CN105984812B - 基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法 - Google Patents
基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法，机械助力臂包括：第一控制系统、提升系统、第二控制系统和机械助力臂本体；第1控制器，用于接收第2控制器上传的操作力信号，并根据操作力信号，通过伺服驱动器而控制交流伺服电机的输出转矩；由于交流伺服电机与提升系统的缠绕轮的缠绕轴相连，进而控制缠绕轮的缠绕状态，最终达到控制夹具紧锁装置进行上升、下降或悬停的动作。优点为：通过检测操作者通过末端操作器发送的操作指令，实现对负载进行上升、下降、悬停和定位；具有整体结构简单、占用体积小以及成本低的优点，为一种实现人机合作作业的特殊作业机器人，可满足各种装配生产线、物流传送作业等。
Description
技术领域
本发明属于机械助力技术领域，具体涉及一种基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法。
背景技术
随着现代化工业生产的不断发展，工业机器人得到广泛应用，但受成本和功能限制，现有工业机器人还不能独立完成所有的物料搬运工作，大量的物料搬运工作仍需要人来完成。
目前，操作工人主要依靠机械助力臂对物料进行搬运，其中，机械助力臂具有显著的人机互助特点。传统的机械助力臂，具有设备笨重、受场地限制和通用性差等不足，仍满足不了制造业的需求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于交流伺服控制的机械助力臂，包括：第一控制系统、提升系统、第二控制系统和机械助力臂本体(1)；
其中，所述提升系统包括：缠绕轮(21)、钢丝绳(22)、导向轮(23)和夹具紧锁装置(24)；所述缠绕轮(21)设置于所述机械助力臂本体(1)的尾端，所述导向轮(23)设置于所述机械助力臂本体(1)的头端；所述钢丝绳(22)的尾端缠绕在所述缠绕轮(21)上后，沿水平设置的所述机械助力臂本体(1)的轴向方向延伸，其头端从所述导向轮(23)引出后，在所述钢丝绳(22)的头端固定安装所述夹具紧锁装置(24)，使所述夹具紧锁装置(24)悬挂于所述机械助力臂本体(1)的下方；所述夹具紧锁装置(24)用于与夹具连接；
所述第二控制系统包括：末端操作器(31)和第2控制器(32)；
所述末端操作器(31)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于感应操作者手指发出的操作力信号，并将所述操作力信号发送给所述第2控制器(32)；其中，所述操作力信号为控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停信号；
所述第2控制器(32)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于接收所述末端操作器(31)发送的所述操作力信号，并将所述操作力信号发送到所述第一控制系统；
所述第一控制系统包括：第1控制器(41)、伺服驱动器和交流伺服电机(42)；
所述第1控制器(41)，用于接收所述第2控制器(32)上传的所述操作力信号，并根据所述操作力信号，通过所述伺服驱动器而控制所述交流伺服电机(42)的输出转矩；由于所述交流伺服电机(42)与所述提升系统的所述缠绕轮(21)的缠绕轴相连，进而控制所述缠绕轮(21)的缠绕状态，最终达到控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停的动作。
优选的，所述机械助力臂本体(1)为二自由度机械臂。
优选的，所述二自由度机械臂包括机械大臂(11)、肩部旋转轴(12)、肘部旋转轴(13)和机械小臂(14)；
