机械臂机电一体化关节设计与控制方法

机械臂机电一体化关节设计与控制方法

梁承锵

身份证号码：441900198312236038

摘要：随着现代科技和智能技术的不断发展，工业机器人技术在多个领域中获得了广泛的应用。机电一体化关节作为机械臂各项功能和作用发挥的关键部件，通过机电一体化关节设计与控制方法的分析，能够最大化地发挥出机械臂的功能和作用，为不同领域各项工作效率的提升提供有利的帮助。

关键词：机械臂；一体化；关节设计；控制方法

前言

随着工业机器人技术的不断成熟，机械臂是工业机器人的一种主要形式，在工作中能够通过运动自由度和位置的调整，完成具体的工作内容。关节是机械臂结构的重要组成部分，机电一体化关节在机械臂整体设计中的应用，能够进一步提升机械臂的自由度控制水平，在各项工作中能够有效发挥出机械臂的整体性能，提高机械臂运行精度与效率。因此，应对机电一体化关节设计与控制开展深入的研究。

一、机械臂和机电一体化概述

机械臂的结构组成包括结构系统和机构系统以及地面和在轨控制系统以及关节驱动控制等部分。在设计过程中应了解到机械臂与关节位置的连接是通过末端的执行器系统进行连接，机械臂在运行过程中主要是根据关节的不同角度旋转来实现运行的。机械臂为各项工作的高效开展提供了有利的帮助。此外，机械臂在多个领域中已经实现了普遍应用，为提升工作效率发挥了重要性作用，随着智能化技术的不断发展，工业机器人的制造水平的不断提高，机械臂的自由度控制和位置转换的性能不断提高，能够完成更加高难度的工作任务[1]。机电一体化关节是机械臂的核心组成部件，机械臂能够利用关节的多方位调整实现运行效率的提升，并且能够通过位置和力量上的操控高效地实现多角度的旋转运动。机电一体化关节是机械臂整体功能发挥的关键部位，具体体现在以下方面，机电一体化关节能够为机械臂的多方位的精准运行提供驱动力支撑；机电一体化关节还能够为机械臂的紧急制动操作提供动力支持；机电一体化关节为机械臂其他结构的稳定运行提供有效保护。另外，机电一体化关节还能够进一步提升机械臂的运行精准度，促使机械臂与中央控制系统实现更加高效的信息交流，从整体上提升机械臂各项性能。

二、机械臂机电一体化关节设计

（一）明确机械臂结构组成

要想有效发挥出机械臂机电一体化关节的重要性作用，在关节设计过程中就需要对机械臂的各项组成部分进行明确，并对各部门的设计要求以及功能作用等进行详细阐述。在整个机械臂系统中关节和驱动程序以及视觉系统是非常重要的结构组成，根据机械臂应用的场景，可以对系统进行针对性的设计，使其满足不同领域工作的操作需求，将这些结构部分的功能和作用进行掌握，才能提升机械臂关节设计的有效性。在设计过程中需要将关节和臂杆与末端效应器直接相连，这样才能更好地满足机械臂的多角度运行需求。

（二）掌握机械臂关节设计要求

机械臂一体化关节设计应满足多种应用需求，在关节设计过程中，应将设计的具体标准和需求作为重要依据。具体应满足以下要求，机械臂一体化关节的设计能够为各个行业机械化工作的高效开展提供可靠的辅助作用，保证各项工作能够严格按照操作指令和运行程序进行；机械臂一体化关节的设计与应用，能够从整体上提升机械臂的结构设计优势，使机械臂的整体性能有效发挥出来。关节作为机械臂的重要结构组成部分，对机械臂能够多角度自由地旋转和运行具有重要影响，因此，在关节设计过程中应满足如下功能；一是，确保一体化关节能够为机械臂提供操作负载，并具有足够的驱动力；二是，具备紧急制动和保护机械臂其他结构的功能，能够对运行的角度进行调整和限制；三是，根据不同的工况条件，能够对机械臂的操作与运行提供精准的测量和控制；四是；能够根据运行需求将操作指令及信息进行传递，保证数据信息传递的精准性和及时性；五是；通过设计多个拆卸安装接口，为机械臂故障检修提供有利的条件[2]。

