一种智能助力机械手控制系统的制作方法

本发明涉及物料提升及搬运领域，尤其涉及一种智能助力机械手控制系统。

背景技术：

近些年来，传统物料搬运装置的生产率不高和操作性不强等问题，促使生产者和物料处理设备的使用者更为积极和迫切的寻求新的设备和系统。传统的物料搬运设备在工业生产中虽然可操作性强，但在搬运过程中的准确性，安全性和有效性等方面都有待提高。而传统的工业机器人由于工作速度快、惯性大等原因，不允许操作人员在其作业空间内活动，操作人员的工作区间有限。使用传统的物料搬运设备，就会造成人力劳动强度大，效率低，准确性不理想等问题。

现在行业内主要采用行车、电动葫芦和工业机器人等设备进行辅助搬运的工作。但是，行车、电动葫芦等传统提升设备存在明显的缺陷，主要有以下几点：

(1)缺乏控制系统，提升精度很低，难以实现精确的轨迹控制；

(2)机械结构笨重，重量大，十分占据空间；

(3)提升速度和横向移动速度慢，生产效率低；

(4)操作极其不方便，易用性较差；

(5)工作噪音大，操作工人的工作环境较差；

除了上述缺点外，传统提升设备的升降机较难精准控制，导致工件在搬运时容易碰撞，需要用手抓住工件，来实现精确定位和装配，加重了工人的负担，增加了工作的风险。

智能助力机械手能够有效解决传统物料搬运设备存在的人力劳动强度大，精度低，应用范围窄，易用性差等缺点，完成由传统提升设备不能或难以完成的任务，使得人和机器能够在一个物理空间协同作业，同时能够大大提高生产效率，节约成本。它具有以下几点优势：

(1)体积小，重量轻。在进行结构优化和轻量化设计之后，能够有效减小智能助力机械手的体积和重量，更加便于进行运输，安装，拆卸，维护等工作。

(2)定位精度高。定位精度可以达到1mm，完全可以媲美现有的工业机器人。

(3)工作运行时的噪声小，能够极大的改善工人的劳动环境。

(4)提升速度快。采用最新的电机和伺服控制技术，能大大提高速度。

此外，智能助力机械手可以直接用手操纵工件，精确、快速地定位，或者通过手柄助力搬运，灵活自如，提高效率，能够防止刮蹭、碰撞等损耗。该设备的稳定性、安全性和易用性方面也有很大的提升。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种智能助力机械手控制系统。

本发明采用的技术方案是：

一种智能助力机械手控制系统，所述智能助力机械手包括提升系统及其操作手柄，操作手柄设置在提升系统的下方，其特征在于，控制系统包括有称重传感器、限位开关、伺服电机、伺服驱动器、plc、光电传感器、拉压力传感器、模式切换按钮；

所述称重传感器、限位开关与提升系统布置在一起，称重传感器用于检测系统的总称重量；限位开关分为上限位开关和下限位开关，用于限定工件提升的最高位置和最低位置；

所述光电传感器、拉压力传感器和模式切换按钮设置在手柄上，光电传感器用于检测人手是否握住操作手柄；拉压力传感器用于检测人手施加在操作手柄上的操作力；模式切换按钮包括悬浮模式按钮和悬浮卸载模式按钮，结合光电传感器用于切换包括手柄模式、悬浮模式、悬浮卸载模式在内的三种操作模式；

所述称重传感器、限位开关、光电传感器、拉压力传感器和模式切换按钮的信号均输入plc，plc根据输入信号给伺服驱动器发送控制指令，伺服驱动器根据控制信号驱动伺服电机转动，带动工件提升或下降。

所述的一种智能助力机械手控制系统，其特征在于：所述三种操作模式的具体操作方式为：当人手握住手柄，光电传感器将检测到的信号输入plc，系统切换到手柄模式；当悬浮模式按钮按下，plc检测到信号，系统切换到悬浮模式；当悬浮卸载模式按钮按下，plc检测到信号，系统切换到悬浮卸载模式。

所述的一种智能助力机械手控制系统，其特征在于：所述手柄模式下的系统控制流程为：系统切换到手柄模式后，操作手柄上的拉压力传感器生效，称重传感器判断提升工件是否超重，若超过允许的最大重量则立刻报警；上、下限位开关同时工作，若上限位开关触发，则禁止上行，只能向下，若下限位开关触发，则禁止下行，只能向上，拉压力传感器检测人手施加的拉力或压力的大小，plc读取拉压力传感器数值控制伺服电机转速；向下轻轻拉操作手柄，工件向下运动；向上提操作手柄，工件向上运动，工件运动的速度与操作力成正比，操作力越大工件运动速度越快，越小速度越低，当人手离开手柄时，伺服电机立即停止；同时，在手柄模式下若是按下悬浮模式或悬浮卸载模式切换按钮，则立刻切换到对应的模式。

