CN103203751B - 机械手控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手控制系统及控制方法，机械手控制系统，包括控制机械手运动轨迹的仿真手柄组件；将仿真手柄组件运动状态转化成可识别电信号的液压转换装置；控制机械手运动的动力装置；接收电信号、并根据电信号控制动力装置运动的信息处理装置。本发明的技术效果为：仿真手枘液压反馈控制仿真机械手，避免了机械手取料时的误差；仿真手枘有旋转功能，仿真机械手安装在车体上，可实现取料时的旋转动作。

Description

机械手控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于机械手领域，涉及一种机械手控制系统及控制方法。

背景技术

随着工业生产的发展，对于机械手取料的精度和工作效率提出了更高的要求，机械手升降和伸缩的动作通常采用双手分别操纵电气手柄的方式或者二位旋钮的方式，这两种方式在机械手升降时，在水平方向存在1米左右的误差，在机械手伸缩时，在垂直方向存在1米的误差，机械手抓取工件的精度降低，需要几次操作才能准确的抓取工件，工作效率低，且机械手的操作对于操作人员的熟练程度有很高的要求，增大了用人成本。

发明内容

为了解决现有技术中机械手控制系统精度差的问题，本发明提供了一种机械手控制系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种机械手控制系统，包括：

控制机械手运动轨迹的仿真手柄组件；

将仿真手柄组件运动状态转化成可识别电信号的液压转换装置；

控制机械手运动的动力装置；

接收电信号、并根据电信号控制动力装置运动的信息处理装置。

优选的是，所述的仿真手柄组件包括手柄、与手柄连接的连杆结构，所述的连杆结构为伸缩连杆、升降连杆、主连杆与手臂形成的平行四连杆结构，所述的手柄安装在手臂上。

优选的是，所述的液压转换装置包括与连杆结构连接的执行装置和仿真手柄运动数据检测装置；所述的执行装置包括升降反馈油缸和伸缩反馈油缸，所述的升降反馈油缸一端铰接在升降连杆上，一端铰接在机座上；所述的伸缩反馈油缸一端铰接在主连杆上，一端铰接在机座上；所述的仿真手柄运动数据检测装置为安装在升降反馈油缸和伸缩反馈油缸内的位移传感器，或者为安装在与升降反馈油缸和伸缩反馈油缸缸体或缸杆连接的连杆轴向方向上的连杆旋转角度检测装置。

优选的是，所述的执行装置还包括固定在机座上的回转组件，所述的回转组件包括固定在机座上的回转支撑、穿过回转支撑的固定轴，固定轴上安装回转反馈角度检测装置。

优选的是，所述的动力装置包括与机械手连接的执行结构及检测机械手运动数据并反馈给信息处理装置的机械手运动数据检测装置；所述的执行结构包括与机械手连接的连杆结构、与连杆结构连接的升降油缸和伸缩油缸；所述的与机械手连接的连杆结构包括三套平行四连杆结构，分别为：下后臂、下联板、中后臂和下前臂共同构成第一平行四连杆结构，下后臂的一端与下联板的第一端铰接，下联板的第二端和中后臂的一端铰接，铰接轴安装在回转工作台上，中后臂的另一端和下前臂的一端铰接，铰接轴安装在上联板的第一端，下前臂的中间部位与下后臂的另一端铰接；下前臂、联板、上前臂和上联板共同构成第二平行四连杆结构，下前臂的另一端与联板的一端铰接，联板的另一端与上前臂的一端铰接，上前臂的另一端与上联板的第二端铰接；回转工作台、上后臂、上联板和中后臂共同构成第三平行四连杆结构，上后臂的一端与回转工作台铰接，另一端与上联板的第三端铰接；机械手安装在联板上；所述的升降油缸的缸体铰接在回转工作台上，缸杆与下联板的第三端铰接；伸缩油缸的缸体铰接在回转工作台上，缸杆与中后臂的下侧铰接。

优选的是，所述的执行结构还包括安装在回转工作台上并驱动回转工作台旋转的液压马达。

优选的是，所述的机械手运动数据检测装置为安装在升降油缸和伸缩油缸内的位移传感器，或者为安装在下联板与中后臂铰接轴或者中后臂与下前臂铰接轴轴向方向上的连杆旋转角度检测装置。

优选的是，所述的信息处理装置包括CPU控制模块、与CPU控制模块连接并接收电信号的比例阀，比例阀分别与液压转换装置和动力装置连接；所述的CPU控制模块包括设定值和实际值的偏差运算模块、偏差微分模块、速度PID运算模块、速度与电压的线性补偿模块，所述的偏差运算模块分别连接仿真手柄运动数据检测装置和机械手运动数据检测装置，所述的速度与电压的线性补偿模块连接比例阀；所述的比例阀安装在液压站上，包括升降比例阀、伸缩比例阀；所述的升降反馈油缸与升降油缸的有杆腔均连接升降比例阀的B口，所述的升降反馈油缸与升降油缸的无杆腔均连接升降比例阀的A口，所述的伸缩反馈油缸与伸缩油缸的有杆腔均连接伸缩比例阀的B口，伸缩反馈油缸与伸缩油缸的无杆腔均连接伸缩比例阀的A口。

