专利名称：带电抢修机器人位置反馈主手系统的制作方法
技术领域：
:本发明涉及一种机器人控制技术，尤其是一种带电抢修机器人位置反馈主手系统。
背景技术：
:我国社会经济不断发展、人民生活质量不断提高，配电网络要实现不间断输电，就必须开展带电作业。人工带电作业有其困难与局限性，因此研制具有更强的安全性和适应性的高压带电作业机器人，克服人工带电作业的困难和局限性，代替人工进行带电作业非常必要，而且符合时代的要求。为了提高带电作业的自动化水平和安全性，减轻操作人员的劳动强度和强电磁场对操作人员的人身威胁，从80年代起许多国家都先后开展了带电作业机器人的研究，如日本、西班牙、美国、加拿大、法国等国家先后开展了对带电作业机器人的研究。国内山东电力研究院进行了三代高压带电作业机器人的研究:①第一代高压带电作业机器人，采用两台Μ0Τ0ΜΑΝ机械臂，操作人员进行作业时通过键盘控制机械臂运动，由于控制系统不开放，不能实现主从控制。操作不方便。②第二代高压带电作业机器人，采用两台自主研发的电机机械臂，控制系统采用主从控制方式。操作人员进行作业时通过主手和键盘控制机械臂运动，实现了机器人系统的主从/自主控制。但由于自身重量大，不能适合绝缘斗臂车作业要求。③第三代高压带电作业机器人一山西长治高压带电作业机器人项目，采用两个液压不带力反馈型机械臂，自重轻，持重大。可以完成带电断线、带电接线、带电更换绝缘子等作业内容，实现带电作业机器人现场应用。但由于没有感知能力，不能完成精细复杂的工作。高压带电作业机器人经过前三代样机的研究，已形成常规带电作业的能力，并投入现场应用。但是机械臂无力反馈功能，操作者无法感知作业环境，机器人的作业内容与作业效率受到很大限制。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，此带电抢修机器人位置反馈主手系统采用位置、力伺服双闭环控制方式，并通过无线将高压电场与人隔离，控制精度高、实时性好、性能稳定可靠、操作更加方便，满足高压带电机器人作业任务的要求。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，它包括手持终端、主手控制器以及机械臂控制器；手持终端包括微处理器I，它分别与液晶模块、键盘连接；所述主手控制器采用嵌入式微处理器II和微处理器III，所述微处理器II通过串口与微处理器I连接，通过双口 RAM与微处理器III连接，微处理器II还与A/D转换器1、无线模块I相连，A/D转换器I与机械臂的主手的电位器连接，无线模块I与无线模块II通信，无线模块II与机械臂控制器连接；微处理器III与运动控制器连接，运动控制器与马达驱动器连接，马达驱动器驱动主手的力矩马达。所述的机械臂采用的是美国kraft Telerobotics公司生产的液压机械臂,且在市面上已有销售，在此就不详细说明了。所述的电位器和力矩马达安装在机械臂主手的每个关节处，实现主手的腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰和腕部摇摆。远端从手的静态或动态的力，通过这些力矩马达反映到主手，在初始上电时，这些力矩马达自动地设置主手。所述微处理器II通过MAX32321、I1、III三芯片分别与串口、无线模块I以及A/D转换器I连接，串口与微处理器I连接；微处理器III与运动控制器连接，运动控制器包括运动控制芯片1、II，两运动控制芯片Ι、π分别与各自的16M有源晶振连接，运动控制芯片I与四个主手马达驱动器接口连接，运动控制芯片II与两个主手马达驱动器接口连接，每个驱动器接口分别接收正、负脉冲。所述微处理器I还与稳压芯片1、II连接；微处理器I通过MAX3232IV与串口连接，通过逻辑电平转换器分别与液晶模块和键盘管理模块连接，键盘管理模块与键盘连接。所述微处理器1、微处理器II和微处理器III均采用TMS320F28335芯片，具有浮点处理功能；所述A/D转换器I采用MAX1312芯片，同时采集8路模拟量，采集范围-1OV +10V，12位精度。所述马达控制器采用MCX314控制芯片。可同时控制多轴，内部具有直线加/减速驱动、抛物线加/减速驱动、加减速度设定、最闻速度设定等功能。所述力矩马达采用步进式力矩马达，转矩范围0.061-0.123N.m，堵转电流0.3A，转矩灵敏度0.028N.m ;所述各电位器采用5ΚΩ的360度旋转电位器，传感器精度1%。，输出信号-1OV +IOV。所述无线模块1、II的通信距离1000m，通信频率900MHz。微处理器II作为主机，它担当系统管理、机械臂语言编译和人机接口功能，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公共内存，供微处理器III读取它。微处理器III完成全部关节位置、力数字控制。它从公共内存读给定值，也把各关节实际位置送回公共内存中，微处理器II使用。带电抢修机器人位置反馈主手系统的控制方法，包括以下步骤:(I)所述的主手的电位器采集主手的位置信号；(2)所述的机械臂的电位器采集机械臂夹持器的位置信号，并与步骤(I)的信号进行比较，将比较后的信号发送给微处理器II ；(3)微处理器II通过串口发送给微处理器I ;(4)微处理器I发送给运动控制器，运动控制器控制马达驱动器，马达驱动器驱动主手的力矩马达进行运动，力矩马达控制主手运动；(5)回到步骤(1)，进行循环。采用上述方案，本发明具有以下优点:
