專利名稱：帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機器人控制技術，尤其是一種帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統。
背景技術：
我國社會經濟不斷發展、人民生活質量不斷提高，配電網絡要實現不間斷輸電，就必須開展帶電作業。人工帶電作業有其困難與局限性，因此研制具有更強的安全性和適應性的高壓帶電作業機器人，克服人工帶電作業的困難和局限性，代替人工進行帶電作業非常必要，而且符合時代的要求。為了提高帶電作業的自動化水平和安全性，減輕操作人員的勞動強度和強電磁場對操作人員的人身威脅，從80年代起許多國家都先后開展了帶電作業機器人的研究，如日本、西班牙、美國、加拿大、法國等國家先后開展了對帶電作業機器人的研究。國內山東電力研究院進行了三代高壓帶電作業機器人的研究:①第一代高壓帶電作業機器人，采用兩臺Μ0Τ0ΜΑΝ機械臂，操作人員進行作業時通過鍵盤控制機械臂運動，由于控制系統不開放，不能實現主從控制。操作不方便。②第二代高壓帶電作業機器人，采用兩臺自主研發的電機機械臂，控制系統采用主從控制方式。操作人員進行作業時通過主手和鍵盤控制機械臂運動，實現了機器人系統的主從/自主控制。但由于自身重量大，不能適合絕緣斗臂車作業要求。③第三代高壓帶電作業機器人，山西長治高壓帶電作業機器人項目，采用兩個液壓不帶力反饋型機械臂，自重輕，持重大。可以完成帶電斷線、帶電接線、帶電更換絕緣子等作業內容，實現帶電作業機器人現場應用。但由于沒有感知能力，不能完成精細復雜的工作。高壓帶電作業機器人經過前三代樣機的研究，已形成常規帶電作業的能力，并投入現場應用。但是機械臂無力反饋功能，操作者無法感知作業環境，機器人的作業內容與作業效率受到很大限制。
實用新型內容本實用新型的目的在于解決上述問題，提供一種帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統，此帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統采用位置、力伺服雙閉環控制方式，并通過無線將高壓電場與人隔離，控制精度高、實時性好、性能穩定可靠、操作更加方便，滿足高壓帶電機器人作業任務的要求。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:一種帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統，包括手持終端、嵌入式主手控制器和機械臂控制器，所述手持終端包括微處理器I，它分別與人機接口單元和嵌入式主手控制器相連；所述嵌入式主手控制器包括微處理器II，它通過串口與微處理器I連接，微處理器II通過數 據總線、地址總線、控制總線與A/D轉換器I通信，A/D轉換器I與機器人主手各關節處的電位器連接；微處理器II還通過馬達驅動器與主手各關節處的力矩馬達連接；微處理器II與無線模塊I連接；所述機械臂控制器包括微處理器III，微處理器III通過無線模塊II與無線模塊I通信；同時微處理器III還通過地址總線、數據總線和控制總線與A/D轉換器II連接，A/D轉換器II則與機械臂各關節處的電位器連接；同時微處理器III還通過數據總線、時鐘總線與D/A轉換器連接，D/A轉換器與液壓放大器連接，液壓放大器與若干伺服閥連接，每個伺服閥的進回油口安裝有壓力傳感器，壓力傳感器與A/D轉換器II連接；各伺服閥與相應液壓缸連接，液壓缸輸出軸與機械臂連接。所述的機械臂采用的是美國kraft Telerobotics公司生產的液壓機械臂,且在市面上已有銷售，在此就不詳細說明了。所述的機械臂是7自由度機械臂，壓力傳感器測量進油口和回油口的差壓，反應出機械臂對環境壓力的大小和方向；液壓源設有電磁閥用來開關液壓源。