优选的是，所述的比例阀还包括安装在液压站上的回转比例阀，所述的回转比例阀连接液压马达的油口，液压马达上有回转角度检测装置。

本发明还提供了一种机械手控制方法，其步骤为：

1)手柄在外力的作用下做出运动，通过与之连接的连杆结构将运动传递给反馈油缸；

2)仿真手柄运动数据检测装置检测反馈油缸运动数据，并且反馈给CPU控制模块；

3)CPU控制模块将数据转化为电信号并且通过比例阀控制机械手运动；

4)机械手运动数据检测装置检测机械手运动数据，并且反馈给CPU控制模块；

5)仿真手柄运动数据和机械手运动数据通过CPU控制模块进行运算，输出调整电压，通过比例阀控制机械手运动。

本发明的技术效果为：

1)采用仿真手柄仿真控制仿真机械手，避免了机械手取料时的误差，可以精确定位，操作人员手臂的运动轨迹与机械手运动轨迹一致，起到仿真效果；

2)仿真手柄有旋转功能，仿真机械手安装在车体上，可以实现取料时的旋转动作；

3)对操作人员水平要求不高，可以代替操作熟练的操作工人，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明机械手控制系统的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是本发明机械手控制系统的回转组件结构示意图；

图5是本发明机械手仿真控制系统的信息处理装置结构示意图；

图6是本发明仿真机械手的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图1至图6所示，一种机械手控制系统，包括控制机械手运动轨迹的仿真手柄组件；将仿真手柄组件运动状态转化成可识别电信号的液压转换装置；控制机械手运动的动力装置；接收电信号、并根据电信号控制动力装置运动的信息处理装置。

仿真手柄组件包括手柄、与手柄连接的连杆结构，连杆结构为伸缩连杆102、升降连杆104、主连杆103与手臂101形成的平行四连杆结构，手柄安装在手臂101上。

液压转换装置包括与连杆结构连接的执行装置和仿真手柄运动数据检测装置；执行装置包括升降反馈油缸110和伸缩反馈油缸105，升降反馈油缸110一端铰接在升降连杆104上，一端铰接在机座100上；伸缩反馈油缸105一端铰接在主连杆103上，一端铰接在机座100上。

仿真手柄运动数据检测装置为安装在升降反馈油缸110和伸缩反馈油缸105内的位移传感器，或者为安装在与升降反馈油缸110和伸缩反馈油缸105缸体或缸杆连接的连杆轴向方向上的连杆旋转角度检测装置。

连杆A106和B107一端铰接在一起，另一端分别铰接在主连杆103和伸缩反馈油缸105上；连杆C111和连杆D112一端铰接在一起，连杆D112另一端铰接在机座100上，连杆C111另一端铰接在升降连杆104上。

安装在与升降反馈油缸110和伸缩反馈油缸105缸体或缸杆连接的连杆轴向方向上的连杆旋转角度检测装置为安装在连杆B107与伸缩反馈油缸105铰接轴上的伸缩反馈编码器108，安装在连杆D112与机座100铰接轴上的升降反馈编码器114。

仿真手柄组件还包括与主连杆103下端连接的伸缩调节弹簧组109，伸缩调节弹簧组109的另一端固定在机座100底部；与升降连杆104下端连接的升降调节弹簧组113，升降调节弹簧组113的另一端固定在机座100底部。

执行装置还包括固定在机座100上的回转组件，回转组件包括固定在机座100上的回转支撑141、穿过回转支撑141的固定轴140，固定轴140上安装回转反馈编码器116。

动力装置包括与机械手连接的执行结构及检测机械手运动数据并反馈给信息处理装置的机械手运动数据检测装置；执行结构包括与机械手129连接的连杆结构、与连杆结构连接的升降油缸117和伸缩油缸118；连杆结构包括三套平行四连杆结构，分别为：下后臂133的一端与下联板135的第一端铰接，下联板135的第二端和中后臂132的一端铰接，铰接轴安装在回转工作台137上，中后臂132的另一端和下前臂134的一端铰接，铰接轴安装在上联板130的第一端，下前臂134的中间部位与下后臂133的另一端铰接，下后臂133、下联板135、中后臂132和下前臂134共同构成第一平行四连杆结构；下前臂134的另一端与联板136的一端铰接，联板136的另一端与上前臂128的一端铰接，上前臂128的另一端与上联板130的第二端铰接，下前臂134、联板136、上前臂128和上联板130共同构成第二平行四连杆结构；上后臂131的一端与回转工作台137铰接，另一端与上联板130的第三端铰接，回转工作台137、上后臂131、上联板130和中后臂132共同构成第三平行四连杆结构；所述的机械手129安装在联板136上；升降油缸117的缸体铰接在回转工作台137上，缸杆与下联板135的第三端铰接；伸缩油缸118的缸体铰接在回转工作台137上，缸杆与中后臂132的下侧铰接。执行结构还包括安装在回转工作台137上并驱动回转工作台137旋转的液压马达119。

