专利名称：带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机器人控制技术，尤其是一种带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统。
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，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。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统，此带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统采用位置、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，本实用新型采用如下技术方案:一种带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统，包括手持终端、嵌入式主手控制器和机械臂控制器，所述手持终端包括微处理器I，它分别与人机接口单元和嵌入式主手控制器相连；所述嵌入式主手控制器包括微处理器II，它通过串口与微处理器I连接，微处理器II通过数 据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器I通信，A/D转换器I与机器人主手各关节处的电位器连接；微处理器II还通过马达驱动器与主手各关节处的力矩马达连接；微处理器II与无线模块I连接；所述机械臂控制器包括微处理器III，微处理器III通过无线模块II与无线模块I通信；同时微处理器III还通过地址总线、数据总线和控制总线与A/D转换器II连接，A/D转换器II则与机械臂各关节处的电位器连接；同时微处理器III还通过数据总线、时钟总线与D/A转换器连接，D/A转换器与液压放大器连接，液压放大器与若干伺服阀连接，每个伺服阀的进回油口安装有压力传感器，压力传感器与A/D转换器II连接；各伺服阀与相应液压缸连接，液压缸输出轴与机械臂连接。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。所述的机械臂是7自由度机械臂，压力传感器测量进油口和回油口的差压，反应出机械臂对环境压力的大小和方向；液压源设有电磁阀用来开关液压源。所述机械臂的主手为6自由度主手，其上的每个关节转轴处均带有电位器，带5个力矩电机，包括腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部摇摆力矩电机。所述手持终端的微处理器I通过串口接收发送器MAX3232芯片与串口连接，同时微处理器I还与稳压芯片1、稳压芯片II连接；微处理器I通过逻辑电平转换器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。所述嵌入式主手控制器的微处理器II通过MAX3232I与串口连接，通过MAX3232II与无线模块I连接，通过运动控制模块与电机驱动模块连接，电机驱动模块与连接端子I连接，连接端子I经过模块I与光耦隔离模块I连接，光耦隔离模块I与微处理器II连接；微处理器II与光耦隔离模块II连接，光耦隔离模块II与O模块连接，O模块与连接端子II连接，连接端子II与A/D转换模块连接，A/D转换模块与多路转换器连接，多路转换器与微处理器II连接。所述机械臂控制器的微处理器III通过MAX3232III与无线模块II连接；微处理器III通过D/A转换模块与伺服阀放大器连接，伺服阀放大器与机械臂的伺服阀连接；微处理器III通过光耦隔离模块与O模块连接，O模块与电磁阀连接；机械臂的各压力传感器通过A/D转换模块II与微处理器III连接；机械臂的各电位器通过A/D转换模块II与微处理器III连接。采用上述方案，本实用新型具有以下优点: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机械臂系统操作灵活方便，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；五是控制系统带有各种标准接口、机械限位、软件限位，功能齐全，位置精度高。
[0023]图1是本实用新型总框图；图2是本实用新型主手控制器的电路图；图3是本实用新型手持终端电路图；图4是本实用新型机械臂控制器电路图；图5是本实用新型机械臂电路图；图6是本实用新型总体流程图；图7是本实用新型主从手自动对应流程图；图8是本实用新型主从控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对实用新型做进一步说明。图1中，一种带电抢修机器人主从式力反馈液压机械臂控制器，包括手持终端、嵌入式主手控制器和机械臂控制器，其特征是，所述手持终端包括微处理器I，它分别与人机接口单元和嵌入式主手控制器相连；所述嵌入式主手控制器包括微处理器II，它分别与微处理器1、无线模块I连接；同时，微处理器II通过数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器I的数据总线、地址总线、控制总线通信，A/D转换器I与主手的若干电位器之间通过数据总线和电源总线通信；力矩马达驱动器与主手的若干个力矩马达(在每个关节运动轴处)相连；所述机械臂控制器包括微处理器III，它通过数据总线和时钟总线与D/A转换器连接，通过地址总线、数据总线和控制总线与A/D转换器II连接，微处理器III还与电磁阀、无线模块II连接； 同时，A/D转换器II与机械臂上每个关节运动轴处的若干电位器连接；A/D转换器II与若干压力传感器相连；D/A转换器与液压放大器连接；液压放大器与若干伺服阀连接，各伺服阀与相应液压缸连接，液压缸输出轴与机械臂连接。