CN105773627B - 基于手持式设备的智能助力提升控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于手持式设备的智能助力提升控制系统，包括信号连接的手持式设备和智能助力提升控制系统，所述手持式设备上集成有APP软件；所述智能助力提升控制系统包括主控模块以及与主控模块连接的接收模块、显示模块、语音模块、测量模块和驱动模块。其根据操作人员的操作要求，通过手持式设备上的APP软件发出相应的指令，智能助力提升控制系统中的主控模块接收到指令后，控制电机驱动器和电机完成相应的动作。同时针对不同的提升物，可以通过操作安装在手持式设备上的APP软件设置智能助力提升控制系统的工作特性，如伺服电机的加速度、最大速度等。

Description

基于手持式设备的智能助力提升控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能辅助设备，特别是基于手持式设备的智能助力提升控制系统及控制方法，可应用于物料搬运、生产线装配等领域。

背景技术

近年来，生产率和人机工程学问题越来越促使生产者和材料处理设备的使用者开发和应用新的设备和系统。传统的物料搬运设备在人机工程学安全性方面虽然有积极的影响，但是它们在有效性、精确性和安全性等方面的作用非常有限。对于大型物体的搬运装配，不仅工人的劳动强度大、效率低、准确性差，而且会对工人造成伤害，由于受机器人的成本和功能限制，它们还不能独立完成所有物料搬运作业，事实上它们只能完成很小的一部分作业任务，大量的物料搬运作业还需要人工完成。现有的助力设备一般具有重力提升功能，具有承受一定的负载能力，但是没有连接控制计算机，操作困难，需要较大的操作力。美国、德国、日本，在过去的十年改进物料搬运设备，在这一方面已经进行了一些富有意义的改进，研发了新一代人机工程设备--智能辅助设备，使用计算机控制改善物料的运动状态并准确地响应操作者的意愿。智能辅助设备是一种可与操作者在同一个物理空间实现人机合作作业的特种作业机器人，在继承了机器人的承载能力强、高精度等特点的同时，又发挥了人的高智能、视觉及触觉感觉能力、灵活性等特长，不会因为机器人的失控而伤害操作者，可以减轻操作者的劳动强度，提高作业效率和作业水平，解决传统工业机器人不能与人在同一个作业空间直接合作作业的问题。它主要用于各种装配生产线、物流传送作业、外科手术等场合，实现传统工业机器人不能完成，或者难度大的作业任务。

智能辅助设备是一个新兴的产业，该技术近年在国际上发展很快。如美国的斯坦利公司生产的Cobotic、英格索兰公司生产的电气式助力机械手、意大利戴尔麦克公司生产的硬臂式机械手和软索式机械手、Liftronic公司生产的serie Liftronic产品等。其结构一般分为操作手柄和提升系统组成，其中操作手柄用于检测为操作力、控制提升系统的按键、控制模块、通信模块和显示模块组成，有些新近研发的智能辅助设备中手柄还可以设置提升系统中电机运行的相关参数，但是其操作复杂，且人机界面很不理想，手柄体积较大；另外提升系统由于还是使用原先的提升系统，其在快速拉升、下降提升物的过程，由于使用钢索连接提升物，可能出现提升物剧烈晃动、甚至是发生如绳索断裂等严重生产事故，存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种操作简单、使用安全的基于手持式设备的智能助力提升控制系统及控制方法，使得智能助力提升控制系统在手持式设备的控制下既继承了机器的承载能力强、高精度等特点的同时，又发挥了人的高智能、视觉及触觉感觉能力、灵活性等特长，不会因为机器人的失控而伤害操作者。

为了实现上述目的，本发明所设计的基于手持式设备的智能助力提升控制系统，包括信号连接的手持式设备和智能助力提升控制系统，所述手持式设备上集成有APP软件；所述智能助力提升控制系统包括主控模块以及与主控模块连接的接收模块、显示模块、语音模块、测量模块和驱动模块。

当智能助力提升控制系统中的主控单元接收到手持设备发出的相关信息时，会根据智能助力提升控制系统所处的状态以及信息的内容进行相关操作。当智能助力提升控制系统处于工作状态时，接收到“上升”、“下降”和“停止”时，主控单元通过电机驱动器控制电机进行上升、下降和停止运动。当智能助力提升控制系统处于悬浮状态时，智能助力提升控制系统可以根据工人施加的微操作力进行操作，直至完成相关任务。

