CN103995478B - 基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台及方法，包括上位机主控系统、运动控制系统及液压伺服控制试验台，上位机主控系统用于控制安装在液压伺服控制试验台上的运动控制系统；运动控制系统提供手动急停保护、限位触发保护等安全措施，以及工作状态指示和故障报警系统，另外主控软件系统还提供软件急停、机械臂初始化功能。

Description

基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台及方法

技术领域

本发明涉及基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台及方法。

背景技术

从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机械臂是目前在机器人技术领域中实际应用最为广泛的自动化机械装置，主要用于汽车工业、电子、机械加工、塑料橡胶、食品饮料行业以及医疗、航空航天等领域。

工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为结构的模块化和可重构化，控制技术的开放化、PC化和网络化，伺服驱动技术的数字化和分散化，多传感器融合技术的实用化，以及系统的网络化和智能化等方面。

模块化机械臂由大量分散的模块组成。每个模块都可以与另外一个或其它大量的模块实现机械上的联接。单个模块可能只有一个自由度，极平常，但是结合后可以构成一个随心所欲的复杂结构。不仅一个具备随意复杂性的机械臂可以实现，而且大量的极其不同的机械臂也可以由共同的模块构成。随着机器人应用范围逐渐扩大，个性化需求日益增多，模块化机械臂的应用空间将越来越广。

目前国外正对其展开深入研究，国内这方面的工作还处在探索阶段，然而对模块化机械臂的设计及实际应用中的研究开发需要的开销很大，特别是在由大量模块(＝自由度)组成的情况下，电机驱动的机械臂技术成熟、控制精度高，应用广泛。而液压机械臂由于系统组成复杂，缺乏有力的液压实验平台，国际上应用较少，但是一些特设场合对液压机械臂有一定量的需求。根据主从控制机器人操作机械臂液压伺服控制系统的需求，基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台为模块化液压机械臂的研究和开发做好预研准备而研制的实验系统具有重要的意义。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台，包括电液伺服阀、液压油缸和马达、液压油源、力/位移传感器等液压系统硬件部分以及多自由度机械臂三维虚拟仿真模型、虚拟实测模型、机械臂运动学正逆解模型等软件部分，可以根据需求快速更换执行机构，包括液压缸和伺服阀等，对不同组成的电液伺服控制系统进行静态特性分析和动态特性分析和对液压机械臂进行运动学分析，能够为多自由度液压机械臂的技术研究提供软硬件试验平台。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台，包括上位机主控系统、运动控制系统及液压伺服控制试验台，上位机主控系统用于控制安装在液压伺服控制试验台上的运动控制系统；

所述上位机主控系统包括触摸屏及工控机，触摸屏与工控机通信连接，工控机通过以太网与运动控制系统中的运动控制器连接，运动控制器通过CAN-bus总线与若干个数字量I/O接口及模拟量I/O接口连接，运动控制器还通过电液伺服阀组控制多个液压油缸和液压马达，液压油缸和液压马达分别通过测量传感器与对应的模拟量I/O接口相连，数字量I/O接口与工作状态及报警指示灯相连；

所述多个液压油缸和一个液压马达的各执行部件与实际机械臂各关节执行器相吻合，所述各执行部件接收运动控制系统发出的指令信号，在运动控制器中与液压油缸或马达通过传感器反馈回来的实际位置信息相比较，成为误差的电流信号经放大后送入电液伺服阀，电液伺服阀按一定的比例将电流信号转变成液压油量推动液压油缸运动以达到模拟各机械臂关节的运动功能。

所述多个液压油缸和一个液压马达的各关节执行部件具体为多个液压油缸对应的腰部回转执行部件、大臂俯仰执行部件、小臂俯仰执行部件、腕部俯仰执行部件及腕部摇摆执行部件，液压马达对应的腕部回转执行部件。

所述液压伺服控制试验台还包括用于各功能执行部件、电液伺服阀组和测量传感器的安装固定的安装台架，安装台架的下部设有用于存放测试元件及测试工具并配有接油盘的工具箱。

所述液压伺服控制试验台还包括为液压系统提供动力源的液压站及用于伺服阀组之间的连接的液压管路。

所述测量传感器角位移传感器、压力传感器、直线位移传感器、速度传感器和扭转传感器，所述测量传感器安装在关节执行部件上。

所述电液伺服阀组安装在各关节执行部件的背面，包括腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰阀组，腕部俯仰、腕部摇摆和腕部回转阀组及伺服阀性能测试阀组。

