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多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂振動(dòng)分析及檢測(cè)方法
關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動(dòng)形式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)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(jì)40年代，關(guān)節(jié)式機(jī)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(jī)械手臂為例首先分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，構(gòu)建了耦合動(dòng)力學(xué)模型并以此為基礎(chǔ)將機(jī)械手臂作為一個(gè)系統(tǒng)推導(dǎo)出其固有頻率表達(dá)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(cè)手臂關(guān)節(jié)電機(jī)處的振幅和頻率，設(shè)計(jì)了硬件檢測(cè)電路原理圖。最后，繪制實(shí)際振幅波形圖，分析振動(dòng)規(guī)律，為下一步如何消除或者抑制振動(dòng)奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：多關(guān)節(jié)機(jī)械手;動(dòng)態(tài)特性;振動(dòng)
引言
隨著智能裝備的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)機(jī)械手臂的使用，機(jī)械手臂不僅效率高，而且國(guó)產(chǎn)化的不斷發(fā)展也使其成本在逐步降低。但是機(jī)械手臂的振動(dòng)問題一直以來沒有很好的解決，當(dāng)機(jī)械手臂在某時(shí)刻的固有頻率和激勵(lì)源頻率相同或相近時(shí)，手臂的振動(dòng)不斷放大，嚴(yán)重影響機(jī)械手的定位。
一、機(jī)械手臂模型分析
如圖1所示為機(jī)械手臂簡(jiǎn)化圖，機(jī)械手由三條手臂構(gòu)成，分別為臂1、臂2、臂3，每個(gè)手臂之間通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的抑制方法有以下幾種：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法》(機(jī)械工程學(xué)報(bào))對(duì)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有較深入的研究。本文著重從反饋控制研究對(duì)機(jī)械手臂振動(dòng)的方法。
J為轉(zhuǎn)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(jī)械手臂作為一個(gè)整體系統(tǒng)研究，固有頻率為系統(tǒng)的固有屬性，對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的動(dòng)力學(xué)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(dòng)矢量。由于機(jī)械手臂在運(yùn)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(tǒng)的固有頻率隨機(jī)械手臂的位置變化而變化，其值非定值。
三、機(jī)械手臂振動(dòng)檢測(cè)
(1)檢測(cè)硬件原理圖
使用msp430系列單片機(jī)相應(yīng)速度快，處理能力強(qiáng)，性價(jià)比高，故選擇型號(hào)2553作為核心處理芯片，以壓力傳感器作為振幅檢測(cè)元件，構(gòu)建硬件檢測(cè)電路，系統(tǒng)原理圖如圖2所示，傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過AD574轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給單片機(jī)處理，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)濾波及分析后將結(jié)果傳輸給上位機(jī)。
(2)檢測(cè)結(jié)果
振幅傳感器安裝在關(guān)節(jié)處的電機(jī)上，構(gòu)成半閉環(huán)控制方式。通過實(shí)驗(yàn)得到振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)繪制其時(shí)域振動(dòng)波形圖。
通過檢測(cè)振幅的變化來調(diào)整機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使其振動(dòng)避開固有頻率，保證機(jī)械手安全運(yùn)行。
四、結(jié)語
以多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂為模型，建立動(dòng)力學(xué)公式，進(jìn)一步求出系統(tǒng)固有頻率表達(dá)式。利用MSP430單片機(jī)及振幅傳感器為核心元件構(gòu)建硬件檢測(cè)電路，測(cè)得關(guān)節(jié)處電極的振動(dòng)規(guī)律并將振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)控制中心，為下一步的抑制振動(dòng)奠定基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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