所述主控单元定时检测提升物的重量信息，当系统处于悬浮状态时，检测到工人施加的微操力，主控单元控制系统按操作人员的意愿而动，最后完成操作。主控单元定时地刷新显示模块和语音合成模块中的信息，进行状态和数据等信息的更新。

所述语音模块由语音合成模块和功放模块组成，与主控模块的通信方式可有SPT、UART异步通信、I2C方式实现。

所述测量模块由依次连接的拉力传感器、信号放大与滤波模块、AD采样模块组成，其中AD采样模块与主控模块连接，不仅能实时地测量提升物的重量，还能测量工人施加的微操作力，特别在悬浮状态时，能根据工人施加的力的大小、方向控制伺服电机的运行方向和速度。

所述驱动模块包括首尾依次连接的光隔模块、电机驱动器、电机和脉冲采集电路，其中光隔模块与主控模块连接。上述光隔电路用于隔离线性直流电源和CAN总线，隔离末端操作器和控制器的信号和电源，用于防止电磁干扰，使系统抗干扰能力提高，增加系统的稳定性，从而使系统用于各种工业场合。

上述电机驱动器和电机包括交流电机驱动器与交流电机、直流电机驱动器与直流电机、交流伺服电机驱动器与交流伺服电机、直流伺服电机驱动器与直流伺服电机、直流无刷电机驱动器与直流无刷电机。上述电机驱动器和电机构成了电流环的闭环控制，即IR2110电路模块、桥式驱动电路和电流取样电路构成电机驱动的电流闭环控制。

上述脉冲采集电路中脉冲采集方式包括霍尔、编码器和光电等方式。所述脉冲采集电路既可以测量电机的运行速度、加速度等信息，还可以记录提升物的位置信息。

所述主控模块、光隔模块、电机驱动器、电机和脉冲采集电路构成了系统控制的速度控制环和位置控制环，同时为了提高对伺服速度、位置信息控制精度，所述主控模块采用全闭环的PID算法对电机进行控制。

所述全闭环的PID算法是指电机的电流、速度和位置闭环控制，为了提高智能助力提升控制系统的对电机运行速度、位置的控制精度，在硬件上构成了全闭环控制系统，而且是三环控制，有里向外分别是电流环、速度环和位置环。在软件上则采用增量式PID算法，从而能提高电机运行速度和运行位置的精确控制。在程序中，主控模块通过检测脉冲的频率与预定的频率作比较，得到它们之间的误差，将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对电机运行速度进行调整，从而使电机运行在预定的速度上。同理位置控制也采用同样的方法，使智能助力提升控制系统能准确地停在预定的位置上。

所述接收模块包括蓝牙接收模块或无线接收模块。即手持式设备与智能助力提升控制系统的通信方式包括蓝牙通信或无线WIFI通信方式实现。采用蓝牙方式实现两者间通信时，智能助力提升控制系统中的通信模块为蓝牙接收模块与主控模块相连；当采用无线通信方式实现两者间通信时，智能助力提升控制系统中的通信模块为无线接收模块与主控模块相连。

为了既不会影响工人的工作效率，又方便工人的操作，所述手持式设备通过固定装置粘贴或绑在工人的手臂上。所述手持式设备包括手机或者专门开发的控制设备。

所述主控模块上还连接有安全保护模块，所述安全保护模块由急停开关、电机刹车保护电路和出错保护电路组成，同时上述安全保护模块与电机连接。当急停开关、电机刹车保护电路和出错保护电路中的任何一路信号发生问题时，就切断系统电源，关闭电机，从而起到保护作用。

所述基于手持式设备的智能助力提升控制系统的控制方法，包括采用手持式设备上集成的APP软件对智能助力提升控制系统进行控制，并通过APP软件来设置电机运行的各种参数，其具体步骤如下：

S1、开机上电后，智能助力提升控制系统进入正常工作模式，工人将提升物通过提升滚轮连接至智能助力提升控制系统的电机上，然后打开手持式设备上的APP软件，可以通过提升物的重量来进行设置运行参数的设置或按照默认参数约定进行系统操作；

S2、当工人操作手持式设备发出相应的操作指令时，智能助力提升控制系统的接收模块接收信息并传送至主控模块，当系统处于工作模式时，接收到的信息为向上、向下和停止命令时，主控模块通过光隔模块和电机驱动器来控制电机进行相应运动，同时脉冲采集电路将从电机上采集到的脉冲送至主控单元，用于计算电机的速度、加速度与提升物的位置信息；