所述機械臂的主手為6自由度主手，其上的每個關節轉軸處均帶有電位器，帶5個力矩電機，包括腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部搖擺力矩電機。所述手持終端的微處理器I通過串口接收發送器MAX3232芯片與串口連接，同時微處理器I還與穩壓芯片1、穩壓芯片II連接；微處理器I通過邏輯電平轉換器與液晶模塊和鍵盤管理模塊連接，鍵盤管理模塊與鍵盤連接。所述嵌入式主手控制器的微處理器II通過MAX3232I與串口連接，通過MAX3232II與無線模塊I連接，通過運動控制模塊與電機驅動模塊連接，電機驅動模塊與連接端子I連接，連接端子I經過模塊I與光耦隔離模塊I連接，光耦隔離模塊I與微處理器II連接；微處理器II與光耦隔離模塊II連接，光耦隔離模塊II與O模塊連接，O模塊與連接端子II連接，連接端子II與A/D轉換模塊連接，A/D轉換模塊與多路轉換器連接，多路轉換器與微處理器II連接。所述機械臂控制器的微處理器III通過MAX3232III與無線模塊II連接；微處理器III通過D/A轉換模塊與伺服閥放大器連接，伺服閥放大器與機械臂的伺服閥連接；微處理器III通過光耦隔離模塊與O模塊連接，O模塊與電磁閥連接；機械臂的各壓力傳感器通過A/D轉換模塊II與微處理器III連接；機械臂的各電位器通過A/D轉換模塊II與微處理器III連接。采用上述方案，本實用新型具有以下優點:一是采用力反饋技術，具有對環境的感知能力，能極大提高操作的靈活性、準確性，大幅度提高作業效率，完成修補導線、更換橫擔、跌落保險等復雜作業項目；二是采用主從式控制方式機械臂系統操作靈活方便，不需要復雜的直線插補、圓弧插補等復雜運動學算法；三是系統采用模塊化設計，具有開放性、可讀性、可擴展性、可維護性，以便持續開發；四是主從控制系統通訊方式采用無線通信，便于帶電搶修機器人布線，可實現高電壓絕緣；五是控制系統帶有各種標準接口、機械限位、軟件限位，功能齊全，位置精度高。
[0023]圖1是本實用新型總框圖；圖2是本實用新型主手控制器的電路圖；圖3是本實用新型手持終端電路圖；圖4是本實用新型機械臂控制器電路圖；圖5是本實用新型機械臂電路圖；圖6是本實用新型總體流程圖；圖7是本實用新型主從手自動對應流程圖；圖8是本實用新型主從控制流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對實用新型做進一步說明。圖1中，一種帶電搶修機器人主從式力反饋液壓機械臂控制器，包括手持終端、嵌入式主手控制器和機械臂控制器，其特征是，所述手持終端包括微處理器I，它分別與人機接口單元和嵌入式主手控制器相連；所述嵌入式主手控制器包括微處理器II，它分別與微處理器1、無線模塊I連接；同時，微處理器II通過數據總線、地址總線、控制總線與A/D轉換器I的數據總線、地址總線、控制總線通信，A/D轉換器I與主手的若干電位器之間通過數據總線和電源總線通信；力矩馬達驅動器與主手的若干個力矩馬達(在每個關節運動軸處)相連；所述機械臂控制器包括微處理器III，它通過數據總線和時鐘總線與D/A轉換器連接，通過地址總線、數據總線和控制總線與A/D轉換器II連接，微處理器III還與電磁閥、無線模塊II連接； 同時，A/D轉換器II與機械臂上每個關節運動軸處的若干電位器連接；A/D轉換器II與若干壓力傳感器相連；D/A轉換器與液壓放大器連接；液壓放大器與若干伺服閥連接，各伺服閥與相應液壓缸連接，液壓缸輸出軸與機械臂連接。步進馬達控制器采用X7083，同時控制8軸，內部具有直線加/減速驅動、拋物線加/減速驅動、加減速度設定、最聞速度設定等功能。微處理器1、微處理器II和微處理器III均采用TMS320F28335芯片，具有浮點處理功能；所述A/D轉換器1、A/D轉換器II均采用MAX1312芯片；所述D/A轉換器采用DAC7678 芯片。力矩馬達采用步進式力矩馬達，轉矩范圍0.061-0.123N.m，堵轉電流0.3A，轉矩靈敏度0.028N.m;所述各電位器采用5ΚΩ的360度旋轉電位器，傳感器精度1%。