基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，包括以下步骤：

步骤一：测试电液伺服阀组、液压油缸及液压马达的性能，当符合要求时，主控系统软件主程序进行初始化，启动人机交互界面；

步骤二：启动人机交互界面后，系统开始不断扫描程序入口检测是否有需要执行的子程序，当主控系统有输入信号时，系统将询问是否要进行运动学正解或运动学逆解计算，如需计算则分别进入运动学正、逆解运算模块；其中运动学正解运算模块用于计算液压机械臂各关节执行部件的运动后，末端执行器的目标位姿。逆解运算模块用于计算给定液压机械臂末端执行器的目标位姿所对应的各关节执行部件的运动位移。正、逆解运算模块都是根据实际液压机械臂各关节参数所建立的模型研究的算法。

步骤三：运动学正、逆解模块计算完成后，如需要运动学仿真实验则可进入运动学仿真模块，主控系统软件程序调用虚拟现实软件中事先建立好的虚拟仿真机械臂模型，该模型用于在人机界面上动态显示液压机械臂的仿真运动过程，仿真结果验证合理后，生成运动指令序列下发到运动控制系统，如不需要仿真则可将运动学正、逆解模块计算结果直接生成运动指令序列并下发到运动控制系统，驱动各关节执行部件运动；

步骤四：驱动各关节执行部件运动时，执行数据采集模块子程序，实时读取运动控制系统上传的各传感器信息，主控系统软件程序调用虚拟现实软件中事先建立好的虚拟实测机械臂模型用于在人机界面上动态显示液压机械臂在空间中的实际运动状态，并在关节工作状态显示区显示各关节当前工作状态。

所述实验方法中，工作过程中，系统不断的扫描程序入口，如果有复位或急停指令输入，主控系统执行复位或急停子程序，立即停止当前工作。

所述电液伺服阀组、液压油缸及液压马达的性能的测试步骤，包括以下步骤：

(1-1)在上位机主控系统的人机交互界面上输入指令通过以太网发送至运动控制系统；

(1-2)运动控制器解析运动控制指令输出伺服控制信号控制电液伺服阀动作，电液伺服阀驱动相应的液压油缸或马达动作；

(1-3)安装在油缸或马达上的传感器组工作，输出角位移、扭矩及实时的工作压力信号，通过运动控制系统上传至上位机主控系统在人机界面上相应区域显示相应元件实际性能参数，与元件设计性能参数相比较就可以判断测试元件的性能。

所述虚拟仿真机械臂模型和虚拟实测机械臂模型都能够任意角度旋转调整和局部放大，能从不同角度的各个距离去观测两个模型之间的位置关系从而直观的观测出虚拟与现实机械臂的运动状况的特点。

本发明液压伺服控制试验台上执行元件和液压控制元件采用模块化设计，元器件模块功能独立，扩展、升级方便，可以根据需求快速更换执行机构，包括直线油缸和摆动油缸等，以对不同组成的电液伺服阀进行静态特性分析和动态特性分析；

上位机主控系统可以完成机械臂运动学正解和运动学逆解计算。对于运动学逆解计算和机械臂运动轨迹规划算法，算法多样，研究人员可以根据自己的新算法添加自己的程序通过驱动虚拟仿真模型做仿真实验验证其合理性，同样也可以对多种算法比较其利弊。

操作人员还可以将仿真合理的运动参数发送控制命令操作实际各关节执行部分，将传感器实际采集的各关节执行部件运动信息控制虚拟实测机械臂模型运动，与虚拟仿真机械臂模型做对比，为机械臂运动学分析提供良好平台。

虚拟仿真机械臂模型和虚拟实测机械臂模型都可以任意角度旋转调整和局部放大，能从不同角度的各个距离去观测两个模型之间的位置关系从而直观的观测出虚拟与现实机械臂的运动状况的特点。

上位机主控系统接收用户输入的控制命令并转换成运动控制指令序列发送至运动控制系统。智能化实验数据采集处理方式，实时对压力、流量、位移等参数采集和分析，通过相应接口和测试软件，上传至上位机主控系统通过数字和动画等多种形式输出，从而使操作人员可以根据监测到运动参数和各关节执行部件的工作状态进行下一步运动控制的操作。

运动控制系统中运动控制器接收并解析上位机主控系统下发的运动控制指令序列，运用插补算法进行运动学分析，产生伺服控制信号，控制电液伺服阀组分别驱动并联连接的各关节液压油缸和马达同时运动，角位移传感器和压力传感器通过模拟量输入/输出接口和运动控制器接，运动控制器经过A/D采集可精确采集角位移、压力等相关参数，将采集到的各关节运动参数通过模拟量输入/输出接口上传到上位机主控系统输入至虚拟实测机械臂，实现虚拟实测机械臂与实际运动完全同步。

