文档介绍：集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
机械臂控制系统的设计
机械臂控制系统的设计
1 引言
近年来，随着制造业在我国的高速发展，工业机器人技术也得到了迅速的发展。根据负驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、结构简单、造价较低、维修方便。与液压驱动系统相比，同体积条件下功率较小，也难以进行速度控制，多用于中、小负荷且精度要求不高的机器人控制系统中。
综上，本设计决定使用电动驱动方式为机械臂提供动力，步进电机为驱动电机。
结合上文，本文将使用步进电机为驱动电机为机械臂提供动力，结合各关节受力和机械臂关节传动机构组合方式，应在驱动电机和机械臂关节间安装减速器做扭矩适配，降低输出轴的速度，增大输出扭矩。一般行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器、齿轮减速器等可以和步进电机适配。
1、行星齿轮减速器
行星齿轮减速器通常由一个或者多个外部齿轮围绕着一个中心齿轮旋转，就像行星绕着太阳公转一样。在工作状态中多个行星齿轮协同工作，因而承载能力大，属纯扭矩传动，工作平稳。单级行星齿轮减速器的减速比一般较小，需要增加减速比时只需增加行星轮系的级数即可，而整体体积变化较小。
2、蜗轮蜗杆减速器
蜗轮蜗杆减速器的传动比大，一般为 10-80，也可以达到 80 以上。此外，蜗轮蜗杆减速器机械结构紧凑、热交换性能好、工作平稳、噪声小、具备机械自锁能力，安全性高。
3、谐波减速器
波发生器，柔轮，刚轮是谐波减速器的三大部分，谐波齿轮减速器传动结构简单，减速比高，同时啮合的齿数多，运行平稳、传动承载力大，齿侧间隙小，传动精度高，传动误差只有普通圆柱齿轮传动的 1/4 左右，传动空程小，适用于反向转动，在机器人领域有着广泛应用。但对柔轮材料有较高的强度要求，工艺复杂。
4、齿轮减速器
圆柱齿轮减速机构为定传动比齿轮机构，其传动准确，平稳高效，传动功率范围和速度范围大，广泛用于各种仪器仪表中，但其制造和安装精度要求高，高减速比时结构较为复杂，体积一般较大。
综上，初步去确定使用谐波齿轮减速器，减速比大，传动精度高，体积小巧，输入轴与输出轴轴线重合，可很方便地与步进电机组合安装成为机械臂关节的一
部分，同时便于机械臂的模块化设计。本文将采用 Harmonic Drive CSF-mini 系列组合型谐波减速器，其中腰关节采用型号为 CSF-14-100-2XH-F；肘关节俯仰和肘关节旋转采用 CSF-11-100-2XHF，腕俯仰采用 CSF-8-100-2XH-F。
虽然步进电机广泛地应用于各行各业，但步进电机并不能像普通的直流电机那样通过控制输入的等效电压就可以驱动和调速。它必须利用电子电路，将直流电变成分时多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作。常见的有单片机 I/O 直接控制，步进电机驱动芯片、运动控制卡。
1、单片机 I/O 直接控制方式
使用单片机内部的锁存器、计数/定时器，和并行 I/O 接口，可以实现对步进电机的控制，脉冲环形分配器的功能由单片机系统实现完成，通过软件中断方式实现步进电机的变速控制，改变通电顺序则可改变转向。
2、步进电机专用驱动芯片
步进电机专用驱动芯片一般集成度较高，外围电路简单,一般有 ENABLE、STEP 和 DIR 三个输入端，ENABLE 为使能端，使能有效时方可驱动步进电机；STEP 为脉冲输入，输入一个脉冲，即可驱动步进电机产生微动；DIR 为方向 ，改变 DIR 逻辑电平即可换向。
3、运动控制卡驱动控制
通过计算机可直接控制步进电机，运动控制卡是专用于步进电机控制的 PC 插卡，是应对复杂系统的控制而出现的，一般可同时控制十几台甚至几十台步进电机的运动，一般价格很高。
综上，本设计将使用步进电机专用驱动芯片来驱动步进电机。其中肩关节和肘关节俯仰有自锁需求，使用东芝 THB7128 3A 128 高细分步进电机专用驱动芯片驱动，其他轴选用 A4988 微步驱动器。
表 2-3 步进电机驱动芯片相关参数
型号
最高耐压
电流
使用温度
自锁性能
细分模式
THB7128
40VDC
±
-40-85（℃）
半流锁定
1-128（8 种）
A4988
35VDC
±2A
-20-85（℃）
无
1-16（5 种）
本文将使用步进电机和谐波齿轮减速器为机械臂提供动力，步进电机只需要通控制驱动脉冲的数量，即可简单实现较高精度的定位，并使工作物在精确地停在目标位置。步进电机以细分后的步距角为基本单位进行定位。以两相电机为例，其