伺服控制智能助力機械手系統(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)機器人得到廣泛應(yīng)用，但受成本和功能限制還不能獨立完成所有的物料搬運工作，大量的物料搬運工作仍需要人來完成。如何降低工人的勞動強度，提高工作效率，避免對工人的身體傷害，西方國家在傳統(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現(xiàn)人機合作作業(yè)的特種作業(yè)機器人。它主要用于各種裝配生產(chǎn)線、物流傳送作業(yè)等，具有以下幾個特點：

　　1. 輕松搬運：零重力操作，可完成物料的搬運、裝配和定位工作，成為各行業(yè)物料搬運裝備的首選。

　　2. 精確定位：懸掛載荷后，在空中處于“浮動”狀態(tài)，可實現(xiàn)所操作物料的快速定位。

　　3. 操作簡單：不需要控制按鈕，人的動作即機械的動作指令。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、目前智能助力機械手的搬運能力在80kg ~ 320kg 之間，基本參數(shù)見下表。

　　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，上位機以高性能單片機為控制核心，其任務(wù)是接受處理下位機信號并控制驅(qū)動提升系統(tǒng)；下位機以高性能單片機為控制核心，其任務(wù)是接受處理末端操作信號并傳遞給上位機。上位機與下位機之間采用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操作者施加的微操作力，通過在線的實時處理，及時響應(yīng)操作者的上下動作，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。為了實現(xiàn)負(fù)載位置的精細(xì)移動調(diào)節(jié)，設(shè)置了提升系統(tǒng)的微調(diào)模式，即利用按鈕開關(guān)實現(xiàn)負(fù)載重物的位置微小調(diào)節(jié)，每次移動速度能達(dá)到0.5mm/s，實現(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

　　整個系統(tǒng)由高性能單片機、功率放大模塊、通訊模塊、濾波電路模塊等組成。其中高性能單片機主要負(fù)責(zé)控制算法的計算，功率放大模塊實現(xiàn)PWM信號的放大及電機的過流保護(hù)，濾波放大電路模塊實現(xiàn)對末端操作器和壓力傳感器信號處理，通訊模塊負(fù)責(zé)與上位機進(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)運行的過程中，用單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生周期為5ms的時間中斷，以便使采樣時間任務(wù)由就緒狀態(tài)進(jìn)入運行狀態(tài)，在采樣時間任務(wù)中，通過正交編碼計數(shù)器，經(jīng)過辨向，得到電機當(dāng)前速度和位置，然后通過位置及速度閉環(huán)算法得到應(yīng)該所要求輸出的控制量，即PWM占空比，經(jīng)過功率放大，以驅(qū)動電機。在這個過程中驅(qū)動模塊的電流采樣環(huán)節(jié)對電機的電流進(jìn)行實時的檢測，當(dāng)電流超過規(guī)定值時，電流截止保護(hù)電路會產(chǎn)生相應(yīng)的信號來關(guān)閉驅(qū)動模塊以保護(hù)電動機，單片機通過中斷對末端操作器的命令進(jìn)行檢測，以實時的響應(yīng)來自末端操作器的各種命令，并做出應(yīng)答。

　　5）信號采集處理

　　信號采集模塊主要任務(wù)接受處理末端操作器信號并將處理后的信號傳遞給上位機，避免控制信號在傳遞過程中受其他噪聲信號的干擾。

　　末端操作器中的滑動式電位計采用DC供電，電位計信號通過二階低通濾波器處理，去除噪聲信號的干擾。控制開關(guān)信號經(jīng)過光電隔離電路與下位機I/O連接，去除噪聲信號對開關(guān)信號的干擾。信號采集處理原理如圖7。

圖 7 信號采集處理原理