，輸出信號-1OV +IOV0微處理器II作為主機，它擔當系統管理、機械臂語言編譯和人機接口功能，并定時地把運算結果作為關節運動的增量送到公共內存，供微處理器III讀取它。微處理器III完成全部關節位置、力數字控制。它從公共內存讀給定值，也把各關節實際位置送回公共內存中，微處理器II使用。機械臂是7自由度機械臂，機械臂各關節的運動通過相應的液壓執行器來執行；每個執行器由一個相應的液壓伺服閥來控制；在每個伺服閥的進回油口安裝有壓力傳感器，測量進油口和回油口的差壓，反應出機械臂對環境壓力的大小和方向，除了液壓伺服閥，還增加了減壓閥和電磁閥；電磁閥用來開關液壓源；外部油液壓力不能超過3000PSI ；閥板上設有控制單元通過控制總線與液壓伺服驅動器連接，上臂和前臂上的電位器通過位置信號總線與液壓伺服驅動器連接，液壓伺服驅動器通過電源總線供電。供了一個帶力反饋的平行手爪。由于平行手爪獨特的控制方法，允許操作者改變手爪開合的速度和抓持力的大小。機械臂用壓力傳感器安裝在伺服閥的進回油口上，精度:±2.5%，輸出信號-1OV +10V，壓力傳感器經過精密的溫度補償、不銹鋼密封焊接結構和完善的裝配工藝，使其具有高精度、高抗干擾、過載和抗沖擊等特點。伺服閥為MOOG航空用射流管式電液流量伺服閥，型號:M0D211_135，壓力1500psi，驅動信號為-20mA +20mA。無線模塊的通信距離1000m，通信頻率900MHz，抗干擾能力強，通信距離遠。主手為6自由度主手，其上的每個關節轉軸處均帶有電位器，帶5個力矩電機，包括腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部搖擺力矩電機。圖2中，主手控制板由微處理器1、運動控制模塊、電氣驅動器、I模塊、光耦隔離模塊、A/D轉換模塊、多路轉換器、O模塊、MAX3232模塊等組成。微處理器I的輸入輸出分別與運動控制模塊、光耦隔離模塊、多路轉換器、MAX3232的輸入輸出連接；運動控制模塊的輸入與電機驅動的輸入連接，電機驅動的輸出與連接端子I連接，連接端子I的輸出與I模塊的輸入連接，I模塊的輸出與光耦隔離模塊的輸入連接；連接端子II的輸入輸出與A/D轉換模塊、O模塊的輸入輸出連接，A/D轉換模塊的輸出與多路轉換器的輸入連接，光耦隔離模塊的輸出與O模塊的輸入連接；兩片MAX3232的輸出分別與串口、無線模塊連接；電源分別提供給主手、主手控制板、無線模塊。圖3中，手持終端由微處理器1、液晶模塊、邏輯電平轉換器、鍵盤管理模塊、鍵盤、穩壓芯片1、穩壓芯片I1、串口接收發送器以及串口組成。穩壓芯片1、穩壓芯片II給微處理器I供電。微處理器I的GIP10B1與邏輯電平轉換器ADG3308的2腳連接，GP10B5與5腳連接，XINT2與6腳連接，GP10A0-7與液晶模塊的DB0-7連接，GPIOBO與REQ連接，GP10B2與CS連接，液晶模塊得到5V供電。邏輯電平轉換器ADG3308的16腳與鍵盤管理模塊HD7279的DATA腳連接，鍵盤管理模塊與KEY腳連接。微處理器I的GP10B3與鍵盤管理模塊HD7279的CS腳連接，GP10B4與CLK腳連接。鍵盤的輸出接鍵盤管理模塊HD7279的DIGO-7,DP-SG0微處理器I的SCITXDA接串口接收發送器I MAX3232的11腳，SCIRXDA接12腳，串口接收發送器MAX3232的13、14腳接到串口。圖4中，機械臂控制板包括D/A轉換模塊、伺服放大器、光耦隔離模塊、O模塊、A/D轉換模塊1、A/D轉換模塊I1、MAX3232、無線模塊等組成。微處理器III的輸入輸出分別與D/A轉換模塊、光耦隔離模塊、A/D轉換模塊1、A/D轉換模塊I1、MAX3232的輸入輸出連接；D/A轉換模塊的輸出與伺服放大器的輸入連接,伺服放大器的輸出與伺服閥1-7的輸入連接；光耦隔離模塊的輸出與O模塊的輸入連接，O模塊的輸出與電磁閥的輸入連接；壓力傳感器1-6的輸出與A/D轉換模塊I的輸入連接，電位器1-7的輸出與A/D轉換模塊II的輸入連接；MAX3232的輸入輸出與無線模塊的輸入輸出連接；電源分別為連接機械臂、機械臂控制板、無線模塊提供電源。