六自由度机械臂电机选型与控制系统设计

"电机选型是机械臂硬件系统设计中的关键环节，关系到机械臂的性能和工作效率。在本文中，作者马江针对六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真进行了深入研究，涉及到电机选型、数学模型建立、轨迹规划等多个方面。" 在六自由度机械臂的设计过程中，电机选型至关重要，因为它直接影响机械臂的运动性能。关节一至关节六的最大转速分别为60度/秒、30度/秒、30度/秒、30度/秒、30度/秒和80度/秒，据此计算出各关节所需的功率，分别为14.15W、5.38W、2.36W、1.00W、0.20W和0.105W。电机的连续堵转力矩可以通过估算的实际关节力矩除以减速比和减速效率（60%）来求得。表2.1给出了选用的电机型号及其参数，例如关节一选用的36LE3电机，具有0.22N·m的峰值堵转转矩，最大空载转速394r/min，连续堵转转矩0.064N·m。 在控制系统设计中，采用基于CAN总线的分布式方案，工控机和关节控制器连接在同一总线上，工控机负责监控关节控制器并实现运动学和轨迹规划算法，而关节控制器则采用TM320LF2407DSP芯片，执行位置、速度和力矩伺服控制。 为了确保机械臂的精确运动，建立了基于D-H参数的数学模型，对正运动学进行了解析，得到逆运动学的封闭解析解，并通过功率最省法确定唯一解。同时，分析了关节空间中的三次多项式和五次多项式轨迹规划方法，前者计算量小但角加速度不连续，后者虽然计算量大但能保证电机运行平稳。 在笛卡儿空间中，进行了空间直线和空间圆弧插补算法的轨迹规划，这两种算法的实现和仿真实验进一步优化了机械臂的运动路径。此外，开发了基于MFC和OpenGL的三维仿真工具，该工具不仅验证了数学模型和运动学求解的正确性，还直观比较了不同轨迹规划方法的效果，降低了实际试验的成本。 电机选型需考虑关节的转速和所需功率，控制系统设计涉及分布式架构和伺服控制算法，而数学建模和轨迹规划则是保证机械臂精确、高效运行的关键。通过仿真工具，可以有效验证理论分析和提高设计质量。