所述的一种智能助力机械手控制系统，其特征在于：所述悬浮模式下的系统控制流程为：系统切换到悬浮模式后，手柄上的拉压力传感器失效，称重传感器延迟一定时间后检测重物的重量作为初始值，若超过允许的最大重量则立刻报警；上、下限位开关同时工作，若上限位开关触发，则禁止上行，只能向下，若下限位开关触发，则禁止下行，只能向上；同时称重传感器实时检测重物的重量，若此时重量大于初始值，说明人手施加了压力，工件向下运动，若此时重量小于初始值，说明人手施加了拉力，工件向上运动，操作者施加的力越大，伺服电机的转速越快，工件运动速度越快，当人手离开工件时，伺服电机停止.

所述的一种智能助力机械手控制系统，其特征在于：所述悬浮模式下的系统控制还增加了卸载判断，可以保障在大部分情况下工件着地时不会反弹，若没有卸载判断，正常情况下，工件着地时，部分卸载，称重传感器检测到整体重量减轻，认为人手施加了向上的力，从而控制电机提起工件，这样导致工件在悬浮模式下无法着地的情况，刚碰到地就会反弹；卸载判断具体判断方式为，当上一个操作状态为向下，且称重量减小数值超过允许的阈值，即判断为卸载，电机停转。因为在操作者操作工件时，向上拉和向下压之间总会存在一个时间停顿，且向上的拉力都在阈值范围内，只有着地时，才会出现称重量突然减小的情况。因此实现了工件在悬浮模式下的卸载。

所述的一种智能助力机械手控制系统，其特征在于：所述悬浮卸载模式下的系统控制流程为：系统切换到悬浮卸载模式后，操作手柄上的拉压力传感器失效，称重传感器延迟一定时间后检测重物的重量作为初始值，若超过允许的最大重量则立刻报警；下限位开关开始工作，若触发，则禁止下行，只能向上；同时在悬浮卸载模式下，工件只能向下，不能向上，即只当称重量减小时，控制电机转动，当称重量增大时，继续读数。

本发明增加的悬浮卸载模式能够满足任意形状的工件在任意斜面上的卸载，由于工件形状不规则或者在斜面上卸载时，称重量减小数值在允许的阈值内，利用悬浮模式难以实现卸载，此时就需要悬浮卸载模式完成卸载。

所述的一种智能助力机械手控制系统，其特征在于：所述提升系统包括减速器、卷筒，用于传动、提升工件。

本发明的优点是：

1.传统的电动葫芦等提升设备通过按键控制，控制方式单一，需要操作者手拿手柄，按键实现提升下降，效率低下，易用性差。本发明的智能助力机械手的控制系统，控制模式多样，灵活可切换，直接用手操纵工件，或者通过手柄助力搬运，易用性强，能使得人和机器能够在一个物理空间协同作业，大大提高生产效率，节约成本。

2.传统的提升设备速度可调范围小，定位不准确，在搬运精密零件或是易碎物品进行卸货时，容易与地面发生碰撞，从而损坏物品。而本发明的智能助力机械手的控制系统，通过检测人的操作力改变提升速度，速度变化范围大，能实现微调，准确快速定位，能够防止刮蹭、碰撞等损耗。通过悬浮模式的卸载判断以及悬浮卸载模式，可以完成任意形状的工件，在任意地面或斜面上的平稳卸载，有效防止了工件的反弹，实用性强，应用范围广。

3.本发明控制系统可靠性和稳定性更强，在初始状态和运行过程均对传感器信号设定合理的阈值，有效防止了传感器数值波动或是其他干扰因素导致的抖动情况，使得提升过程平稳可靠，精度高。

附图说明

图1为本发明一种智能助力机械手控制系统示意图；

图2为本发明一种智能助力机械手控制系统手柄模式控制流程图；

图3为本发明一种智能助力机械手控制系统悬浮模式控制流程图；

图4为本发明一种智能助力机械手控制系统悬浮卸载模式控制流程图；

图5为本发明一种智能助力机械手控制系统提升速度与操作力的对应关系。

图中：提升系统1、操作手柄2、工件3、称重传感器4、限位开关5、伺服电机6、伺服驱动器7、plc8、光电传感器9、拉压力传感器10、模式切换按钮11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例。

如图1所示，一种智能助力机械手控制系统，所述智能助力机械手包括提升系统1及其操作手柄2，提升系统1包括减速器、卷筒，用于传动、提升工件3，操作手柄2设置在提升系统1的下方，控制系统包括有称重传感器4、限位开关5、伺服电机6、伺服驱动器7、plc8、光电传感器9、拉压力传感器10、模式切换按钮11；