圖5中，伺服閥1-7的2腳與機械臂電纜的19連接，伺服閥1_7的I腳分別與機械臂電纜的1、4、7、10、13、16、18連接；壓力傳感器1_6的I腳與機械臂電纜的21腳連接，壓力傳感器1-6的3腳與機械臂電纜的22腳連接，壓力傳感器1-6的2腳分別與機械臂電纜的2、5、811、14、20連接；電位器1_7的I腳與機械臂電纜的21腳連接，電位器1_7的3腳與機械臂電纜的22腳連接，電位器1-7的2腳分別與機械臂電纜的3、6、9、12、15、17、23腳連接；電磁的1、2腳分別與機械臂電纜的24、24腳連接。參見圖6，總控程序是機器人軟件系統順序控制的核心，是整個機器人軟件系統的起點。它工作在微處理器II，用于控制整個機械臂軟件系統工作的，它主要完成系統初始化、輸入輸出讀入、系統狀態監測等任務。總控程序在微處理器II上電后便自動開始運行，只有當電源斷開時，才停止運行。它采用循環檢測的機制對各輸入口進行定時檢測，根據輸入控制信號來順序控制和執行相應模塊功能。參見圖7，在主從式力反饋機械臂系統中，打開液壓電源后，主手和從手必須恢復到一個確定的對應位置，才能進行主從控制運動。機械臂控制器采集關節位置信息，并發送給主手控制器，主手控制器根據主手的位置信息、從手的位置信息的差值驅動力矩電機，自動對應到機械臂的位置姿態，當差值為零時，對應完成。具體步驟如下:(I)所述的主手的電位器采集主手的位置信號；(2)所述的機械臂的電位器采集機械臂夾持器的位置信號，且將該位置信號通過無線發送模塊發送給主手控制器；( 3 )主手控制器判斷是否接收到機械臂的位置信號，若接收到，轉到步驟(4)，若沒接收到，繼續等待；( 4)主手控制器比較主手的位置信號和機械臂的位置信號，若誤差不為零，則驅動主手的力矩馬達；若誤差為零，則轉到步驟(5)；(5)手持設備接收主手控制器發送的信息，手持設備端顯示。參見圖8，主從式力反饋機械臂控制系統軟件分為主端和從端兩部分。操作者操作主手運動，主手控制器采集主手電位器的位置信息并實時地將位置信息發送給機械臂控制器，機械臂控制器通過對主手的位置跟蹤來完成機械臂的運動；另一方面機械臂在運動過程中由電位器檢測到的位置信息、壓力傳感器檢測到的力信息也通過無線通信反饋給主手控制器，主手控制器再將該信息發送力矩電機控制器驅動力矩電機和發送給手持終端，供顯不O具體步驟如下:(I)主端的主手控制器發送開始指令，同時從端的機械臂控制器初始化機械臂的壓力傳感器和電位器；(2)所述的主手控制器創建主手位置檢測線程且所述的機械臂控制器創建夾持器位置控制線程，轉到步驟(3);所述的主手控制器創建力設置線程且所述的機械臂控制器創建壓力和加持力檢測線程，轉到步驟(5)；(3)所述的主手位置檢測線程對主手位置檢測并向從端的機械臂控制器發送位置指令，且位置檢測不斷循環；(4)從端的機械臂控制器接收到主端的位置信號指令，機械臂控制器控制夾持器的位置；(5)機械臂的壓力傳感器采集力信號，并發送給機械臂控制器，所述機械臂主控制器通過無線通訊模塊發送給主手控制器；所述的主手控制器將力信號傳遞給力矩馬達，所述的力矩馬達輸出力信號給操作者，并且主手控制器將力信號發送給手持終端。
權利要求1.一種帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統，包括手持終端、嵌入式主手控制器和機械臂控制器，其特征是，所述手持終端包括微處理器I，它分別與人機接口單元和嵌入式主手控制器相連；所述嵌入式主手控制器包括微處理器II，它通過串口與微處理器I連接，微處理器II通過數據總線、地址總線、控制總線與A/D轉換器I通信，A/D轉換器I與機器人主手各關節處的電位器連接；微處理器II還通過馬達驅動器與主手各關節處的力矩馬達連接；微處理器II與無線模塊I連接；所述機械臂控制器包括微處理器III，微處理器III通過無線模塊II與無線模塊I通信；同時微處理器III還通過地址總線、數據總線和控制總線與A/D轉換器II連接，A/D轉換器II則與機械臂各關節處的電位器連接；同時微處理器III還通過數據總線、時鐘總線與D/A轉換器連接，D/A轉換器與液壓放大器連接，液壓放大器與若干伺服閥連接，每個伺服閥的進回油口安裝有壓力傳感器，壓力傳感器與A/D轉換器II連接；各伺服閥與相應液壓缸連接，液壓缸輸出軸與機械臂連接。