所述机械大臂(11)的肩部安装所述肩部旋转轴(12)，通过操作者施加于所述末端操作器(31)的推拉动作，可控制所述机械大臂(11)沿所述肩部旋转轴(12)进行360°内自由旋转；
在所述机械大臂(11)的肘部安装所述肘部旋转轴(13)，从所述肘部旋转轴(13)至所述机械大臂(11)的自由端形成所述机械小臂(14)；通过操作者施加于所述末端操作器(31)的推拉动作，可控制所述机械小臂(14)沿所述肘部旋转轴(13)进行360°内自由旋转。
优选的，所述缠绕轮(21)为动力辊；所述导向轮(23)为钢丝滑辊。
优选的，所述第一控制系统还包括限位开关和安全锁；
所述限位开关和所述安全锁均与所述第1控制器(41)连接；
所述限位开关，用于所述钢丝绳(22)上极限位置和下极限位置的检测和保护；
所述安全锁，设置于所述缠绕轮(21)上，用于在异常停电和紧急情况下，对所述缠绕轮(21)制动。
优选的，所述第1控制器(41)采用三环控制模式，通过所述伺服驱动器控制所述交流伺服电机(42)的输出转矩；
所述三环控制模式具体包括：比较单元、延时单元、速度环调节器、电流环调节器、位置环调节器、电流检测器、制动器和编码器；
所述比较单元和所述延时单元设置于所述第1控制器(41)的内部；
所述速度环调节器、所述电流环调节器和所述位置环调节器设置于所述伺服驱动器的内部；
所述电流检测器安装于所述交流伺服电机(42)的前部，用于检测所述伺服驱动器向所述交流伺服电机(42)输出的各相相电流；
所述编码器和所述制动器安装于所述交流伺服电机(42)的尾部，所述编码器用于采集所述交流伺服电机(42)的转动速度信息和转动位置信息；所述制动器用于制动所述交流伺服电机(42)，所述制动器的输入端通过所述延时单元连接到所述比较单元；所述制动器的输出端与所述交流伺服电机(42)连接；
所述电流环调节器为最内环，其输入端与所述速度环调节器的输出端连接，其反馈端与所述电流检测器的输出端连接，其输出端与所述交流伺服电机(42)的输入端连接；所述电流环调节器的输出即为所述交流伺服电机(42)的各相相电流，使所述交流伺服电机(42)的输入电流等于设定电流；
所述速度环调节器为中间环，其输入端分别与所述比较器和所述位置环调节器连接；其反馈端与所述编码器连接，用于接收所述编码器采集到的所述交流伺服电机(42)的当前转动速度信息；其输出端与所述电流环调节器连接，用于向所述电流环调节器输出电流给定；
所述位置环调节器为最外环，其输入端与所述比较器连接；其反馈端与所述编码器连接，用于接收所述编码器采集到的所述交流伺服电机(42)的当前转动位置信息；其输出端与所述速度环调节器连接，用于向所述速度环调节器输出速度给定。
优选的，所述第二控制系统还包括：操作显示器(25)；
所述操作显示器(25)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，与所述第2控制器(32)连接，用于设定控制参数、显示所述第二控制系统和所述第一控制系统的运行状态以及记录故障；
所述夹具锁紧装置(24)包括控制开关和执行电机；所述控制开关和所述执行电机均连接到所述第2控制器(32)；
所述第2控制器(32)通过控制所述执行电机，进而控制所述夹具紧锁装置(24)，从而控制夹具对负载进行旋转、锁紧、释放和重心移动操作。
本发明还提供一种基于交流伺服控制的机械助力臂操控方法，包括以下步骤：
S1，当需要移动负载时，第2控制器(32)驱动执行电机动作，进而夹紧负载；
S2，在一定范围内水平移动负载，包括：
在肘部旋转轴(13)位置安装松紧调节装置，首先锁紧所述松紧调节装置，操作者向末端操作器(31)施加推拉力，进而控制机械大臂(11)沿肩部旋转轴(12)进行360°内自由旋转，直到旋转到第1水平位置点；然后，释放所述松紧调节装置，通过操作者向末端操作器(31)继续施加的推拉力，使机械小臂(14)沿肘部旋转轴(13)进行360°内自由旋转，直到旋转到最终的水平位置点；
