本發(fā)明屬于實驗驗證平臺
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及單自由度柔性機械臂的實驗方向，具體涉及一種單自由度柔性臂的實驗平臺。
背景技術(shù)：
：柔性機械臂的柔性主要來自于桿的彈性變形和關(guān)節(jié)彈性變形兩個方面。不論是連桿還是關(guān)節(jié)的變形都會給機械臂的末端帶來靜態(tài)和動態(tài)的形變，存在一定的誤差。當機械臂在負載情況下和本身自重一起使得機械臂的各個連桿與關(guān)節(jié)出現(xiàn)形變，并且這些形變會逐步累加，最終集中到機械臂的末端形成末端位置誤差這種靜態(tài)的變形誤差在串聯(lián)機器臂中表現(xiàn)更為明顯。連桿和關(guān)節(jié)變形導(dǎo)致的震蕩給機械臂的動態(tài)性能帶來影響，形成動態(tài)變形誤差。由此可見，連桿與關(guān)節(jié)引起的形變給機械臂的控制精度和動態(tài)性能帶來了很大影響。連桿產(chǎn)生的形變主要是由于機械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度較低導(dǎo)致。連桿的動能與勢能相互作用形成了連桿的柔性。尤其是連桿越長，柔性越為明顯。連桿的拉伸、彎曲和扭曲導(dǎo)致的機械臂柔性主要表現(xiàn)為震動和彎曲形變，從而增加了機械臂的控制難度。技術(shù)實現(xiàn)要素：根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種單自由度柔性臂的實驗平臺，通過在基座上安排關(guān)節(jié)和手臂構(gòu)成機械臂，在關(guān)節(jié)外設(shè)置了驅(qū)動器和信號發(fā)生器，解決了柔性臂的不同工況所需的驅(qū)動力。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種單自由度柔性臂的實驗平臺，所述單自由度柔性臂的實驗平臺包括基座、關(guān)節(jié)和手臂，基座安裝在底部，關(guān)節(jié)和手臂相連組成機械臂，關(guān)節(jié)位于基座上方，關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)有步進電機，關(guān)節(jié)外設(shè)有驅(qū)動器和信號發(fā)生器，信號發(fā)生器連接驅(qū)動器，驅(qū)動器連接步進步進電機，關(guān)節(jié)末端連接柔性臂進行實驗。上述裝置中，所述實驗平臺還包括內(nèi)軸、軸承、鍵、外接軸、軸承端蓋、第一螺栓、墊片、第二螺栓和連桿，步進電機通過第二螺栓固定在基座上，步進電機的輸出軸用鍵結(jié)構(gòu)連接外接軸，外接軸與內(nèi)軸配合，通過第一螺栓連接固定，內(nèi)軸的外圈與基座的內(nèi)圈用來與軸承配合，軸承端蓋與基座連接，外接軸通過墊片與基座的定位孔相連，連桿連接于外接軸上，連桿是柔性臂。所述連桿是可更換的實驗連桿。驅(qū)動器內(nèi)設(shè)有步進電機驅(qū)動電路。本發(fā)明有益效果是:本發(fā)明提供一種單自由度柔性臂的實驗平臺，在基座上安裝關(guān)節(jié)和手臂構(gòu)成機械臂，設(shè)置驅(qū)動裝置和信號發(fā)生器，可模擬多種工況來進行實驗研究，可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動裝置來模擬機械臂在實際工作中的驅(qū)動情況，并且可在外接軸上快速更換不同規(guī)格和大小的建議柔性臂，裝置結(jié)構(gòu)簡單易于改進。附圖說明下面對本說明書附圖所表達的內(nèi)容及圖中的標記作簡要說明：圖1是本發(fā)明的具體實施方式的單自由度柔性機械臂的構(gòu)型圖。圖2是本發(fā)明的具體實施方式的單自由度柔性機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的具體實施方式的實驗平臺驅(qū)動原理圖。圖4是本發(fā)明的具體實施方式的驅(qū)動電路示意圖。圖中：1-步進電機，2-基座，3-內(nèi)軸，4-軸承，5-鍵，6-外接軸，7-軸承端蓋，8-第一螺栓，9-墊片，10-第二螺栓，11-連桿。具體實施方式下面對照附圖，通過對實施例的描述，本發(fā)明的具體實施方式如所涉及的各構(gòu)件的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及操作使用方法等，作進一步詳細的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準確和深入的理解。如圖1-4所示，一種單自由度柔性臂的實驗平臺，包括基座2、關(guān)節(jié)和手臂，基座2安裝在底部，關(guān)節(jié)和手臂相連組成機械臂，關(guān)節(jié)位于基座上方，關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)有步進電機1，關(guān)節(jié)外設(shè)有驅(qū)動器和信號發(fā)生器，信號發(fā)生器連接驅(qū)動器，驅(qū)動器連接步進電機1，關(guān)節(jié)末端連接柔性臂進行實驗。