多關(guān)節(jié)機械手臂的動力學模型分析并根據(jù)公式1，得出固有頻率公式：
ω為系統(tǒng)的固有頻率，A為模態(tài)振動矢量。由于機械手臂在運動中的位置始終變化，其質(zhì)量矩陣為時變矩陣，所以系統(tǒng)的固有頻率隨機械手臂的位置變化而變化，其值非定值。
三、機械手臂振動檢測
(1)檢測硬件原理圖
使用msp430系列單片機相應(yīng)速度快，處理能力強，性價比高，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(gòu)建硬件檢測電路，系統(tǒng)原理圖如圖2所示，傳感器的檢測數(shù)據(jù)通過AD574轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給單片機處理，單片機對數(shù)據(jù)濾波及分析后將結(jié)果傳輸給上位機。
(2)檢測結(jié)果
振幅傳感器安裝在關(guān)節(jié)處的電機上，構(gòu)成半閉環(huán)控制方式。通過實驗得到振動數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)繪制其時域振動波形圖。
通過檢測振幅的變化來調(diào)整機械手的運動規(guī)律，使其振動避開固有頻率，保證機械手安全運行。
四、結(jié)語
以多關(guān)節(jié)機械手臂為模型，建立動力學公式，進一步求出系統(tǒng)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(gòu)建硬件檢測電路，測得關(guān)節(jié)處電極的振動規(guī)律并將振動數(shù)據(jù)傳輸給上位機控制中心，為下一步的抑制振動奠定基礎(chǔ)。
參考文獻：
[1]趙童.結(jié)構(gòu)振動的時滯魯棒控制及其實驗研究[D].上海，2014.
[2]李茂濤.驅(qū)動力矩受限下雙臂空間機器人軌跡跟蹤控制[J].力學與實踐，2014(06).
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