本发明的有益效果：

一、多功能性：利用采用虚拟现实技术、人机智能交互技术为机械臂正逆解运动学分析及实际运动中的路径规划分析和运动精度测量提供良好平台；可以对不同组成的电液伺服控制系统进行静态特性分析和动态特性分析；角位移、压力等传感器信号的标定以及系统控制精度的测量与计算。

二、强扩展性：利用液压油缸和马达模仿六自由度模块化液压机械臂各关节执行器制造，搭建了具有很强的扩展性能，采用模块化设计，元器件模块功能独立，扩展、升级方便的液压实验平台，满足动态测试条件，可高效、自动、测试，测试精度高，节省了现实购买多个模块的机械臂以及在实际应用检测中的各种开销。

三、实际操作和验证理论并举：用户输入运动指令控制油缸和马达运动，上传来的实际运动参数并在虚拟实测机械臂窗口动态显示，通过运动学正逆解运动学分析窗口得到理论值操作虚拟仿真机械臂模型运动，通过两模型的叠加对比分析实际机械臂工作性能。

四、安全可靠性：运动控制系统提供手动急停保护、限位触发保护等安全措施，以及工作状态指示和故障报警系统，另外主控软件系统还提供软件急停、机械臂初始化功能。

附图说明

图1为发明结构示意图；

图2为主控系统界面图；

图3为主控系统程序流程图；

图4为伺服阀、油缸及马达的性能测试流程图；

图5为伺服阀性能测试说明图；

图中：1-触摸屏计算机；2-工控机计算机；3-以太网；4-运动控制器；5-CAN-bus总线；6-电液伺服阀组；7-数字量输入/输出接口；8，模拟量输入/输出接口；10-液压油缸；11-液压马达；12，测量传感器组；14-报警和状态指示灯；15-虚拟仿真机械臂动态显示区；16-虚拟实测机械臂动态显示区；17-运动学正解分析窗口；18-运动学逆解分析窗口；19-关节工作状态显示区；20-机械臂末端位姿显示区；21-系统控制区；22-比例压力阀；23-位移传感器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，触摸屏计算机1与嵌入式工控计算机2信号连接，嵌入式工控计算机2通过以太网3与运动控制器4连接，工控机是主控程序的运行平台，触摸平控制台用于显示主控系统界面是人机交互的窗口，该界面如图2所示包括虚拟仿真机械臂动态显示区15、虚拟实测机械臂动态显示区16、运动学正逆解分析窗口17，18、关节工作状态显示区19、机械臂末端位姿显示区20和系统控制区21七部分。用户输入各关节运动参数，通过运动学正解分析窗口17的正解计算出理论机械臂末端位姿，在虚拟仿真机械臂动态显示区15观察其仿真结果，验证合理后将运动控制指令序列发送至运动控制系统，同时在虚拟实测机械臂动态显示区16根据各关节实际测量参数进行运动在关节工作状态显示区19观察各关节工作状态，从而在机械臂末端位姿显示区20得到实际的机械臂末端位姿，当用户输入机械臂末端位姿时，运动学逆解分析窗口18中通过运动学逆解计算出各关节理论运动参数，驱动虚拟仿真模型，同时在虚拟实测机械臂动态显示区16根据各关节实际测量参数进行运动，从而得出实际机械臂末端位姿；通过对比虚拟机械臂仿真模型和虚拟机械臂实测模型，分析机械臂工作性能。

运动控制系统以运动控制器4为主控单元，还包括数字量输入/输出接口模块7和模拟量输入/输出接口模块8,。电液伺服阀组6与运动控制器4直接电连接，数字量I/O接口7及模拟量I/O接口8,9通CAN-bus总线5与运动控制器4连接，模拟量I/O接口8,9分别与角位移、压力、直线位移、速度和扭转等测量传感器组12连接，数字量I/O接口7与报警和状态指示灯14连接，电液伺服阀组6与五个油缸10和一个液压马达11信号连接。运动控制器4接收并解析上位机主控系统下发的运动指令序列，运用插补算法进行运动学分析，产生伺服控制信号，控制伺服阀组6分别驱动油缸10和马达11同时运动，运动控制器4经过A/D采集可精确采集角位移、压力等相关参数，将采集到的各关节运动参数通过模拟量输入/输出接口8,9上传到上位机主控系统输入至三维虚拟机械臂，控制虚拟机械臂实现相应运动。