S3，在上述水平范围内移动负载的过程中，由于操作者同时向末端操作器(31)施加向上、向下或悬停的操作力F，还执行控制负载在垂直方向运动的过程，具体包括：
S31，末端操作器(31)感应操作者手指发出的操作力信号；其中，所述操作力信号包括上升、下降或悬停信号；
所述末端操作器(31)将所述操作力信号发送到第2控制器(32)；
S32，所述第2控制器(32)通过通信线路将所述操作力信号发送到第1控制器(41)；
S33，所述第1控制器(41)接收所述操作力信号，并根据所述操作力信号，通过伺服驱动器控制交流伺服电机(42)的输出转矩，进而控制缠绕轮(21)的缠绕状态，最终达到控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停的动作。
优选的，S33具体包括：
S331，所述第2控制器(32)将接收到的操作力信号发送至比较器；
S332，所述比较器判断所述操作力信号的信号类型；如果所述操作力信号所携带的操作力为向上或向下的操作力，表明需要对负载进行上升或下降操作，则执行S333-S334；如果所述操作力信号所携带的操作力为0，表明需要对负载进行悬停动作，则执行S335；
S333，所述比较器断开位置环调节器，并向速度环调节器输入端发出上升或下降的速度指令，作为所述速度环调节器的速度设定值；同时，编码器采集交流伺服电机(42)当前的转动速度信息，并将所述转动速度信息反馈到所述速度环调节器的反馈端，作为速度环反馈值；所述速度环调节器比较所述速度设定值和所述速度环反馈值，其差值进行PID调节后，输出到电流环调节器的输入端，作为电流环调节器的电流环给定值；
S334，所述电流环调节器的输入端接收所述电流环给定值；同时，电流检测器检测伺服驱动器向交流伺服电机(42)输出的各相相电流，所检测到的相电流输入到所述电流环调节器的反馈端，作为所述电流环调节器的电流环反馈值；所述电流环调节器比较所述电流环给定值和所述电流环反馈值，差值进行PID调节后，输出交流伺服电机(42)每相的相电流，进而使交流伺服电机(42)输出与所述操作力信号相应的输出转矩；
S335，比较器分别向位置环调节器、速度环调节器和电流环调节器的指令输入端发送伺服锁定指令、零速度信号指令和转矩维持指令；
S336，所述位置环调节器的指令输入端接收所述伺服锁定指令；其反馈端接收编码器采集到的交流伺服电机(42)当前的转动位置信息，作为位置反馈值；所述位置环调节器对所述伺服锁定指令和所述转动位置信息进行综合分析后，向速度环调节器输出速度环给定值；
S337，所述速度环调节器的指令输入端接收所述零速度信号指令，给定输入端接收所述速度环给定值，反馈端接收编码器采集到的交流伺服电机(42)当前的转动速度信息；所述速度环调节器对所述零速度信号指令、所述速度环给定值和所述转动速度信息进行综合分析后，向电流环调节器输出电流环给定值；
S338，所述电流环调节器的指令输入端接收所述转矩维持指令，给定输入端接收所述电流环给定值，反馈端接收电流检测器检测到的交流伺服电机(42)的各相相电流；
所述电流环调节器对所述转矩维持指令、所述电流环给定值和所述相电流进行综合分析后，输出交流伺服电机(42)每相的相电流，使交流伺服电机(42)产生与负载当前转矩大小相应的反向输出转矩，以实现负载的悬浮停止；当实现负载的悬浮停止开始，启动延时单元开始计时，当达到延时设定时间时，向制动器发送电磁制动信号，通过机械制动实现负载长时间悬停功能。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法，通过检测操作者通过末端操作器发送的操作指令，实现对负载进行上升、下降、悬停和定位；具有整体结构简单、占用体积小以及成本低的优点，为一种实现人机合作作业的特殊作业机器人，可满足各种装配生产线、物流传送作业等。