步进马达控制器采用X7083，同时控制8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1、A/D转换器II均采用MAX1312芯片；所述D/A转换器采用DAC7678 芯片。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 +IOV0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。机械臂是7自由度机械臂，机械臂各关节的运动通过相应的液压执行器来执行；每个执行器由一个相应的液压伺服阀来控制；在每个伺服阀的进回油口安装有压力传感器，测量进油口和回油口的差压，反应出机械臂对环境压力的大小和方向，除了液压伺服阀，还增加了减压阀和电磁阀；电磁阀用来开关液压源；外部油液压力不能超过3000PSI ；阀板上设有控制单元通过控制总线与液压伺服驱动器连接，上臂和前臂上的电位器通过位置信号总线与液压伺服驱动器连接，液压伺服驱动器通过电源总线供电。供了一个带力反馈的平行手爪。由于平行手爪独特的控制方法，允许操作者改变手爪开合的速度和抓持力的大小。机械臂用压力传感器安装在伺服阀的进回油口上，精度:±2.5%，输出信号-1OV +10V，压力传感器经过精密的温度补偿、不锈钢密封焊接结构和完善的装配工艺，使其具有高精度、高抗干扰、过载和抗冲击等特点。伺服阀为MOOG航空用射流管式电液流量伺服阀，型号:M0D211_135，压力1500psi，驱动信号为-20mA +20mA。无线模块的通信距离1000m，通信频率900MHz，抗干扰能力强，通信距离远。主手为6自由度主手，其上的每个关节转轴处均带有电位器，带5个力矩电机，包括腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部摇摆力矩电机。图2中，主手控制板由微处理器1、运动控制模块、电气驱动器、I模块、光耦隔离模块、A/D转换模块、多路转换器、O模块、MAX3232模块等组成。微处理器I的输入输出分别与运动控制模块、光耦隔离模块、多路转换器、MAX3232的输入输出连接；运动控制模块的输入与电机驱动的输入连接，电机驱动的输出与连接端子I连接，连接端子I的输出与I模块的输入连接，I模块的输出与光耦隔离模块的输入连接；连接端子II的输入输出与A/D转换模块、O模块的输入输出连接，A/D转换模块的输出与多路转换器的输入连接，光耦隔离模块的输出与O模块的输入连接；两片MAX3232的输出分别与串口、无线模块连接；电源分别提供给主手、主手控制板、无线模块。图3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、串口接收发送器以及串口组成。稳压芯片1、稳压芯片II给微处理器I供电。微处理器I的GIP10B1与逻辑电平转换器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，液晶模块得到5V供电。逻辑电平转换器ADG3308的16脚与键盘管理模块HD7279的DATA脚连接，键盘管理模块与KEY脚连接。微处理器I的GP10B3与键盘管理模块HD7279的CS脚连接，GP10B4与CLK脚连接。键盘的输出接键盘管理模块HD7279的DIGO-7,DP-SG0微处理器I的SCITXDA接串口接收发送器I MAX3232的11脚，SCIRXDA接12脚，串口接收发送器MAX3232的13、14脚接到串口。图4中，机械臂控制板包括D/A转换模块、伺服放大器、光耦隔离模块、O模块、A/D转换模块1、A/D转换模块I1、MAX3232、无线模块等组成。微处理器III的输入输出分别与D/A转换模块、光耦隔离模块、A/D转换模块1、A/D转换模块I1、MAX3232的输入输出连接；D/A转换模块的输出与伺服放大器的输入连接,伺服放大器的输出与伺服阀1-7的输入连接；光耦隔离模块的输出与O模块的输入连接，O模块的输出与电磁阀的输入连接；压力传感器1-6的输出与A/D转换模块I的输入连接，电位器1-7的输出与A/D转换模块II的输入连接；MAX3232的输入输出与无线模块的输入输出连接；电源分别为连接机械臂、机械臂控制板、无线模块提供电源。图5中，伺服阀1-7的2脚与机械臂电缆的19连接，伺服阀1_7的I脚分别与机械臂电缆的1、4、7、10、13、16、18连接；压力传感器1_6的I脚与机械臂电缆的21脚连接，压力传感器1-6的3脚与机械臂电缆的22脚连接，压力传感器1-6的2脚分别与机械臂电缆的2、5、811、14、20连接；电位器1_7的I脚与机械臂电缆的21脚连接，电位器1_7的3脚与机械臂电缆的22脚连接，电位器1-7的2脚分别与机械臂电缆的3、6、9、12、15、17、23脚连接；电磁的1、2脚分别与机械臂电缆的24、24脚连接。参见图6，总控程序是机器人软件系统顺序控制的核心，是整个机器人软件系统的起点。它工作在微处理器II，用于控制整个机械臂软件系统工作的，它主要完成系统初始化、输入输出读入、系统状态监测等任务。总控程序在微处理器II上电后便自动开始运行，只有当电源断开时，才停止运行。它采用循环检测的机制对各输入口进行定时检测，根据输入控制信号来顺序控制和执行相应模块功能。参见图7，在主从式力反馈机械臂系统中，打开液压电源后，主手和从手必须恢复到一个确定的对应位置，才能进行主从控制运动。机械臂控制器采集关节位置信息，并发送给主手控制器，主手控制器根据主手的位置信息、从手的位置信息的差值驱动力矩电机，自动对应到机械臂的位置姿态，当差值为零时，对应完成。具体步骤如下:(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，且将该位置信号通过无线发送模块发送给主手控制器；( 3 )主手控制器判断是否接收到机械臂的位置信号，若接收到，转到步骤(4)，若没接收到，继续等待；( 4)主手控制器比较主手的位置信号和机械臂的位置信号，若误差不为零，则驱动主手的力矩马达；若误差为零，则转到步骤(5)；(5)手持设备接收主手控制器发送的信息，手持设备端显示。参见图8，主从式力反馈机械臂控制系统软件分为主端和从端两部分。