實驗平臺還包括內(nèi)軸3、軸承、鍵5、外接軸6、軸承端蓋7、第一螺栓8、墊片9、第二螺栓10和連桿11，步進電機1通過第二螺栓10固定在基座2上，步進電機1的輸出軸用鍵5結(jié)構(gòu)連接外接軸6，外接軸6與內(nèi)軸3配合，通過第一螺栓8連接固定，內(nèi)軸3的外圈與基座2的內(nèi)圈用來與軸承4配合，軸承端蓋7與基座2連接，外接軸6通過墊片9與基座2的定位孔相連，連桿11連接于外接軸6上，連桿11是柔性臂，連桿是可更換的實驗連桿，替換柔性臂，驅(qū)動器內(nèi)設(shè)有步進電機驅(qū)動電路，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路中，555芯片組成的定時電路連接74LS1618計數(shù)器，74LS1618連接兩個并聯(lián)的74LS138譯碼器，兩個并聯(lián)的74LS138譯碼器連接有一個選擇開關(guān)S1，74LS138譯碼器連接多個并聯(lián)的按鍵開關(guān)，每個按鍵開關(guān)連接有74LS08晶體管，晶體管連接了MOS管，MOS管的漏極連接串聯(lián)的電阻、電感和二極管。本發(fā)明屬于實驗驗平臺，為單自由度轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。單自由度機械臂中，基座主要是對機械臂起到支撐與固定的作用；關(guān)節(jié)位于基座上方，主要包含步進電機、驅(qū)動器等驅(qū)動和傳動裝置，給手臂運動提供動能；手臂與關(guān)節(jié)相連，通過步進電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)將末端執(zhí)行器(即連桿11)運送到指定位置。步進電機作為柔性關(guān)節(jié)機械臂的驅(qū)動系統(tǒng)，為機械臂桿提供動力來源，因此對步進電機的選擇很重要，步進電機功率過大或者過小都不合適。首先需要考慮關(guān)節(jié)所受到的最大力矩以及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的最大角速度，從而計算出步進電機所需的功率。為了估算關(guān)節(jié)需要的力矩，假設(shè)關(guān)節(jié)和連桿的重量分別集中于關(guān)節(jié)和連桿的中心，下面對關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩、功率等進行計算。由于關(guān)節(jié)受到臂桿重力與末端執(zhí)行器(負載)所產(chǎn)生的重力矩以及加速度扭矩。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的計算過程如下所示，其中L＝0.2m為關(guān)節(jié)到機械臂質(zhì)心的距離。T＝(0.4+2.5)×10×0.2×1.2＝6.96(N·M)由于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的計算過程沒有考慮動力學(xué)部分，而且關(guān)節(jié)和機械臂桿的質(zhì)心位置和重量的估計存在一定的誤差，因此在實際選型時的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該比算出的力矩大20％左右。要求關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速是30度/秒，即根據(jù)功率＝轉(zhuǎn)矩×角速度，可得P1＝T1×n1＝3.64W在這里，選用步進電機，為了能夠穩(wěn)定運行，負載轉(zhuǎn)矩一般只能是最大靜轉(zhuǎn)矩的30％～50％。這里取30％，可以得到所需步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩為P＝6.96/0.3＝23.2N·m選用廣州坪川機電設(shè)備有限公司提供的130BYG350DH-0602型步進電機，并選用與此步進電機適配的SH-32206步進驅(qū)動器。步進電機具體的參數(shù)數(shù)據(jù)如下表1所示。表1：一般將步進電機與自由機構(gòu)直接連接，步進電機能夠提供所需范圍的任何驅(qū)動力，所以其結(jié)構(gòu)能夠滿足特定實驗，從而滿足機械臂的運動。整體的單連桿機械臂系統(tǒng)是由計算機控制驅(qū)動器，然后驅(qū)動步進電機作為機械臂關(guān)節(jié)的驅(qū)動系統(tǒng)，選用的柔性機械臂為長薄板結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)的柔性。以碳纖維材料的長薄板代替柔性機械臂為實驗對象。通過對該薄板振動測量和抑制分析以驗證基于PZT傳感器與驅(qū)動器控制策略的有效性。柔性連桿參數(shù)如下表2所示。表2：序列參數(shù)單位數(shù)值1長(L)mm4002寬(Wb)mm403高(hb)mm1.24密度(ρ)kg/m31700上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進行的各種非實質(zhì)性的改進，或未經(jīng)改進將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護范圍為準。當前第1頁1 2 3