附图说明
图1为本发明提供的基于交流伺服控制的机械助力臂的机械结构示意图；
图2为本发明提供的基于交流伺服控制的机械助力臂的电路控制原理图；
图3为本发明提供的三环控制电路原理示意图；
图4所示，为二自由度机械臂旋转状态的仰视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，为本发明提供的基于交流伺服控制的机械助力臂的机械结构示意图；如图2所示，为本发明提供的基于交流伺服控制的机械助力臂的电路控制原理图。结合图1和图2，本发明提供的基于交流伺服控制的机械助力臂，包括：第一控制系统、提升系统、第二控制系统和机械助力臂本体1。该机械助力臂可根据实际需要，灵活采用各种安装方式，例如，可采用墙面固定、屋顶吊装或地面安装等方式，当采用地面安装方式时，参考图1，需要安装立柱5，通过立柱5，支撑整个机械助力臂。当采用其他安装方式时，不安装立柱5。
本发明提供的基于交流伺服控制的机械助力臂，核心思想为：
控制系统采用分散控制方式，上位机，即第一控制系统中的第1控制器，采用高性能可编程控制器，其任务是接收处理下位机信号，进而控制驱动提升系统；下位机，即第二控制系统中的第2控制器，也采用高性能可编程控制器，其任务是接收处理末端操作器发送的信号并传递给上位机。上位机与下位机之间采用RS232串口通讯方式。
其中，下位机，主要用于通过控制开关和执行电机，进而控制夹具锁紧装置，实现对负载进行旋转，锁紧，释放，重心的移动等机械手的操作；同时通过信号调理模块，采集末端操作器发出的操作力信号，并将操作力信号传输给上位机。下位机还配置有操作显示器，用于监视上下位机的运行、故障记录以及控制参数的设定等。
上位机，是机械助力臂的控制中枢，主要用于控制交流伺服电机的启停运行；具体的，接收下位机上传的操作力信号，通过操作力的测量比较，向伺服驱动器发出转矩指令信号；伺服驱动器，根据接受到的转矩指令，驱动交流伺服电机运动，进而带动提升系统动作，实现对负载进行上升、下降或悬停作业。同时监视限位开关；当运行中出现异常状态，控制安全锁动作，实现对机械助力臂及时锁定。
以下对本发明提供的第一控制系统、提升系统、第二控制系统和机械助力臂本体四个核心部件详细介绍：
(一)提升系统
其中，提升系统包括：缠绕轮21、钢丝绳22、导向轮23和夹具锁紧装置24；缠绕轮21设置于机械助力臂本体1的尾端，导向轮23设置于机械助力臂本体1的头端；钢丝绳22的尾端缠绕在缠绕轮21上后，沿水平设置的机械助力臂本体1的轴向方向延伸，其头端从导向轮23引出后，在钢丝绳22的头端固定安装夹具锁紧装置24，使夹具锁紧装置24悬挂于机械助力臂本体1的下方；夹具锁紧装置14，用于负载的快速装卸，此装置可与各种机械式，电动式，气动式和真空式夹具配合使用。
实际应用中，缠绕轮21采用动力辊；导向轮23为钢丝滑辊。
(二)第二控制系统
第二控制系统包括：末端操作器31和第2控制器32；
末端操作器31，固定安装于夹具锁紧装置24，用于感应操作者手指发出的操作力信号，并将操作力信号发送给第2控制器32；其中，操作力信号为控制夹具锁紧装置24进行上升、下降或悬停信号；具体的，本发明中，末端操作器内部安装了一只力传感器，是机械助力臂操作的信号源，用于感知手指的操作力。机械助力臂采用微操作力控制方式，控制原理是：仅仅利用末端操作器检测操作者施加的微操作力，通过在线的实时处理，及时响应操作者的上升或下降动作，大大降低惯性，延展操作者的手臂，这是机械助力臂的指尖控制调节模式。为了实现负载位置的精细移动调节，第2控制器还设置了机械助力臂对空载(仅夹具锁紧装置)和三种不同重量的负载转矩存储记忆功能和微调模式，即：利用触摸屏实现负载重物的位置微小调节，每次移动速度能达到0.006m/s-0.6m/s，实现位置精确调节。
第2控制器32，固定安装于夹具锁紧装置24，用于接收末端操作器31发送的操作力信号，并将操作力信号发送到第一控制系统；
