协作机器人模块化关节的一体化驱控系统设计

作     者：胡耀 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵鹏兵;段学超

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：一体化驱控器 模块化关节 硬件描述语言 磁场导向控制 

摘      要：随着协作机器人的兴起,高集成度的模块化关节在不断发展,对于关节伺服控制系统的集成度、安全性及伺服效率等要求越来越高。传统的伺服控制器布置于关节外部,并将驱控分离,占用空间较大,干扰严重,可靠性较低,不仅影响关节性能,也不利于模块化关节的集成,难以满足协作机器人的需求。本文自研制了一种柔性模块化关节,然后,研制了一款内嵌于模块化关节的高性能一体化驱控器,搭建了机电产品与软件之间的桥梁。首先,根据协作机器人的性能和功能要求,设计了一种柔性化、高精度及高集成度的模块化关节,包括关节内传动、制动及传感部件选型和相关结构件设计,完成了关节的机械装配,整个关节重3.30kg,长度为160mm,直径为100mm。最后,建立了关节的动力学模型,从数学层面上阐述了传动原理并为控制算法奠定了理论基础。其次,在机械设计的基础上,根据关节对驱控、伺服效率及安全性等要求,从驱动、控制及电源三个方向出发,研制了内嵌于关节的一体化驱控器。首先,根据驱控、制动、高集成度及小型化等需求拟定了硬件开发方案,主控芯片采用FPGA;然后,进行了原理电路设计及抗干扰布局布线;最后,进行了制板、硬件测试及在线调试。所设计的一体化驱控器在机械上合理适配在关节内,在硬件上功能齐全且效率高。然后,在硬件的基础上,根据运动精度、柔顺性及转矩脉动等要求,基于直驱力矩电机的驱控理论,利用Verilog语言设计了电机主控算法、数据采集算法及上位机通信算法,并进行了仿真及在线调试,确保设计的合理性。在电机换向上采用磁场导向控制,并设计模型预测控制算法提高伺服效率。在完成主控算法的顶层设计后,搭建起了机电产品到软件之间的桥梁。最后,根据通信协议和驱控需求,进行整机的联调,验证关节的性能参数,结果显示关节的重复定位精度小于0.016°,扭矩达到19.61Nm,滞后误差小于0.021°,可进行良好的速度跟踪,验证了模块化关节的功能性与适应性。