机械手运动数据检测装置为安装在升降油缸117和伸缩油缸118内的位移传感器，或者为安装在与升降油缸117和伸缩油缸118缸体或缸杆连接的连杆轴向方向上的连杆旋转角度检测装置。

安装在与升降油缸117和伸缩油缸118缸体或缸杆连接的连杆轴向方向上的连杆旋转角度检测装置为安装在下联板135第二端的伸缩编码器121、安装在上联板130第一端的升降编码器120。

信息处理装置包括CPU控制模块、与CPU控制模块连接并接收电信号的比例阀，比例阀分别与液压转换装置和动力装置连接；CPU控制模块包括设定值和实际值的偏差运算模块、偏差微分模块、速度PID运算模块、速度与电压的线性补偿模块，偏差运算模块分别连接仿真手柄运动数据检测装置和机械手运动数据检测装置，速度与电压的线性补偿模块连接比例阀；比例阀安装在液压站上，包括升降比例阀123、伸缩比例阀124；升降反馈油缸110与升降油缸的有杆腔均连接升降比例阀的B口，升降反馈油缸与升降油缸117的无杆腔均连接升降比例阀123的A口，伸缩反馈油缸105与伸缩油缸118的有杆腔均连接伸缩比例阀124的B口，伸缩反馈油缸105与伸缩油缸118的无杆腔均连接伸缩比例阀124的A口。比例阀还包括安装在液压站上的回转比例阀125，回转比例阀125连接液压马达119的油口，液压马达119上有回转角度检测装置，回转角度检测装置为回转编码器122。

机械手控制系统的工作方法，其分解过程为：

1)手臂101向前伸出，升降连杆104保持不动；伸缩连杆102和主连杆103分别绕铰接轴顺时针旋转，主连杆103的顺时针旋转带动伸缩反馈油缸105伸出和连杆A106向上运动，连杆B107逆时针转动，伸缩反馈编码器108接收到主连杆103旋转角度的变化；伸缩反馈编码器108和伸缩编码器121的角度差值会反馈给CPU控制模块，根据差值大小，CPU控制模块发出信号控制伸缩比例阀124的开口大小和流量方向，从而控制伸缩油缸118的行程和快慢，伸缩油缸118缸杆伸出，带动与缸杆铰接的中后臂132绕铰接轴顺时针转动，上后臂131同时顺时针转动，带动上联板130、上前臂128、下前臂134、联板136向前运动，从而带动安装在联板136上的机械手129做出前伸动作，实现动作伺服和动作仿真的效果，并实现精确定位。

2)手臂101往上升起，主连杆103保持不动；伸缩连杆102向上运动，带动升降连杆104绕铰接轴顺时针旋转，升降连杆104的旋转带动升降反馈油缸110伸出和连杆C111向上运动，连杆D112顺时针转动，升降反馈编码器114接收到升降连杆104旋转角度的变化；升降反馈编码器114和升降编码器120的角度差值会反馈给CPU控制模块，根据差值大小，CPU控制模块发出信号控制升降比例阀123的开口大小和流量方向，从而控制升降油缸117的行程和快慢，升降油缸117缸杆伸出，带动与缸杆铰接的下联板135绕铰接轴逆时针转动，下后臂133同时逆时针转动，带动上前臂128、下前臂134、联板136向上运动，从而带动安装在联板136上的机械手129做出上升动作，实现动作伺服和动作仿真的效果，并实现精确定位。

3)手臂101向左旋转，回转反馈编码器116接收旋转角度，回转反馈编码器116和回转编码器122的角度差值反馈给CPU控制模块，根据差值大小，CPU控制模块发出信号控制回转比例阀125的开口大小和流量方向，从而控制液压马达119的运动方向和速度大小，使主机及主机上的机械手实现左转。

Claims (7)