第二控制系统还包括：操作显示器；
操作显示器，固定安装于夹具锁紧装置24，与第2控制器32连接，用于设定控制参数、显示第二控制系统和第一控制系统的运行状态以及记录故障；
夹具锁紧装置包括控制开关和执行电机；控制开关和执行电机均连接到第2控制器32；
第2控制器32通过控制执行电机，进而控制夹具锁紧装置对负载进行旋转、锁紧、释放和重心移动操作。
(三)第一控制系统
第一控制系统包括：第1控制器41、伺服驱动器和交流伺服电机42；
第1控制器41，用于接收第2控制器32上传的操作力信号，并根据操作力信号，通过伺服驱动器而控制交流伺服电机42的输出转矩；由于交流伺服电机42与提升系统的缠绕轮21的缠绕轴相连，进而控制缠绕轮21的缠绕状态，最终达到控制夹具锁紧装置24进行上升、下降或悬停的动作。
此外，第一控制系统还包括限位开关和安全锁；
限位开关和安全锁均与第1控制器41连接；
限位开关，安装于缠绕轮的两端，用于钢丝绳22上极限位置和下极限位置的检测和保护；
安全锁，设置于缠绕轮21上，用于在异常停电和紧急情况下，对缠绕轮21制动，以避免负载的坠落。
基于交流伺服控制的机械助力臂，第1控制器主要采用转矩控制模式。转矩控制模式是通过外部模拟量的输入而设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为：例如3V对应2.4Nm，当外部模拟量设定为1.5V时，电机轴输出为1.2Nm：如果电机轴负载低于1.2Nm时，电机正转(提升状态)；外部负载等于1.2Nm时，电机不转(悬停状态)；大于1.2Nm时，电机反转(下降状态，通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定而改变设定的力矩大小。
单纯的转矩控制模式还无法满足机械助力臂快速精确的控制，在具体控制方式中，本发明采用了伺服电机的三环控制，所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。
参考图3，为三环控制电路原理示意图，基于三环控制模式，控制交流伺服电机42的输出转矩；
具体的，三环控制模式具体包括：比较单元、延时单元、速度环调节器、电流环调节器、位置环调节器、电流检测器、制动器和编码器；
比较单元和延时单元设置于第1控制器41的内部；
速度环调节器、电流环调节器和位置环调节器设置于伺服驱动器的内部；
电流检测器安装于交流伺服电机42的前部，用于检测伺服驱动器向交流伺服电机42输出的各相相电流；具体实现时，电流检测器为霍尔装置。
编码器和制动器安装于交流伺服电机42的尾部，编码器用于采集交流伺服电机42的转动速度信息和转动位置信息；制动器用于制动交流伺服电机42，制动器的输入端通过延时单元连接到比较单元；制动器的输出端与交流伺服电机42连接；
电流环调节器为最内环，其输入端与速度环调节器的输出端连接，其反馈端与电流检测器的输出端连接，其输出端与交流伺服电机42的输入端连接；电流环调节器的输出即为交流伺服电机42的各相相电流，使交流伺服电机42的输入电流等于设定电流；电流环调节器主要功能为控制电机转矩，在转矩模式下，伺服驱动器的运算最小，动态响应最快。
速度环调节器为中间环，其输入端分别与比较器和位置环调节器连接；其反馈端与编码器连接，用于接收编码器采集到的交流伺服电机42的当前转动速度信息；其输出端与电流环调节器连接，用于向电流环调节器输出电流给定；
位置环调节器为最外环，其输入端与比较器连接；其反馈端与编码器连接，用于接收编码器采集到的交流伺服电机42的当前转动位置信息；其输出端与速度环调节器连接，用于向速度环调节器输出速度给定。
(四)机械助力臂本体
机械助力臂本体1为二自由度机械臂，可实现直径6米的服务范围调节。具体的，二自由度机械臂包括机械大臂11、肩部旋转轴12、肘部旋转轴13和机械小臂14；
