CN103085055B - 带电抢修机器人位置反馈主手系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，它采用位置、力伺服双闭环控制方式，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。它包括手持终端、主手控制器以及机械臂控制器；手持终端包括微处理器I，它分别与液晶模块、键盘连接；主手控制器采用微处理器II和微处理器III，微处理器II通过串口与微处理器I连接，通过双口RAM与微处理器III连接，微处理器II还与A/D转换器I、无线模块I相连，A/D转换器I与主手的电位器连接，无线模块I与无线模块II通信，无线模块II与机械臂控制器连接；微处理器III与运动控制器连接，运动控制器与马达驱动器连接，马达驱动器驱动主手的力矩马达。
Description
技术领域：
本发明涉及一种机器人控制技术，尤其是一种带电抢修机器人位置反馈主手系统。
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MOTOMAN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。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，此带电抢修机器人位置反馈主手系统采用位置、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，本发明采用如下技术方案：
一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，它包括手持终端、主手控制器以及机械臂控制器；手持终端包括微处理器I，它分别与液晶模块、键盘连接；所述主手控制器采用嵌入式微处理器II和微处理器III，所述微处理器II通过串口与微处理器I连接，通过双口RAM与微处理器III连接，微处理器II还与A/D转换器I、无线模块I相连，A/D转换器I与机械臂的主手的电位器连接，无线模块I与无线模块II通信，无线模块II与机械臂控制器连接；微处理器III与运动控制器连接，运动控制器与马达驱动器连接，马达驱动器驱动主手的力矩马达。
所述的机械臂采用的是美国kraftTelerobotics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。
所述的电位器和力矩马达安装在机械臂主手的每个关节处，实现主手的腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰和腕部摇摆。
远端从手的静态或动态的力，通过这些力矩马达反映到主手，在初始上电时，这些力矩马达自动地设置主手。
所述微处理器II通过MAX3232I、II、III三芯片分别与串口、无线模块I以及A/D转换器I连接，串口与微处理器I连接；
微处理器III与运动控制器连接，运动控制器包括运动控制芯片I、II，两运动控制芯片I、II分别与各自的16M有源晶振连接，运动控制芯片I与四个主手马达驱动器接口连接，运动控制芯片II与两个主手马达驱动器接口连接，每个驱动器接口分别接收正、负脉冲。
所述微处理器I还与稳压芯片I、II连接；微处理器I通过MAX3232IV与串口连接，通过逻辑电平转换器分别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。
所述微处理器I、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I采用MAX1312芯片，同时采集8路模拟量，采集范围-10V～+10V，12位精度。
所述马达控制器采用MCX314控制芯片。可同时控制多轴，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、最高速度设定等功能。
所述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5KΩ的360度旋转电位器，传感器精度1‰，输出信号-10V～+10V。
所述无线模块I、II的通信距离1000m，通信频率900MHz。
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。
带电抢修机器人位置反馈主手系统的控制方法，包括以下步骤：
(1)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，并与步骤(1)的信号进行比较，将比较后的信号发送给微处理器II；
(3)微处理器II通过串口发送给微处理器I；
(4)微处理器I发送给运动控制器，运动控制器控制马达驱动器，马达驱动器驱动主手的力矩马达进行运动，力矩马达控制主手运动；
(5)回到步骤(1)，进行循环。
采用上述方案，本发明具有以下优点：
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。
附图说明
图1是本发明总框图；
图2是本发明主手的结构图；
图3是本发明主手主控制板硬件接口连接图；
图4是本发明主手从控制板硬件接口连接图；
图5是本发明手持终端电路图；
图6是本发明位置控制方框图；
其中，1基座，2力矩马达，3平衡块，4肩关节，5上臂，6肘关节，7前臂，8腕关节，9电位器，10手柄。
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。
图1中，一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，其手持终端包括微处理器I，它分别与键盘和液晶显示屏以及主手控制器相连；主手控制器采用DSP芯片，包括微处理器II和微处理器III，微处理器II分别与微处理器I和双口RAM连接，双口RAM与微处理器III相连；微处理器III分别与运动控制器相连，运动控制器与马达驱动器相连，马达驱动器与主手的力矩马达2相连；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，微处理器II与A/D转换器I、无线模块I相连，无线模块I通过无线模块II与机械臂控制器连接。
马达驱动器采用MCX314控制芯片，可同时控制4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、最高速度设定等功能。
微处理器I、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I采用MAX1312芯片，同时采集8路模拟量，采集范围-10V～+10V，12位精度。
力矩马达2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5KΩ的360度旋转电位器，传感器精度1‰，输出信号-10V～+10V。