所述称重传感器、限位开关与提升系统布置在一起，称重传感器用于检测系统的总称重量；限位开关分为上限位开关和下限位开关，用于限定工件提升的最高位置和最低位置；

所述光电传感器、拉压力传感器和模式切换按钮设置在手柄上，光电传感器用于检测人手是否握住操作手柄；拉压力传感器用于检测人手施加在操作手柄上的操作力；模式切换按钮包括悬浮模式按钮和悬浮卸载模式按钮，结合光电传感器用于切换包括手柄模式、悬浮模式、悬浮卸载模式在内的三种操作模式；

所述称重传感器、限位开关、光电传感器、拉压力传感器和模式切换按钮的信号均输入plc，plc根据输入信号给伺服驱动器发送控制指令，伺服驱动器根据控制信号驱动伺服电机转动，带动工件提升或下降。

三种操作模式的具体操作方式为：当人手握住手柄，光电传感器将检测到的信号输入plc，系统切换到手柄模式；当悬浮模式按钮按下，plc检测到信号，系统切换到悬浮模式；当悬浮卸载模式按钮按下，plc检测到信号，系统切换到悬浮卸载模式。

如图2所示，手柄模式下的系统控制流程为：系统切换到手柄模式后，操作手柄上的拉压力传感器生效，称重传感器判断提升工件是否超重，若超过允许的最大重量则立刻报警；上、下限位开关同时工作，若上限位开关触发，则禁止上行，只能向下，若下限位开关触发，则禁止下行，只能向上，拉压力传感器检测人手施加的拉力或压力的大小，plc读取拉压力传感器数值控制伺服电机转速；向下轻轻拉操作手柄，工件向下运动；向上提操作手柄，工件向上运动，工件运动的速度与操作力成正比，操作力越大工件运动速度越快，越小速度越低，当人手离开手柄时，伺服电机立即停止；同时，在手柄模式下若是按下悬浮模式或悬浮卸载模式切换按钮，则立刻切换到对应的模式。

如图3所示，悬浮模式下的系统控制流程为：系统切换到悬浮模式后，手柄上的拉压力传感器失效，称重传感器延迟一定时间后检测重物的重量作为初始值，若超过允许的最大重量则立刻报警；上、下限位开关同时工作，若上限位开关触发，则禁止上行，只能向下，若下限位开关触发，则禁止下行，只能向上；同时称重传感器实时检测重物的重量，若此时重量大于初始值，说明人手施加了压力，工件向下运动，若此时重量小于初始值，说明人手施加了拉力，工件向上运动，操作者施加的力越大，伺服电机的转速越快，工件运动速度越快，当人手离开工件时，伺服电机停止.

悬浮模式下的系统控制还增加了卸载判断，可以保障在大部分情况下工件着地时不会反弹，若没有卸载判断，正常情况下，工件着地时，部分卸载，称重传感器检测到整体重量减轻，认为人手施加了向上的力，从而控制电机提起工件，这样导致工件在悬浮模式下无法着地的情况，刚碰到地就会反弹；卸载判断具体判断方式为，当上一个操作状态为向下，且称重量减小数值超过允许的阈值，即判断为卸载，电机停转。因为在操作者操作工件时，向上拉和向下压之间总会存在一个时间停顿，且向上的拉力都在阈值范围内，只有着地时，才会出现称重量突然减小的情况。因此实现了工件在悬浮模式下的卸载。

如图4所示，悬浮卸载模式下的系统控制流程为：系统切换到悬浮卸载模式后，操作手柄上的拉压力传感器失效，称重传感器延迟一定时间后检测重物的重量作为初始值，若超过允许的最大重量则立刻报警；下限位开关开始工作，若触发，则禁止下行，只能向上；同时在悬浮卸载模式下，工件只能向下，不能向上，即只当称重量减小时，控制电机转动，当称重量增大时，继续读数。

本发明增加的悬浮卸载模式能够满足任意形状的工件在任意斜面上的卸载，由于工件形状不规则或者在斜面上卸载时，称重量减小数值在允许的阈值内，利用悬浮模式难以实现卸载，此时就需要悬浮卸载模式完成卸载。

限位开关：分为上限位开关和下限位开关，在机械手上升到上限位时，无论进行什么操作都禁止上行，但可以向下运动，在机械手下降到下限位时，无论进行什么操作都禁止下行，但可以向上运动。

本发明控制系统的提升速度与操作力的对应关系如图5所示，在操作力未超过阈值时，使得提升速度为零，这样可以防止传感器数值波动所带来的抖动，使得控制效果更好。另外，在运行过程中，假定上一时刻检测的操作力为f1，当前时刻检测的操作力为f2，ε为阈值，只有当|f2-f1|>ε时，才根据f2的值控制电机转动，这样可以由于传感器数值波动或是其他干扰因素导致的抖动情况，使得智能助力机械手运行更为稳定，控制效果更佳。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。