1.一种机械手控制系统，其特征在于：包括

控制机械手运动轨迹的仿真手柄组件；

将仿真手柄组件运动状态转化成可识别电信号的液压转换装置；

控制机械手运动的动力装置；

接收电信号、并根据电信号控制动力装置运动的信息处理装置；

所述的仿真手柄组件包括手柄、与手柄连接的连杆结构，所述的连杆结构为伸缩连杆、升降连杆、主连杆与手臂形成的平行四连杆结构，所述的手柄安装在手臂上；仿真手柄组件还包括与主连杆下端连接的伸缩调节弹簧组，伸缩调节弹簧组的另一端固定在机座底部；与升降连杆下端连接的升降调节弹簧组，升降调节弹簧组的另一端固定在机座底部；

所述的液压转换装置包括与连杆结构连接的执行装置和仿真手柄运动数据检测装置；

所述的执行装置包括升降反馈油缸和伸缩反馈油缸，所述的升降反馈油缸一端铰接在升降连杆上，一端铰接在机座上；所述的伸缩反馈油缸一端铰接在主连杆上，一端铰接在机座上；

所述的仿真手柄运动数据检测装置为安装在升降反馈油缸和伸缩反馈油缸内的位移传感器，或者为安装在与升降反馈油缸和伸缩反馈油缸缸体或缸杆连接的连杆轴向方向上的连杆旋转角度检测装置；

所述的执行装置还包括固定在机座上的回转组件，所述的回转组件包括固定在机座上的回转支撑、穿过回转支撑的固定轴，固定轴上安装回转反馈角度检测装置。

2.如权利要求1所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的动力装置包括与机械手连接的执行结构及检测机械手运动数据并反馈给信息处理装置的机械手运动数据检测装置；

所述的执行结构包括与机械手连接的连杆结构、与连杆结构连接的升降油缸和伸缩油缸；

所述的与机械手连接的连杆结构包括三套平行四连杆结构，分别为：下后臂、下联板、中后臂和下前臂共同构成第一平行四连杆结构，下后臂的一端与下联板的第一端铰接，下联板的第二端和中后臂的一端铰接，铰接轴安装在回转工作台上，中后臂的另一端和下前臂的一端铰接，铰接轴安装在上联板的第一端，下前臂的中间部位与下后臂的另一端铰接；下前臂、联板、上前臂和上联板共同构成第二平行四连杆结构，下前臂的另一端与联板的一端铰接，联板的另一端与上前臂的一端铰接，上前臂的另一端与上联板的第二端铰接；回转工作台、上后臂、上联板和中后臂共同构成第三平行四连杆结构，上后臂的一端与回转工作台铰接，另一端与上联板的第三端铰接；机械手安装在联板上；

所述的升降油缸的缸体铰接在回转工作台上，缸杆与下联板的第三端铰接；伸缩油缸的缸体铰接在回转工作台上，缸杆与中后臂的下侧铰接。

3.如权利要求2所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的执行结构还包括安装在回转工作台上并驱动回转工作台旋转的液压马达。

4.如权利要求3所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的机械手运动数据检测装置为安装在升降油缸和伸缩油缸内的位移传感器，或者为安装在下联板与中后臂铰接轴或者中后臂与下前臂铰接轴轴向方向上的连杆旋转角度检测装置。

5.如权利要求2所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的信息处理装置包括CPU控制模块、与CPU控制模块连接并接收电信号的比例阀，比例阀分别与液压转换装置和动力装置连接；

所述的CPU控制模块包括设定值和实际值的偏差运算模块、偏差微分模块、速度PID运算模块、速度与电压的线性补偿模块，所述的偏差运算模块分别连接仿真手柄运动数据检测装置和机械手运动数据检测装置，所述的速度与电压的线性补偿模块连接比例阀；

所述的比例阀安装在液压站上，包括升降比例阀、伸缩比例阀；所述的升降反馈油缸与升降油缸的有杆腔均连接升降比例阀的B口，所述的升降反馈油缸与升降油缸的无杆腔均连接升降比例阀的A口，所述的伸缩反馈油缸与伸缩油缸的有杆腔均连接伸缩比例阀的B口，伸缩反馈油缸与伸缩油缸的无杆腔均连接伸缩比例阀的A口。

6.如权利要求5所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的比例阀还包括安装在液压站上的回转比例阀，所述的回转比例阀连接液压马达的油口，液压马达上有回转角度检测装置。

7.一种采用如权利要求6所述机械手控制系统控制机械手的方法，其特征在于：

1)手柄在外力的作用下做出运动，通过与之连接的连杆结构将运动传递给反馈油缸；

2)仿真手柄运动数据检测装置检测反馈油缸运动数据，并且反馈给CPU控制模块；

3)CPU控制模块将数据转化为电信号并且通过比例阀控制机械手运动；

4)机械手运动数据检测装置检测机械手运动数据，并且反馈给CPU控制模块；

5)仿真手柄运动数据和机械手运动数据通过CPU控制模块进行运算，输出调整电压，通过比例阀控制机械手运动。