图2中，主手为6自由度主手，包括基座1，基座1上安装有支撑臂，支撑臂的底部安装力矩马达2，支撑臂上端作为肩关节4，上臂5安装在肩关节4上，上臂5的后端为平衡块3；上臂5的前端与肘关节6连接，肘关节6与前臂7连接，前臂7的末端为腕关节8，腕关节8与腕臂一端连接，腕臂另一端与手柄10连接，在每个关节处均带有电位器9和力矩马达2，实现腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部摇摆。远端从手的静态或动态的力，通过这些力矩马达2反映到主手。在初始上电时，这些力矩马达2自动地设置主手。
无线模块I、II的通信距离1000m，通信频率900MHz，抗干扰能力强，通信距离远。
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。
图3中，嵌入式主控制器包括双口RAM、微处理器II、串口接收发送器、串口、从控制器接口。微处理器II的XD0-15接双口RAM的IO0-15L、/XRD接/OEL、/XWE接R//WL、/XZCS1接/CEL、XA0-11接A0-11L。双口RAM的M//S接3.3V，设置成主模式。双口RAM的IO0-15R、/OER、R//WR、/CER、A0-11R接从控制器接口。微处理器II的SCITXDA接MAX3232I、MAX3232II的11脚，微处理器II的SCIRXDA接MAX3232I、MAX3232II的12脚，MAX3232I的13、14脚接到串口，MAX3232II的13、14脚接到无线模块I。微处理器II的XD0-11、XINT2、/XWE、/XRD、/XZCS2接A/D转换器II304MAX1312的D0-11、/OEL、/WR、/RD、/CS脚。主手的电位器接A/D转换器MAX1312的CH0-7脚。
图4中，嵌入式从控制板包括双口RAM接口、微处理器III、16M有源晶振、运动控制芯片Ⅰ、运动控制芯片Ⅱ、驱动器接口。双口RAM接口的IO0-15R、/OER、R//WR、/CER、A0-11R接微处理器III的XD0-15、/XRD、/XWE、/XZCS2、XA0-11。微处理器III的XD0-15、/XRD、/XWE、XA14、XA0-2分别接运动控制芯片I的D0-15、RDN、WRN、CSN、A0-2。微处理器III的XD0-15、/XRD、/XWE、XA13、XA0-2分别接运动控制器的D0-15、RDN、WRN、CSN、A0-2。16M有源晶振的输出口接运动控制芯片I、II的53脚。运动控制芯片I的35、36脚分别接驱动器Ⅰ的正脉冲、负脉冲输入口；运动控制芯片I的38、39脚分别接驱动器Ⅱ的正脉冲、负脉冲输入口；运动控制芯片I的40、41脚分别接驱动器Ⅲ的正脉冲、负脉冲输入口；运动控制芯片I的42、43脚分别接驱动器Ⅳ的正脉冲、负脉冲输入口。运动控制芯片II的35、36脚分别接驱动器Ⅴ的正脉冲、负脉冲输入口；运动控制芯片II的38、39脚分别接驱动器Ⅵ的正脉冲、负脉冲输入口。
图5中，手持终端由微处理器I、液晶模块、逻辑电平转换器、键盘管理模块、键盘、稳压芯片I、稳压芯片II、串口接收发送器、串口组成。稳压芯片I、稳压芯片II给微处理器I供电。微处理器的GIPIOB1与ADG3308的2脚连接，GPIOB5与5脚连接，XINT2与6脚连接。GPIOA0-7与液晶模块的DB0-7连接，GPIOB0与REQ连接，GPIOB2与CS连接，液晶模块5V供电。ADG3308的16脚与HD7279的DATA脚连接，15与KEY脚连接。微处理器I的GPIOB3与HD7279的CS脚连接，GPIOB4与CLK脚连接。键盘的输出接HD7279的DIG0-7、DP-SG。微处理器I的SCITXDA接MAX3232的11脚，SCIRXDA接12脚，MAX3232的13、14脚接到串口。
图6中，给出了带电抢修机器人位置反馈主手系统的控制方法：
具体方法包括如下步骤：
(1)主手的电位器采集主手的位置信号；
(2)机械臂的电位器采集机械臂夹持器的位置信号，并与步骤(1)的信号进行比较，将比较后的信号发送给微处理器II；
(3)微处理器II通过串口发送给微处理器I；
(4)微处理器I发送给运动控制器，运动控制器控制马达驱动器，马达驱动器驱动主手的力矩马达2进行运动，力矩马达2控制主手运动；
(5)回到步骤(1)，进行循环。
Claims (5)
1.一种带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，它包括手持终端、主手控制器以及机械臂控制器；手持终端包括微处理器I，它分别与液晶模块、键盘连接；所述主手控制器采用嵌入式微处理器II和微处理器III，所述微处理器II通过串口与微处理器I连接，通过双口RAM与微处理器III连接，微处理器II还与A/D转换器I、无线模块I相连，A/D转换器I与主手的电位器连接，无线模块I与无线模块II通信，无线模块II与机械臂控制器连接；微处理器III与运动控制器连接，运动控制器与马达驱动器连接，马达驱动器驱动主手的力矩马达；所述的电位器和力矩马达分别设于主手的每个关节处，实现腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部摇摆；远端从手的静态或动态的力，通过这些力矩马达反映到主手，在初始上电时，这些力矩马达自动地设置主手；
所述微处理器II通过MAX3232I、MAX3232II、MAX1312三芯片分别与串口、无线模块I以及A/D转换器I连接，串口与微处理器I连接；
微处理器III与运动控制器连接，运动控制器包括运动控制芯片I、运动控制芯片II，运动控制芯片I、运动控制芯片II分别与各自的16M有源晶振连接，运动控制芯片I与四个主手马达驱动器接口连接，运动控制芯片II与两个主手马达驱动器接口连接，每个马达驱动器接口分别接收正、负脉冲；
所述微处理器I还与稳压芯片I、稳压芯片II连接；微处理器I通过MAX3232与串口连接，通过逻辑电平转换器分别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。
2.如权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，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TMS320F28335芯片，具有浮点处理功能；所述A/D转换器I采用MAX1312芯片，同时采集8路模拟量，采集范围-10V～+10V，12位精度。
3.如权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述马达驱动器采用MCX314控制芯片。
4.如权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述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；所述电位器采用5KΩ的360度旋转电位器，传感器精度1‰，输出信号-10V～+10V。
5.如权利要求1所述的带电抢修机器人位置反馈主手系统，其特征是，所述无线模块I、无线模块II的通信距离为1000m，通信频率为900MHz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |