伺服控制智能助力機(jī)械手系統(tǒng)功能分析
隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用,但受成本和功能限制還不能獨(dú)立完成所有的物料搬運(yùn)工作,大量的物料搬運(yùn)工作仍需要人來(lái)完成。如何降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高工作效率,避免對(duì)工人的身體傷害,西方國(guó)家在傳統(tǒng)的專用工具和助力設(shè)備基礎(chǔ)上,研發(fā)新一代人機(jī)工程設(shè)備:智能輔助設(shè)備IAD (Intelligent Assist Device),是一種可與操作者在同一物理空間實(shí)現(xiàn)人機(jī)合作作業(yè)的特種作業(yè)機(jī)器人。它主要用于各種裝配生產(chǎn)線、物流傳送作業(yè)等,具有以下幾個(gè)特點(diǎn):
1. 輕松搬運(yùn):零重力操作,可完成物料的搬運(yùn)、裝配和定位工作,成為各行業(yè)物料搬運(yùn)裝備的首選。
2. 精確定位:懸掛載荷后,在空中處于“浮動(dòng)”狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)所操作物料的快速定位。
3. 操作簡(jiǎn)單:不需要控制按鈕,人的動(dòng)作即機(jī)械的動(dòng)作指令。剛性結(jié)構(gòu),可配備任何形式的夾具系統(tǒng)。
4. 高效安全:人機(jī)合作,減少誤操作,提高安全保障和工作效率。
一、目前智能助力機(jī)械手的搬運(yùn)能力在80kg ~ 320kg 之間,基本參數(shù)見(jiàn)下表。
二、安裝形式基本可分為:立柱式、吊頂式和吊頂軌道式三種,外形圖片見(jiàn)圖 1。
三、系統(tǒng)功能分析:
1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
圖 3
2)系統(tǒng)控制
系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用分散控制方式,上位機(jī)以高性能單片機(jī)為控制核心,其任務(wù)是接受處理下位機(jī)信號(hào)并控制驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng);下位機(jī)以高性能單片機(jī)為控制核心,其任務(wù)是接受處理末端操作信號(hào)并傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用RS232串口通訊方式。提升系統(tǒng)總體控制方案如圖4所示。
圖 4 系統(tǒng)總體控制方案
3)微操作力控制
提升系統(tǒng)采用微操作力控制方式。提升系統(tǒng)的微操作力控制原理是僅僅利用末端操作器檢測(cè)操作者施加的微操作力,通過(guò)在線的實(shí)時(shí)處理,及時(shí)響應(yīng)操作者的上下動(dòng)作,大大降低慣性,延展操作者的手臂,這是提升系統(tǒng)的指尖控制調(diào)節(jié)模式,其控制原理方框圖如圖5所示。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載位置的精細(xì)移動(dòng)調(diào)節(jié),設(shè)置了提升系統(tǒng)的微調(diào)模式,即利用按鈕開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)負(fù)載重物的位置微小調(diào)節(jié),每次移動(dòng)速度能達(dá)到0.5mm/s,實(shí)現(xiàn)位置精確調(diào)節(jié)。
圖 5 控制原理方框圖
4)提升系統(tǒng)控制原理
整個(gè)系統(tǒng)由高性能單片機(jī)、功率放大模塊、通訊模塊、濾波電路模塊等組成。其中高性能單片機(jī)主要負(fù)責(zé)控制算法的計(jì)算,功率放大模塊實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的放大及電機(jī)的過(guò)流保護(hù),濾波放大電路模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)末端操作器和壓力傳感器信號(hào)處理,通訊模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)控制原理如圖6所示。
圖 6 系統(tǒng)控制原理
在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中,用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生周期為5ms的時(shí)間中斷,以便使采樣時(shí)間任務(wù)由就緒狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),在采樣時(shí)間任務(wù)中,通過(guò)正交編碼計(jì)數(shù)器,經(jīng)過(guò)辨向,得到電機(jī)當(dāng)前速度和位置,然后通過(guò)位置及速度閉環(huán)算法得到應(yīng)該所要求輸出的控制量,即PWM占空比,經(jīng)過(guò)功率放大,以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在這個(gè)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)模塊的電流采樣環(huán)節(jié)對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè),當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定值時(shí),電流截止保護(hù)電路會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)來(lái)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)模塊以保護(hù)電動(dòng)機(jī),單片機(jī)通過(guò)中斷對(duì)末端操作器的命令進(jìn)行檢測(cè),以實(shí)時(shí)的響應(yīng)來(lái)自末端操作器的各種命令,并做出應(yīng)答。
5)信號(hào)采集處理
信號(hào)采集模塊主要任務(wù)接受處理末端操作器信號(hào)并將處理后的信號(hào)傳遞給上位機(jī),避免控制信號(hào)在傳遞過(guò)程中受其他噪聲信號(hào)的干擾。
末端操作器中的滑動(dòng)式電位計(jì)采用DC供電,電位計(jì)信號(hào)通過(guò)二階低通濾波器處理,去除噪聲信號(hào)的干擾??刂崎_(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離電路與下位機(jī)I/O連接,去除噪聲信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)的干擾。信號(hào)采集處理原理如圖7。
圖 7 信號(hào)采集處理原理