CN102615646A - 主从式液压机械臂控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主从式液压机械臂控制器，其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；嵌入式主手控制器包括微处理器II，它分别与微处理器I、A/D转换器I、串口转光纤模块连接；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；机械臂控制器包括微处理器III，它分别与A/D转换器II、D/A转换器、电磁阀连接，微处理器III通过光纤转串口模块与串口转光纤模块通信；A/D转换器II与机械臂上的若干电位器(在每个关节运动轴处)连接；D/A转换器与液压放大器、若干伺服阀、相应液压缸连接，液压缸输出轴与机械臂连接。本发明处理速度快、成本低、性能稳定可靠。

Description

主从式液压机械臂控制器

技术领域：

本发明涉及一种机器人控制技术，尤其是一种主从式液压机械臂控制器。

背景技术：

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。2002年我国也进行了高压带电作业机器人产品化样机的研制。

目前机械臂的驱动方式主要有三种：气压驱动、液压驱动和电机驱动。气压驱动机械臂的缺点：气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现伺服控制，并且排气时有噪声，效率低，适用于中小负载，精度要求较低有限点位程序控制机械臂。

电机驱动机械臂的缺点：直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差，成本高，结构设计复杂，适用于中小负载，要求具有较高的位置控制精度，速度较高的机械臂。

液压驱动机械臂的缺点：存在漏油、液压传动对油温的变化比较敏感、发生故障不易检查和排除，适用于大负载，要求控制精度不太高的机械臂。

目前机械臂的控制方式主要有两种：示教再现方式和主从式方式。其中示教再现方式操作灵活性较差、运动速度较低，机器人运动轨迹算法编程复杂，开发难度。主从控制方式应用在控制灵活，但是控制精度低的场合。目前机械臂主从控制系统一般分为两类：一类采用工控机和控制卡，从设备及控制技术来讲，专用性很强且价格较为昂贵，限制了主从技术的进一步发展；另一类采用PLC，体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难、控制复杂时可靠性差。如何更方便、快捷、廉价地控制主从机械臂，已经成为主从机械臂技术的一个突出问题。

发明内容：

本发明的目的在于解决下述问题，提供一种主从式液压机械臂控制器，此主从式液压机械臂控制器采用位置伺服闭环控制方式，并通过光纤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：

一种主从式液压机械臂控制器，包括手持终端、嵌入式主手控制器和机械臂控制器，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I、串口转光纤模块连接；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地址总线、数据总线和控制总线通信；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、光纤转串口模块连接；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；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。

所述伺服阀为射流管式电液流量伺服阀；电磁阀的控制电压是直流24V，并抑制泵升电压；所述主手上的以及机械臂上的各电位器均采用5KΩ的360度旋转电位器，传感器精度1‰。

所述人机接口单元包括液晶模块和键盘。

所述微处理器I与微处理器II之间通过串口通信连接。

所述微处理器I、微处理器II和微处理器III均采用TMS320F2812芯片；A/D转换器I、A/D转换器II均采用MAX1312芯片；D/A转换器采用DAC7678芯片。

本发明的工作原理：

机械臂控制系统的结构采用主从式微处理器进行控制，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。

本发明的工作过程：

主从式液压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也通过光纤通信反馈给主手控制器，主手控制器再将该位置信息发送给手持终端，供显示。

采用上述方案，本发明具有以下优点：

一是主从式液压机械臂系统经实验验证，可以满足高压带电作业机器人要求，控制精度高、实时性好、持重大、自重小、性能稳定可靠操作更加方便运行可靠；

二是该系统控制部分采用嵌入式控制方式，自重轻、尺寸小、控制系统功耗低，适合高压带电作业机器人的应用需要。

三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；

四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。

五是主从控制系统通讯方式采用光纤通信，通讯速率快，可实现高电压绝缘。

六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。

附图说明

图1是本发明总框图；

图2是本发明主手控制器电气连接图；

图3是本发明机械臂从控制器电气连接图；

图4是本发明手持终端电路连接图；

图5是本发明手持终端示意图；

图6是本发明工作流程图。

其中，1.手持终端，2.主控制器，3.机械臂控制器，11.微处理器I，12.液晶模块，13.键盘，14.逻辑电平转换器，15.键盘管理模块，16.稳压芯片I，17.稳压芯片II，18.串口接收发送器I，19.串口，21.微处理器II，22.串口转光纤模块，23.A/D转换器I，24.主手的电位器，25.串口接收发送器II，301.微处理器III，302.光纤转串口模块，303.电磁阀，304.A/D转换器II，305.D/A转换器，306.机械臂的电位器，307.机械臂，308.液压缸，309.伺服阀，310.液压放大器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

参见图1，一种主从式液压机械臂控制器，包括相连接的手持终端1和嵌入式主手控制器2以及机械臂控制器3，所述手持终端1包括微处理器I11，微处理器I11分别与人机接口单元和主控制器2的微处理器II21相连；所述主控制器2包括微处理器II21，微处理器II21分别与A/D转换器I23、串口转光纤模块22连接；A/D转换器I21与主手的电位器24相连；机械臂控制器3的微处理器III301分别与A/D转换器II304、D/A转换器305、电磁阀303连接；A/D转换器II304与机械臂的电位器306连接；D/A转换器305与液压放大器310连接；液压放大器310与若干伺服阀309连接，若干伺服阀309与相应的液压缸308连接，各液压缸308输出轴与机械臂307连接。

伺服阀309为射流管式电液流量伺服阀。

电磁阀303的控制电压是直流24V，并带有抑制泵升电压功能。

人机接口单元包括液晶模块12和键盘13。

微处理器I11与微处理器II21通过串口通信连接。

微处理器I11、微处理器II21和微处理器III301均采用TMS320F2812芯片。A/D转换器I23、A/D转换器II304均采用MAX1312芯片。D/A转换器305采用DAC7678芯片。

各电位器采用5KΩ的360度旋转电位器，传感器精度1‰。

微处理器II21的数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器I23的数据总线、地址总线、控制总线相连，微处理器III301的数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器II304的数据总线、地址总线、控制总线相连，微处理器III301的数据总线、时钟总线与D/A转换器305的数据总线、时钟总线相连。

参见图2，嵌入式主手控制器2包括A/D转换器I23、微处理器II21、串口接收发送器II25、串口转光纤模块22、主手的电位器24。

A/D转换器I23MAX1312的D0-11、/OEL、/WR、/RD、/CS接微处理器II21的/XD0-11、XINT2、/XWE、/XRD、/XZCS2脚。主手的电位器24接A/D转换器I23MAX1312的CH0-7脚；微处理器II21的SCITXDA接串口接收发送器II25MAX3232的11脚，SCIRXDA接12脚；串口接收发送器II25MAX3232的13、14脚接到串口转光纤模块22。

所述主手的电位器24的输出口与A/D转换器I23的输入口相连，机械臂的电位器306的输出口与A/D转换器II304的输入口相连，D/A转换器305的输出口与液压放大器310的输入口相连，液压放大器310的输出口与伺服阀309的输入口相连，伺服阀309的输出口与液压缸308的输入口相连。

所述串口转光纤模块22与光纤转串口模块302通过发送光纤和接收光纤连接。

所述微处理器II21、微处理器III301分别与串口转光纤模块22、光纤转串口模块302通过串口通信连接。

机械臂控制系统的结构采用主从式微处理器进行控制，微处理器II21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III301读取它。微处理器III301作为从机完成全部关节位置数字控制。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II21使用。

参见图3，嵌入式机械臂控制器3包括A/D转换器II304、微处理器III301、D/A转换器305、液压放大器310。

微处理器III301的XD0-11、XINT2、/XWE、/XRD、/XZCS2接A/D转换器II304MAX1312的D0-11、/OEL、/WR、/RD、/CS脚。机械臂的电位器306接A/D转换器II304MAX1312的CH0-7脚。微处理器III301的GPIOA0接D/A转换器305的SDA、GPIOA1接SCL。D/A转换器305的Vout0-7接液压放大器310。

参见图4，手持终端1由微处理器I11、液晶模块12、逻辑电平转换器14、键盘管理模块15、键盘13、稳压芯片I16、稳压芯片II17、串口接收发送器18以及串口19组成。稳压芯片I16、稳压芯片II17给微处理器I11供电。微处理器I11的GIPIOB1与逻辑电平转换器14ADG3308的2脚连接，GPIOB5与5脚连接，XINT2与6脚连接，GPIOA0-7与液晶模块12的DB0-7连接，GPIOB0与REQ连接，GPIOB2与CS连接，液晶模块12得到5V供电。逻辑电平转换器14ADG3308的16脚与键盘管理模块15HD7279的DATA脚连接，15与KEY脚连接。微处理器I11的GPIOB3与键盘管理模块15HD7279的CS脚连接，GPIOB4与CLK脚连接。键盘13的输出接键盘管理模块15HD7279的DIG0-7、DP-SG。微处理器I11的SCITXDA接串口接收发送器I18MAX3232的11脚，SCIRXDA接12脚，串口接收发送器18MAX3232的13、14脚接到串口19。

参见图5，手持终端1是一个低功耗的，带液晶显示的模块。液晶模块12可以显示4行、每行20个字符。液晶模块12自带白色的背景光，可以应用在混暗或没有光的环境。背景光的强度可以有7种选择。通过设置参数来选择光的强度。

操作盒有16个按键，呈4×4矩阵式排列。自带蜂鸣器提供按键报警声。可以知道是否正确地按下某个按键。

参见图6，主从式液压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也通过光纤通信反馈给主手控制器，主手控制器再将该位置信息发送给手持终端，供显示。

Claims (5)

1.一种主从式液压机械臂控制器，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I、串口转光纤模块连接；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地址总线、数据总线和控制总线通信；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、光纤转串口模块连接；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；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。

2.如权利要求1所述的主从式液压机械臂控制器，其特征是，所述伺服阀为射流管式电液流量伺服阀；电磁阀的控制电压是直流24V，并抑制泵升电压；所述主手上的以及机械臂上的各电位器均采用5KΩ的360度旋转电位器，传感器精度1‰。

3.如权利要求1所述的主从式液压机械臂控制器，其特征是，所述人机接口单元包括液晶模块和键盘。

4.如权利要求1所述的主从式液压机械臂控制器，其特征是，所述微处理器I与微处理器II之间通过串口通信连接。

5.如权利要求1所述的主从式液压机械臂控制器，其特征是，所述微处理器I、微处理器II和微处理器III均采用TMS320F2812芯片；A/D转换器I、A/D转换器II均采用MAX1312芯片；D/A转换器采用DAC7678芯片。

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