二自由度机械臂实验报告

二自由度机械臂实验报告实验报告

课程名称: 机电系统建模与控制

实验项目名称: 二自由度机械臂实验

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组别：第6组

成员：刘仕杰.胡据林.王昊阳.于骁

实验日期：2019年12月9日

一、实验简介

二自由度（DOF）串联柔性（2DSFJ）机械臂包括两个用于驱动谐波齿轮箱（零回转间隙）的直流电机及一个双杆串联机构（）。两个连接都是刚性的。主连接通过一个柔性关节耦合到第一个驱动器上，在其端部载有第二个谐波驱动器，该驱动器通过另一个柔性关节与第二个刚性连接耦合。两个电机及两个柔性关节都装有正交光学编码器。每一个柔性关节配有两个可更换的弹簧。使用一个翼形螺钉零件，就可沿着支撑杆，将每根弹簧端移到所希望的不同定位点。该系统可视为多种手臂式机器人机构的高度近似，是典型的多输入多输入（MIMO）系统。

二、实验内容

1. 系统开环时域动态特性和频域特性分析；

2. 应用极点配置方法设计控制器，进行时域动态响应特性

和频域特性分析（超调量、上升时间、震荡次数等，根据极点分布决定），改变极点分布位置，完成至少 2 组不同闭环参数性能对比；

3. 应用 LQR 方法设计反馈控制律，进行时域动态响应特性和频域特性分析（超调量、上升时间、震荡次数等，根据极点分布决定），改变 Q 和 R 的值，完成至少 2 组不同闭环参数性能对比；

4. 设计全阶状态观测器，完成物理 PSF 与状态观测（至少两组观测器极点位置）综合作用下的系统性能控制。

三、实验设备

1.设备构造与线路图

（1）直流电机#1

第一台直流电机为一台可在最高27V 下工作的Maxon273759 精密刷电机（90 瓦）。该电机可提供 3A 的峰值电流，最大连续电流为 1.2A。

注意：施用在电机上的高频信号会对电机刷造成最终损坏。产生高频噪音的最可能来源是微分反馈。如果微分增益过高，噪音电压会被输入到电机里。为保护您的电机，请将您的信号频带限制控制在 50Hz以内。

（2）谐波传动器#1

谐波驱动器#1 使用谐波传动器LLC 生产的CS-14-100-1U-CC-SP 谐波减速箱。它可提供齿轮比为 100:1 的零齿隙。（3）直流电机#2

第一台直流电机为一台可在最高27V 下工作的Maxon118752 精密刷电机（20 瓦）。该电机可提供 3A 的峰值电流，最大连续电流为 1.2A。

注意：施用在电机上的高频信号会对电机刷造成最终损坏。产生高频噪音的最可能来源是微分反馈。如果微分增益过高，

噪音电压会被输入到电机里。为保护您的电机，请将您的信号频带限制控制在 50Hz。

（4）谐波传动器#2

谐波驱动器#2 使用谐波传动器LLC 生产的CS-8-50-1U-CC-SP 谐波减速箱。它可提供齿轮比为 50:1 的零齿隙。（5）电机与接头位置测量：光学编码器

二台电机以及柔性关节的数字测角，可通过使用 USDigital 生产的高分辨率正交光学编码器来完成。所有编码器每转1024 行。

（6）关节位置限位开关

作为安全预防措施，在两个柔性关节中的每一个最小和最大转动位置上，安装两个限位开关。它们是由外部±15V 直流电源供电的磁力操作位置传感器，该电源如图 2.2 所示，与第 23 号（#23）部件连接。具体来说，它们即是 Hamlin 55100 Mini Flange Mount 霍尔效应传感器。

（7）柔性关节弹簧

2DSFJ 具有三对拉伸弹簧，每个拉伸弹簧具有不同的刚度。因此，每个柔性关节的刚度都可通过交换成对弹簧进行重新配置。所有线性弹簧均是 AssociatedSpringRaymond 产品，其具体型号是：E02040-026-1500S 和 E0240-0321500S。在为2DSFJ 系统准备的出厂默认配置中，在第一个柔性关节（a.k.a 肩部）中使用的是最强的一对弹簧，在第二个柔性

关节（a.k.a.肘部）中使用的是最轻的一对弹簧。

如图 3 所示的柔性关节的两个弹簧，是按照其默认配置设置的。两根拉伸弹簧均安装在柔性关节两个相对支撑柱的外孔上。

在默认配置中柔性关节扭转刚度Ks及其两个线性弹簧可以用以下公式近似表达：

Ks= 2 Krr1d1

其中 Ks为弹簧刚度（a.k.a 刚度常数）。

2.模型参数

下面的表列出了与2-DOF 串联柔性机械臂有关的主要参数。

3.注意事项

警告：为了安全起见，当连接到 2DSFJ 驱动器＃1 时，应使用 Saturation（饱和）块来限制传送到相应直流电机的电流。其参数应具有以下值：上限值 0.94A 和下限值-0.94A。这些设置如图 1 所示，并与 Error（误差）（未发现参考源）中给出的系统规格一致。

四、实验原理及操作步骤

1.操作程序：

注意：

在运行下面的示例之前，请确保系统已连接完毕，并已按第 4.1节中所述配置。同时确保 2DSFJ 系统的所有四个编码器工作正常，然后继续。下文描述的控制器调谐假设，无负载连接到 2DSFJ 端部执行器上。

打开名为 q_2DSFJ_robot_QuaRC.mdl 的 Simulink 模型。将两个柔性关节在其中心位置对齐，然后启动

q_2DSFJ_robot_QuaRC.mdl 模型。请注意，在运行该模型之前，您需要运行名为setup_2DSFJ_robot.m的设置脚本，因为此文件需为 Simulink 模型和硬件本身的正常运行，设置所需的参数。

两个柔性关节（即阶段 1 和阶段2）中的每一个现在均可跟踪以方波形式出现的两个±20 度角位置轨迹。典型的系统响应应该与图 2，3，4 和 5 中所示的上述情况相似，