S3、当系统处于悬浮状态时，智能助力提升控制系统的主控单元检测到工人施加的微操作力时，主控模块通过光隔模块和电机驱动器来控制电机进行跟随力的方向运动，同时脉冲采集电路将从电机上采集到的脉冲送至主控单元，用于计算电机的速度、加速度与提升物的位置信息；

S4、接着智能助力提升控制系统的主控模块会定时地将系统工作状态或悬浮状态时的电机速度、加速度以及提升物重量与位置信息发送至显示模块、语音模块和手持式设备，用于相关的显示和播放任务。

所述控制方法还包括当系统出现问题时，主控模块将启动安全保护模块来切断电源。

工人将手持式设备通过固定装置固定于手臂上，然后通过操作APP软件控制智能助力提升控制系统运行至需要的位置，此时可以在手持式设备以及智能助力提升控制系统的显示模块上显示提升物重量和高度信息，并在智能助力提升控制系统的语音模块上播放上述信息；当智能助力提升控制系统所连接的提升物改变时，可以根据提升物的特点，设置智能助力提升控制系统运行的相关参数；当智能助力提升控制系统的状态设置成悬浮状态或系统自动进入悬浮状态时，工人可以给提升物施加为操控力，从而使系统能根据工人的想法精确地运行至理想的位置。

本发明得到的基于手持式设备的智能助力提升控制系统，采用手持式设备和集成在手持式设备上的APP软件通过蓝牙通信或无线通信等方式控制提升系统，从而可以将工人和系统有效分离，但又在同一工作面，从分既发挥人的主动能动性。在操作的过程中，由于智能手持式设备屏大，且可采用触摸屏输入，因此其人机界面远好于手柄上的人机交互界面。同时加入了安全保护模块，则使得该系统更加安全。

附图说明

图1是实施例1的基于手持式设备的智能助力提升控制系统的结构示意图；

图2是实施例2的基于手持式设备的智能助力提升控制系统的结构示意图。

图中：手持式设备1、智能助力提升控制系统2、主控模块3、接收模块4、显示模块5、语音模块6、语音合成模块7、功放模块8、拉力传感器9、信号放大与滤波模块10、AD采样模块11、光隔模块12、电机驱动器13、电机14、脉冲采集电路15、安全保护模块16、急停开关17、电机刹车保护电路18、出错保护电路19、固定装置20、提升物21、提升滚轮22。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的基于手持式设备的智能助力提升控制系统，包括信号连接的手持式设备1和智能助力提升控制系统2，所述手持式设备1上集成有APP软件；所述智能助力提升控制系统2包括主控模块3以及与主控模块3连接的接收模块4、显示模块5、语音模块6、测量模块和驱动模块，所述语音模块6由语音合成模块7和功放模块8组成，所述测量模块由依次连接的拉力传感器9、信号放大与滤波模块10、AD采样模块11组成，其中AD采样模块11与主控模块3连接，所述驱动模块包括首尾依次连接的光隔模块12、电机驱动器13、电机14和脉冲采集电路15，其中光隔模块12与主控模块3连接。

所述接收模块4采用蓝牙接收模块或无线接收模块。为了既不会影响工人的工作效率，又方便工人的操作，所述手持式设备1通过固定装置20粘贴或绑在工人的手臂上。所述手持式设备1包括手机或者专门开发的控制设备。

上述基于手持式设备的智能助力提升控制系统的控制方法，包括采用手持式设备1上集成的APP软件对智能助力提升控制系统2进行控制，并通过APP软件来设置电机14运行的各种参数，其具体步骤如下：

S1、开机上电后，智能助力提升控制系统2进入正常工作模式，工人将提升物21通过提升滚轮22连接至智能助力提升控制系统2的电机14上，然后打开手持式设备1上的APP软件，可以通过提升物21的重量来进行设置运行参数的设置或按照默认参数约定进行系统操作；

S2、当工人操作手持式设备1发出相应的操作指令时，智能助力提升控制系统2的接收模块4接收信息并传送至主控模块3，当系统处于工作模式时，接收到的信息为向上、向下和停止命令时，主控模块3通过光隔模块12和电机驱动器13来控制电机14进行相应运动，同时脉冲采集电路15将从电机14上采集到的脉冲送至主控单元3，用于计算电机14的速度、加速度与提升物21的位置信息；