操作者操作主手运动，主手控制器采集主手电位器的位置信息并实时地将位置信息发送给机械臂控制器，机械臂控制器通过对主手的位置跟踪来完成机械臂的运动；另一方面机械臂在运动过程中由电位器检测到的位置信息、压力传感器检测到的力信息也通过无线通信反馈给主手控制器，主手控制器再将该信息发送力矩电机控制器驱动力矩电机和发送给手持终端，供显不O具体步骤如下:(I)主端的主手控制器发送开始指令，同时从端的机械臂控制器初始化机械臂的压力传感器和电位器；(2)所述的主手控制器创建主手位置检测线程且所述的机械臂控制器创建夹持器位置控制线程，转到步骤(3);所述的主手控制器创建力设置线程且所述的机械臂控制器创建压力和加持力检测线程，转到步骤(5)；(3)所述的主手位置检测线程对主手位置检测并向从端的机械臂控制器发送位置指令，且位置检测不断循环；(4)从端的机械臂控制器接收到主端的位置信号指令，机械臂控制器控制夹持器的位置；(5)机械臂的压力传感器采集力信号，并发送给机械臂控制器，所述机械臂主控制器通过无线通讯模块发送给主手控制器；所述的主手控制器将力信号传递给力矩马达，所述的力矩马达输出力信号给操作者，并且主手控制器将力信号发送给手持终端。
权利要求1.一种带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统，包括手持终端、嵌入式主手控制器和机械臂控制器，其特征是，所述手持终端包括微处理器I，它分别与人机接口单元和嵌入式主手控制器相连；所述嵌入式主手控制器包括微处理器II，它通过串口与微处理器I连接，微处理器II通过数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器I通信，A/D转换器I与机器人主手各关节处的电位器连接；微处理器II还通过马达驱动器与主手各关节处的力矩马达连接；微处理器II与无线模块I连接；所述机械臂控制器包括微处理器III，微处理器III通过无线模块II与无线模块I通信；同时微处理器III还通过地址总线、数据总线和控制总线与A/D转换器II连接，A/D转换器II则与机械臂各关节处的电位器连接；同时微处理器III还通过数据总线、时钟总线与D/A转换器连接，D/A转换器与液压放大器连接，液压放大器与若干伺服阀连接，每个伺服阀的进回油口安装有压力传感器，压力传感器与A/D转换器II连接；各伺服阀与相应液压缸连接，液压缸输出轴与机械臂连接。
2.如权利要求1所述的带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统，其特征是，所述机械臂是7自由度机械臂，压力传感器测量进油口和回油口的差压，反应出机械臂对环境压力的大小和方向；液压源设有电磁阀用来开关液压源。
3.如权利要求1所述的带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统，其特征是，所述主手为6自由度主手，其上的每个关节转轴处均带有电位器，带5个力矩电机，包括腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部摇摆力矩电机。
4.如权利要求1所述的带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统，其特征是，所述手持终端的微处理器I通过串口接收发送器MAX3232芯片与串口连接，同时微处理器I还与稳压芯片1、稳压芯片 II连接；微处理器I通过逻辑电平转换器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.如权利要求1所述的带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统，其特征是，所述嵌入式主手控制器的微处理器II通过MAX3232I与串口连接，通过MAX3232II与无线模块I连接，通过运动控制模块与电机驱动模块连接，电机驱动模块与连接端子I连接，连接端子I经过模块I与光耦隔离模块I连接，光耦隔离模块I与微处理器II连接；微处理器II与光耦隔离模块II连接，光耦隔离模块II与O模块连接，O模块与连接端子II连接，连接端子II与A/D转换模块连接，A/D转换模块与多路转换器连接，多路转换器与微处理器II连接。
6.如权利要求1所述的带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统，其特征是，所述机械臂控制器的微处理器III通过MAX3232III与无线模块II连接；微处理器III通过D/A转换模块与伺服阀放大器连接，伺服阀放大器与机械臂的伺服阀连接；微处理器III通过光耦隔离模块与O模块连接，O模块与电磁阀连接；机械臂的各压力传感器通过A/D转换模块II与微处理器III连接；机械臂的各电位器通过A/D转换模块II与微处理器III连接。
专利摘要本实用新型涉及一种带电抢修机器人主从式液压力反馈机械臂控制系统，它处理速度快、成本低、性能稳定可靠。手持终端包括微处理器I，与人机接口单元和嵌入式主手控制器相连；嵌入式主手控制器包括微处理器II，通过串口与微处理器I连接，微处理器II与A/D转换器I、无线模块I连接，A/D转换器I与电位器连接；微处理器II通过马达驱动器驱动力矩马达；无线模块II与无线模块I通信；微处理器III与A/D转换器II、电位器连接；同时微处理器III还与D/A转换器连接，D/A转换器与液压放大器连接，液压放大器与若干伺服阀连接，每个伺服阀的进回油口安装有压力传感器，压力传感器与微处理器III连接；各伺服阀与相应液压缸连接，液压缸输出轴与机械臂连接。
文档编号B25J13/08GK203077287SQ20132004697
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者赵玉良, 鲁守银, 吕曦晨, 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