一是采用力反馈技术，具有对环境的感知能力，能极大提高操作的灵活性、准确性，大幅度提高作业效率，完成修补导线、更换横担、跌落保险等复杂作业项目；二是采用主从式控制方式操作灵活方便，不需要复杂的直线插补、圆弧插补等复杂运动学算法；三是系统采用模块化设计，具有开放性、可读性、可扩展性、可维护性，以便持续开发；四是主从控制系统通讯方式采用无线通信，便于带电抢修机器人布线，可实现高电压绝缘。
图1是本发明总框图；图2是本发明主手的结构图；图3是本发明主手主控制板硬件接口连接图；图4是本发明主手从控制板硬件接口连接图；图5是本发明手持终端电路图；图6是本发明位置控制方框图；其中，I基座，2力矩马达，3平衡块，4肩关节，5上臂，6肘关节，7前臂，8腕关节，9电位器，10手柄。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。图1中，一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，其手持终端包括微处理器I，它分别与键盘和液晶显示屏以及主手控制器相连；主手控制器采用DSP芯片，包括微处理器II和微处理器III，微处理器II分别与微处理器I和双口 RAM连接，双口 RAM与微处理器III相连；微处理器III分别与运动控制器相连，运动控制器与马达驱动器相连，马达驱动器与主手的力矩马达2相连；A/D转换器I与主手的若干电位器(在每个关节运动轴处)相连，微处理器II与A/D转换器1、无线模块I相连，无线模块I通过无线模块II与机械臂控制器连接。马达驱动器采用MCX314控制芯片，可同时控制4轴，内部具有直线加/减速驱动、抛物线加/减速驱动、加减速度设定、最闻速度设定等功能。微处理器1、微处理器II和微处理器III均采用TMS320F28335芯片，具有浮点处理功能；所述A/D转换器I采用MAX1312芯片，同时采集8路模拟量，采集范围-1OV +10V，12位精度。力矩马达2采用步进式力矩马达，转矩范围0.061-0.123N.m，堵转电流0.3A，转矩灵敏度0.028N.m;所述各电位器采用5ΚΩ的360度旋转电位器，传感器精度1%。，输出信号-1OV +IOV0图2中，主手为6自由度主手，包括基座1，基座I上安装有支撑臂，支撑臂的底部安装力矩马达2，支撑臂上端作为肩关节4，上臂5安装在肩关节4上，上臂5的后端为平衡块3 ;上臂5的前端与肘关节6连接，肘关节6与前臂7连接，前臂7的末端为腕关节8，腕关节8与腕臂一端连接，腕臂另一端与手柄10连接，在每个关节处均带有电位器9和力矩马达2，实现腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部摇摆。远端从手的静态或动态的力，通过这些力矩马达2反映到主手。在初始上电时，这些力矩马达2自动地设置主手。无线模块1、II的通信距离1000m，通信频率900MHz，抗干扰能力强，通信距离远。微处理器II作为主机，它担当系统管理、机械臂语言编译和人机接口功能，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公共内存，供微处理器III读取它。微处理器III完成全部关节位置、力数字控制。它从公共内存读给定值，也把各关节实际位置送回公共内存中，微处理器II使用。图3中，嵌入式主控制器包括双口 RAM、微处理器I1、串口接收发送器、串口、从控制器接 口。微处理器 II 的 XD0-15 接双口 RAM 的 100-15L、/XRD 接 /OEL、/XffE 接 R//WL、/XZCSl 接/CEL、XA0-11 接 AO-11L。双口 RAM 的 M//S 接 3.3V，设置成主模式。双口 RAM 的100-15R、/0ER、R//WR、/CER、A0-llR接从控制器接口。微处理器 II 的 SCITXDA接MAX32321、II的11脚，SCIRXDA接12脚，MAX3232的13、14脚接到串口、无线模块。微处理器II的XD0-11、X1NT2、/XWE、/XRD、/XZCS2 接 A/D 转换器 11304MAX1312 的 D0-11、/OEL、/WR、/RD、/CS脚。主手的电位器接A/D转换器MAX1312的CH0-7脚。图4中，嵌入式从控制板包括双口 RAM接口、微处理器II1、16M有源晶振、运动控制芯片1、运动控制芯片I1、驱动器接口。双口 RAM接口的100-15R、/OER, R//WR、/CER,A0-11R 接微处理器 III 的 XD0-15、/XRD、/XWE、/XZCS2、XA0-11。微处理器 III 的 XD0-15、/XRD, /XWE, XA14、XA0-2 分别接运动控制芯片 I 的 DO-15、RDN、WRN、CSN、A0-2。微处理器III 的 XDO-15、/XRD, /XWE, XA13、XA0-2 分别接运动控制器的 DO-15、RDN、WRN、CSN、A0-2。16M有源晶振的输出口接运动控制芯片1、11的53脚。运动控制芯片I的35、36脚分别接驱动器I的正脉冲、负脉冲输入口 ；运动控制芯片I的38、39脚分别接驱动器II的正脉冲、负脉冲输入口 ；运动控制芯片I的40、41脚分别接驱动器III的正脉冲、负脉冲输入口 ；运动控制芯片I的42、43脚分别接驱动器IV的正脉冲、负脉冲输入口。运动控制芯片II的35、36脚分别接驱动器V的正脉冲、负脉冲输入口 ；运动控制芯片II的38、39脚分别接驱动器VI的正脉冲、负脉冲输入口。图5中，手持终端由微处理器1、液晶模块、逻辑电平转换器、键盘管理模块、键盘、稳压芯片1、稳压芯片I1、串口接收发送器、串口组成。