各功能执行部件安装在实验台架上，液压站为液压系统动力源，液压管路用于伺服阀组之间的连接。液压站台架下部配有工具箱，用于存放测试元件及工具，并配有接油盘。电液伺服阀组包含电液伺服阀性能测试阀组，可以完成电液伺服阀静态特性和动态特性试验；同时可以用于实验台的功能扩展。五个(腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部摇摆)油缸10和一个液压马达(腕部回转)11的动作原理是：接收运动控制系统发出的指令信号，在伺服控制器中与油缸的实际位置信号相比较，成为误差的信号放大后，送入电液伺服阀6，伺服阀按一定的比例将电流信号转变成液压油量推动油缸10运动以达到模拟各关节的运动功能。

在优选实施例中所述的实验台的设计方案执行国家标准GB/T15623.2-2003《电液伺服阀试验方法》和航天工业部的相关设计标准规范。根据《油泵流量与电机额定功率快查表》和技术设计参数要求，所述的液压站采用三相380V/50Hz/7.5Kw六极油泵专用电机驱动恒压变量柱塞泵供油方式，噪声低，结构紧凑。液压系统设计符合国标GB3766-2001《液压系统通用技术条件》中的各项技术要求。

所述的运动控制器采用由英国TRIOMotion公司开发的运动控制器TRIOMC464，利用DSP微处理技术，能够实现系统的高精密数字运动控制。控制器编程使用motionperfect2开发软件，程序用TrioBasic语言编写，该语言指令丰富、易于掌握。所述的五个液压油缸和马达参照Kraft公司生产的Grips机械臂各关节执行器设计制造。所述的力矩传感器是北京工标生产的GB-STS系列静态扭矩传感器，所述的压力传感器采用Dwyer636系列压力变送器，所述的位移传感器采用KTC拉杆系列传感器。

上位机主控系统软件工作流程图如图3所示，主控系统各模块初始化后，启动人机交互界面，系统开始不断扫描程序入口检测是否有需要执行的子程序，当主控系统有输入信号，系统将询问是否要进行运动学正解或运动学逆解计算，如需计算则分别进入运动学正、逆解模块，计算完成后，操作人员如需要运动学仿真实验则可进入运动学仿真模块，并通过虚拟仿真机械臂模型动态显示其运动过程，仿真结果验证合理后，生成运动指令序列下发到运动控制系统，如不需要仿真则可将运动学正、逆解模块计算结果直接生成运动指令序列并下发到运动控制系统，驱动各关节执行部件运动，同时执行数据采集模块子程序，实时读取运动控制系统上传的各传感器信息，驱动虚拟实测机械臂模型动态显示机械臂在空间中的运动状态，并在关节工作状态显示区显示各关节当前工作状态。此外，工作过程中，系统不断的扫描程序入口，如果有复位或急停指令输入，主控系统执行复位或急停子程序，立即停止当前工作。

在优选实施例中，所述的主控系统采用PC104嵌入式PC，配备键盘、鼠标、硬盘，配备触摸屏控制台，安装Windows操作系统，提供基本的存储管理、文件管理、进程管理功能以及对PS/2、USB、RS-232接口的支持，并提供TCP/IP网络功能。所述的主控系统软件使用VisualStudio2005IDE工具开发。

伺服阀、油缸及马达的性能测试步骤如图4所示，首先操作人员在上位机主控系统的人机交互界面上输入指令通过以太网发送至运动控制系统，然后运动控制器解析运动控制指令输出伺服控制信号控制电液伺服阀动作，电液伺服阀驱动相应的液压油缸或马达动作，安装在油缸或马达上的传感器组工作，输出角位移、扭矩及实时的工作压力信号，通过运动控制系统上传至上位机主控系统在人机界面上相应区域显示相应元件实际性能参数，与元件设计性能参数相比较就可以判断测试元件的性能。

伺服阀测试过程如图5所示。该液压系统有10个球阀(Q1-Q10)，通过改变各个球阀打开或关闭的状态，测试伺服阀的各种特性。比例压力阀22用来给伺服阀加载。当球阀Q2、Q6、Q10打开其余球阀关闭时，比例压力阀22的控制信号，给伺服阀不同的负载，测试伺服阀的负载特性。当球阀Q1、Q5、Q10打开其余球阀关闭时，采集流量计的值，测试伺服阀的空载特性。当Q2、Q6、Q8打开其余关闭时，读取位移传感器23的值，测试伺服阀的动态特性。

Claims (9)

1.基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，所述基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台，包括上位机主控系统、运动控制系统及液压伺服控制试验台，上位机主控系统用于控制安装在液压伺服控制试验台上的运动控制系统；