（三）机电一体化关节设计方案

机械臂机电一体化关节在设计过程中应实现以下功能，具体包括传动功能和驱动功能以及温度信号收集功能和速度信号收集功能等，关节设计的体积和质量需要满足机械臂整体结构设计的要求，因此，在以上功能设计过程中需要考虑到其体积和质量上的限制。为了能够进一步提升机械臂机电一体化关节设计的科学性，设计人员需要严格遵守以下设计原则：一是，设计前需要做好详细的调研工作，结合调研获得的结果，对机电一体化关节设计方案进行确定；二是，根据工作的实际情况以及对机械臂关节功能性需求，对关节各项参数进行精准的设计，确保关节各个零件的功能指标达到工作需求，同时还需要对关节的直径和体积以及接口等关键环节进行检查，保证关节的质量和功能达到工作的标准和要求；三是，需要对关节内部结构和电气控制系统的硬件以及软件进行科学的设计；四是，利用控制算法对关节的控制软件系统进行设计。

三、机械臂机电一体化关节控制方法

（一）明确控制模式

中央控制器能够为机电一体化关节的运行发布命令，机电一体化关节控制是通过密钥程序设计进行的，能够对机械臂运行的位置和速度以及力矩等进行精准的操控，同时基于密钥的三种操控方式，也构成了三种控制模式。在关节速度控制模式下，中央控制器能够接收到相应的操控指令，并将指令信息及时发送到关节控制系统中，控制系统在接收到运行指令后会利用电流和速度双闭环结构设计方式，对速度控制器及电流控制器设置成环路，然后再通过传感器对机电一体化关节的转动速度以及电机运转效率等数据信息进行收集和计算

[3]。

（二）掌握位置控制模式

机电一体化关节在位置控制模式下，中央控制器会针对操作运行需求并发布位置命令，机械臂会通过机电一体化关节的调整，达到预期的位置运行操作要求。具体操作原理是通过位置信息和电流参数以及速度等要素进行闭环结构设计，然后载利用传感器将接收到的数据和信息进行计算和分析。机电一体化关节在设计中的力矩控制模式是一种备份模式，与位置信息的收集流程和步骤大致相同。

（三）分析关节操作控制方式

机械臂机电一体化关节运行过程包括三个主要阶段，即自由运动、接近运动、接触运动，在不同运动阶段对机械臂关节发布的命令与操作控制也不同。首先，在自由运动阶段。控制方法是按照工作需求，科学的选择机械臂在线和离线规划方式，并通过程序设计明确机械臂的运动路径，进而达到机械臂准确控制的目的。其次，接近运动阶段，此阶段机械臂并未获得精准的目标数据，因此应启动视觉伺服控制系统，辅助机械臂运转到特定位置。最后，接触运动阶段，机械臂末端位置与目标物产生接触性碰撞，达到机械臂末端位置定位要求，提升操作人员对连接口导向功能应用的效果，降低由于外力影响导致机械臂产生损伤的情况发生。

结束语：

机械臂是我国工业机器人技术不断研究和发展过程中产生的新型技术方式，为各个领域生产和工作效率的提升提供了可靠的技术支持。关节作为机械臂核心组成部分，同时也是机械臂整体性能发挥的关键。通过对机械臂机电一体化关节的科学合理设计与控制，能够提高机械臂运行的精准性，使机械臂运行的自由度更高，运行定位更加精准，为各个领域工作效率和质量的提升提供可靠的技术保障。

参考文献：

[1]赵琪,张华,熊鹏文,等.一种多功能半自主遥操作的履带式消防机器人控制系统设计[J].机械设计与制造, 2022(9):4.

[2]耿振,朱学军,邰春茹.基于DSP的模块化机械臂运动控制器设计[J].组合机床与自动化加工技术, 2015(7):4

[3]宋娇娇,王军,刘斯怡.一主多从遥操作协同分布式控制器设计与一致性仿真[C]//第19届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集(19th CCSSTA 2018).2018.