稳压芯片1、稳压芯片I给微处理器I供电。微处理器的GIP10B1与ADG3308的2脚连接，GP10B5与5脚连接，XINT2与6脚连接。GP10A0-7与液晶模块的DB0-7连接，GPIOBO与REQ连接，GP10B2与CS连接，液晶模块5V供电。ADG3308的16脚与HD7279的DATA脚连接，15与KEY脚连接。微处理器I的GP10B3与HD7279的CS脚连接，GP10B4与CLK脚连接。键盘的输出接HD7279的DIG0-7、DP-SG。微处理器 I 的 SCITXDA 接 MAX3232 的 11 脚，SCIRXDA 接 12 脚，MAX3232 的 13、14 脚接到串口。图6中，给出了带电抢修机器人位置反馈主手系统的控制方法:具体方法包括如下步骤:(I)主手的电位器采集主手的位置信号；(2)机械臂的电位器采集机械臂夹持器的位置信号，并与步骤(I)的信号进行比较，将比较后的信号发送给微处理器II ；
(3)微处理器II通过串口发送给微处理器I ;(4)微处理器I发送给运动控制器，运动控制器控制马达驱动器，马达驱动器驱动主手的力矩马达2进行运动，力矩马达2控制主手运动；(5)回到步骤(1)，进行循环。
权利要求
1.一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，它包括手持终端、主手控制器以及机械臂控制器；手持终端包括微处理器I，它分别与液晶模块、键盘连接；所述主手控制器采用嵌入式微处理器II和微处理器III，所述微处理器II通过串口与微处理器I连接，通过双口 RAM与微处理器III连接，微处理器II还与A/D转换器1、无线模块I相连，A/D转换器I与机械臂的主手的电位器连接，无线模块I与无线模块II通信，无线模块II与机械臂控制器连接；微处理器III与运动控制器连接，运动控制器与马达驱动器连接，马达驱动器驱动主手的力矩马达。
2.按权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述的电位器和力矩马达分别设于机械臂主手的每个关节处，实现腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部摇摆。
3.按权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述微处理器II通过MAX32321、I1、III三芯片分别与串口、无线模块I以及A/D转换器I连接，串口与微处理器I连接； 微处理器III与运动控制器连接，运动控制器包括运动控制芯片1、II，两运动控制芯片1、II分别与各自的16M有源晶振连接，运动控制芯片I与四个主手马达驱动器接口连接，运动控制芯片II与两个主手马达驱动器接口连接，每个驱动器接口分别接收正、负脉冲。
4.按权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述微处理器I还与稳压芯片1、II连接；微处理器I通过MAX3232IV与串口连接，通过逻辑电平转换器分别与液晶模块和键盘管理模块连接，键盘管理模块与键盘连接。
5.按权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述微处理器1、微处理器II和微处理器III均采用TMS320F28335芯片，具有浮点处理功能；所述A/D转换器I采用MAX1312芯片，同时采集8路模拟量，采集范围-1OV +10V，12位精度。
6.按权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述马达控制器采用MCX314控制芯片。
7.按权利要求1或2所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述力矩马达采用步进式力矩马达，转矩范围0.061-0.123N.m,堵转电流0.3A，转矩灵敏度0.028N.m ；所述各电位器采用5ΚΩ的360度旋转电位器，传感器精度1%。，输出信号-1OV +10V。
8.按权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述无线模块.1、II的通信距离1000m，通信频率900MHz。
全文摘要
本发明涉及一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，它采用位置、力伺服双闭环控制方式，控制精度高、实时性好、性能稳定可靠、操作更加方便，满足高压带电机器人作业任务的要求。它包括手持终端、主手控制器以及机械臂控制器；手持终端包括微处理器I，它分别与液晶模块、键盘连接；主手控制器采用微处理器II和微处理器III，微处理器II通过串口与微处理器I连接，通过双口RAM与微处理器III连接，微处理器II还与A/D转换器I、无线模块I相连，A/D转换器I与主手的电位器连接，无线模块I与无线模块II通信，无线模块II与机械臂控制器连接；微处理器III与运动控制器连接，运动控制器与马达驱动器连接，马达驱动器驱动主手的力矩马达。
文档编号B25J3/04GK103085055SQ20131003270
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者吕曦晨, 赵玉良, 鲁守银, 李健, 王振利 申请人:山东电力集团公司电力科学研究院, 国家电网公司