2.如權利要求1所述的帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統，其特征是，所述機械臂是7自由度機械臂，壓力傳感器測量進油口和回油口的差壓，反應出機械臂對環境壓力的大小和方向；液壓源設有電磁閥用來開關液壓源。
3.如權利要求1所述的帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統，其特征是，所述主手為6自由度主手，其上的每個關節轉軸處均帶有電位器，帶5個力矩電機，包括腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部搖擺力矩電機。
4.如權利要求1所述的帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統，其特征是，所述手持終端的微處理器I通過串口接收發送器MAX3232芯片與串口連接，同時微處理器I還與穩壓芯片1、穩壓芯片 II連接；微處理器I通過邏輯電平轉換器與液晶模塊和鍵盤管理模塊連接，鍵盤管理模塊與鍵盤連接。
5.如權利要求1所述的帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統，其特征是，所述嵌入式主手控制器的微處理器II通過MAX3232I與串口連接，通過MAX3232II與無線模塊I連接，通過運動控制模塊與電機驅動模塊連接，電機驅動模塊與連接端子I連接，連接端子I經過模塊I與光耦隔離模塊I連接，光耦隔離模塊I與微處理器II連接；微處理器II與光耦隔離模塊II連接，光耦隔離模塊II與O模塊連接，O模塊與連接端子II連接，連接端子II與A/D轉換模塊連接，A/D轉換模塊與多路轉換器連接，多路轉換器與微處理器II連接。
6.如權利要求1所述的帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統，其特征是，所述機械臂控制器的微處理器III通過MAX3232III與無線模塊II連接；微處理器III通過D/A轉換模塊與伺服閥放大器連接，伺服閥放大器與機械臂的伺服閥連接；微處理器III通過光耦隔離模塊與O模塊連接，O模塊與電磁閥連接；機械臂的各壓力傳感器通過A/D轉換模塊II與微處理器III連接；機械臂的各電位器通過A/D轉換模塊II與微處理器III連接。
專利摘要本實用新型涉及一種帶電搶修機器人主從式液壓力反饋機械臂控制系統，它處理速度快、成本低、性能穩定可靠。手持終端包括微處理器I，與人機接口單元和嵌入式主手控制器相連；嵌入式主手控制器包括微處理器II，通過串口與微處理器I連接，微處理器II與A/D轉換器I、無線模塊I連接，A/D轉換器I與電位器連接；微處理器II通過馬達驅動器驅動力矩馬達；無線模塊II與無線模塊I通信；微處理器III與A/D轉換器II、電位器連接；同時微處理器III還與D/A轉換器連接，D/A轉換器與液壓放大器連接，液壓放大器與若干伺服閥連接，每個伺服閥的進回油口安裝有壓力傳感器，壓力傳感器與微處理器III連接；各伺服閥與相應液壓缸連接，液壓缸輸出軸與機械臂連接。
文檔編號B25J13/08GK203077287SQ20132004697
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者趙玉良, 魯守銀, 呂曦晨, 李健, 王振利 申請人:山東電力集團公司電力科學研究院, 國家電網公司