所述上位机主控系统包括触摸屏及工控机，触摸屏与工控机通信连接，工控机通过以太网与运动控制系统中的运动控制器连接，运动控制器通过CAN-bus总线与若干个数字量I/O接口及模拟量I/O接口连接，运动控制器还通过电液伺服阀组控制多个液压油缸和液压马达，液压油缸和液压马达分别通过测量传感器与对应的模拟量I/O接口相连，数字量I/O接口与工作状态及报警指示灯相连；

所述多个液压油缸和一个液压马达的各执行部件与实际机械臂各关节执行器相吻合，所述各执行部件接收运动控制系统发出的指令信号，在运动控制器中与液压油缸或马达通过传感器反馈回来的实际位置信息相比较，成为误差的电流信号经放大后送入电液伺服阀，电液伺服阀按一定的比例将电流信号转变成液压油量推动液压油缸运动以达到模拟各机械臂关节的运动功能；

其特征是，包括以下步骤：

步骤一：测试电液伺服阀组、液压油缸及液压马达的性能，当符合要求时，主控系统各模块初始化后，启动人机交互界面；

步骤二：启动人机交互界面后，系统开始不断扫描程序入口检测是否有需要执行的子程序，当主控系统有输入信号时，系统将询问是否要进行运动学正解或运动学逆解计算，如需计算则分别进入运动学正、逆解模块；

步骤三：运动学正、逆解模块计算完成后，如需要运动学仿真实验则进入运动学仿真模块，并通过虚拟仿真机械臂模型动态显示其运动过程，仿真结果验证合理后，生成运动指令序列下发到运动控制系统，如不需要仿真则将运动学正、逆解模块计算结果直接生成运动指令序列并下发到运动控制系统，驱动各关节执行部件运动；

步骤四：驱动各关节执行部件运动时，执行数据采集模块子程序，实时读取运动控制系统上传的各传感器信息，驱动虚拟实测机械臂模型动态显示机械臂在空间中的运动状态，并在关节工作状态显示区显示各关节当前工作状态。

2.如权利要求1所述的基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，其特征是，所述实验方法中，工作过程中，系统不断的扫描程序入口，如果有复位或急停指令输入，主控系统执行复位或急停子程序，立即停止当前工作。

3.如权利要求1所述的基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，其特征是，所述电液伺服阀组、液压油缸及液压马达的性能的测试步骤，包括以下步骤：

(1-1)在上位机主控系统的人机交互界面上输入指令通过以太网发送至运动控制系统；

(1-2)运动控制器解析运动控制指令输出伺服控制信号控制电液伺服阀动作，电液伺服阀驱动相应的液压油缸或马达动作；

(1-3)安装在油缸或马达上的传感器组工作，输出角位移、扭矩及实时的工作压力信号，通过运动控制系统上传至上位机主控系统在人机界面上相应区域显示相应元件实际性能参数，与元件设计性能参数相比较就可以判断测试元件的性能。

4.如权利要求1所述的基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，其特征是，所述虚拟仿真机械臂模型和虚拟实测机械臂模型都能够任意角度旋转调整和局部放大，能从不同角度的各个距离去观测两个模型之间的位置关系从而直观的观测出虚拟与现实机械臂的运动状况的特点。

5.如权利要求1所述的基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，其特征是，所述多个液压油缸和一个液压马达的各关节执行部件具体为多个液压油缸对应的腰部回转执行部件、大臂俯仰执行部件、小臂俯仰执行部件、腕部俯仰执行部件及腕部摇摆执行部件，液压马达对应的腕部回转执行部件。

6.如权利要求1所述的基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，其特征是，所述液压伺服控制试验台还包括用于各功能执行部件、电液伺服阀组和测量传感器的安装固定的安装台架，安装台架的下部设有用于存放测试元件及测试工具并配有接油盘的工具箱。

7.如权利要求1所述的基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，其特征是，所述液压伺服控制试验台还包括为液压系统提供动力源的液压站及用于伺服阀组之间的连接的液压管路。

8.如权利要求1所述的基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，其特征是，所述测量传感器角位移传感器、压力传感器、直线位移传感器、速度传感器和扭转传感器，所述测量传感器安装在关节执行部件上。

9.如权利要求1所述的基于现实虚拟互动的模块化液压机械臂实验平台的实验方法，其特征是，所述电液伺服阀组安装在各关节执行部件的背面，包括腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰阀组，腕部俯仰、腕部摇摆和腕部回转阀组及伺服阀性能测试阀组。