S3、当系统处于悬浮状态时，智能助力提升控制系统2的主控单元3检测到工人施加的微操作力时，主控模块3通过光隔模块12和电机驱动器13来控制电机14进行跟随力的方向运动，同时脉冲采集电路15将从电机14上采集到的脉冲送至主控单元3，用于计算电机14的速度、加速度与提升物21的位置信息；

S4、接着智能助力提升控制系统2的主控模块3会定时地将系统工作状态或悬浮状态时电机14的速度、加速度以及提升物21重量与位置信息发送至显示模块5、语音模块6和手持式设备1，用于相关的显示和播放任务。

实施例2：

如图2所示，本实施例提供的基于手持式设备的智能助力提升控制系统，其大体结构与实施例1相同，但在具体使用过程中，所述主控模块3上还连接有安全保护模块16，所述安全保护模块16由急停开关17、电机刹车保护电路18和出错保护电路19组成，同时安全保护模块16与电机14连接。当急停开关17、电机刹车保护电路18和出错保护电路19中的任何一路信号发生问题时，就切断系统电源，关闭电机14，从而起到保护作用。

所述控制方法还包括当系统出现问题时，主控模块3将启动安全保护模块16来切断电源。

Claims (1)

1.一种基于手持式设备的智能助力提升控制系统的控制方法，其特征在于：包括采用基于手持式设备的智能助力提升控制系统来进行控制，

所述基于手持式设备的智能助力提升控制系统包括信号连接的手持式设备（1）和智能助力提升控制系统（2），所述手持式设备（1）上集成有APP软件；所述智能助力提升控制系统（2）包括主控模块（3）以及与主控模块（3）连接的接收模块（4）、显示模块（5）、语音模块（6）、测量模块和驱动模块，所述语音模块（6）由语音合成模块（7）和功放模块（8）组成，所述测量模块由依次连接的拉力传感器（9）、信号放大与滤波模块（10）、AD采样模块（11）组成，其中AD采样模块（11）与主控模块（3）连接，所述驱动模块包括首尾依次连接的光隔模块（12）、电机驱动器（13）、电机（14）和脉冲采集电路（15），其中光隔模块（12）与主控模块（3）连接；其中所述接收模块（4）采用无线接收模块，所述手持式设备（1）通过固定装置（20）粘贴或绑在工人的手臂上，所述手持式设备（1）包括手机或者专门开发的控制设备；

所述主控模块（3）上还连接有安全保护模块（16），所述安全保护模块（16）由急停开关（17）、电机刹车保护电路（18）和出错保护电路（19）组成，同时安全保护模块（16）与电机（14）连接；

所述基于手持式设备的智能助力提升控制系统的控制方法，包括采用手持式设备（1）上集成的APP软件对智能助力提升控制系统（2）进行控制，并通过APP软件来设置电机（14）运行的各种参数，其具体步骤如下：

S1、开机上电后，智能助力提升控制系统（2）进入正常工作模式，工人将提升物（21）通过提升滚轮（22）连接至智能助力提升控制系统（2）的电机（14）上，然后打开手持式设备（1）上的APP软件，可以通过提升物（21）的重量来进行运行参数的设置或按照默认参数约定进行系统操作；

S2、当工人操作手持式设备（1）发出相应的操作指令时，智能助力提升控制系统（2）的接收模块（4）接收信息并传送至主控模块（3），当系统处于工作模式时，接收到的信息为向上、向下和停止命令时，主控模块（3）通过光隔模块（12）和电机驱动器（13）来控制电机（14）进行相应运动，同时脉冲采集电路（15）将从电机（14）上采集到的脉冲送至主控单元（3），用于计算电机（14）的速度、加速度与提升物（21）的位置信息；

S3、当系统处于悬浮状态时，智能助力提升控制系统（2）的主控单元（3）检测到工人施加的微操作力时，主控模块（3）通过光隔模块（12）和电机驱动器（13）来控制电机（14）进行跟随力的方向运动，同时脉冲采集电路（15）将从电机（14）上采集到的脉冲送至主控单元（3），用于计算电机（14）的速度、加速度与提升物（21）的位置信息；

S4、接着智能助力提升控制系统（2）的主控模块（3）会定时地将系统工作状态或悬浮状态时电机（14）的速度、加速度以及提升物（21）重量与位置信息发送至显示模块（5）、语音模块（6）和手持式设备（1），用于相关的显示和播放任务；

所述控制方法还包括当系统出现问题时，主控模块（3）将启动安全保护模块（16）来切断电源。