机械大臂11的肩部安装肩部旋转轴12，通过操作者施加于末端操作器31的推拉动作，可控制机械大臂11沿肩部旋转轴12进行360°内自由旋转；
在机械大臂11的肘部安装肘部旋转轴13，从肘部旋转轴13至机械大臂11的自由端形成机械小臂14；通过操作者施加于末端操作器31的推拉动作，可控制机械小臂14沿肘部旋转轴13进行360°内自由旋转。如图4所示，为二自由度机械臂旋转状态的仰视图。
参考图1，还设置有电缆6和弹簧电缆7，用于电源和上下位机的信号传输。
本发明还提供一种基于交流伺服控制的机械助力臂操控方法，包括以下步骤：
S1，当需要移动负载时，第2控制器32驱动执行电机动作，进而夹紧负载；
S2，在一定范围内水平移动负载，包括：
在肘部旋转轴13位置安装松紧调节装置，首先锁紧松紧调节装置，操作者向末端操作器31施加推拉力，进而控制机械大臂11沿肩部旋转轴12进行360°内自由旋转，直到旋转到第1水平位置点；然后，释放松紧调节装置，通过操作者向末端操作器31继续施加的推拉力，使机械小臂14沿肘部旋转轴13进行360°内自由旋转，直到旋转到最终的水平位置点；
S3，在上述水平范围内移动负载的过程中，由于操作者同时向末端操作器31施加向上、向下或悬停的操作力F，还执行控制负载在垂直方向运动的过程，具体包括：
S31，末端操作器31感应操作者手指发出的操作力信号；其中，操作力信号包括上升、下降或悬停信号；
末端操作器31将操作力信号发送到第2控制器32；
S32，第2控制器32通过通信线路将操作力信号发送到第1控制器41；
S33，第1控制器41接收操作力信号，并根据操作力信号，通过伺服驱动器控制交流伺服电机42的输出转矩，进而控制缠绕轮21的缠绕状态，最终达到控制夹具锁紧装置24进行上升、下降或悬停的动作。
本步骤具体包括：
S331，第2控制器32将接收到的操作力信号发送至比较器；
S332，比较器判断操作力信号的信号类型；如果操作力信号所携带的操作力为向上或向下的操作力，表明需要对负载进行上升或下降操作，则执行S333-S334；如果操作力信号所携带的操作力为0，表明需要对负载进行悬停动作，则执行S335；
S333，比较器断开位置环调节器，并向速度环调节器输入端发出上升或下降的速度指令，作为速度环调节器的速度设定值；同时，编码器采集交流伺服电机42当前的转动速度信息，并将转动速度信息反馈到速度环调节器的反馈端，作为速度环反馈值；速度环调节器比较速度设定值和速度环反馈值，其差值进行PID调节后，输出到电流环调节器的输入端，作为电流环调节器的电流环给定值；
S334，电流环调节器的输入端接收电流环给定值；同时，电流检测器检测伺服驱动器向交流伺服电机42输出的各相相电流，所检测到的相电流输入到电流环调节器的反馈端，作为电流环调节器的电流环反馈值；电流环调节器比较电流环给定值和电流环反馈值，差值进行PID调节后，输出交流伺服电机42每相的相电流，进而使交流伺服电机42输出与操作力信号相应的输出转矩；
S335，比较器分别向位置环调节器、速度环调节器和电流环调节器的指令输入端发送伺服锁定指令、零速度信号指令和转矩维持指令；
S336，位置环调节器的指令输入端接收伺服锁定指令；其反馈端接收编码器采集到的交流伺服电机42当前的转动位置信息，作为位置反馈值；位置环调节器对伺服锁定指令和转动位置信息进行综合分析后，向速度环调节器输出速度环给定值；
S337，速度环调节器的指令输入端接收零速度信号指令，给定输入端接收速度环给定值，反馈端接收编码器采集到的交流伺服电机42当前的转动速度信息；速度环调节器对零速度信号指令、速度环给定值和转动速度信息进行综合分析后，向电流环调节器输出电流环给定值；
S338，电流环调节器的指令输入端接收转矩维持指令，给定输入端接收电流环给定值，反馈端接收电流检测器检测到的交流伺服电机42的各相相电流；
电流环调节器对转矩维持指令、电流环给定值和相电流进行综合分析后，输出交流伺服电机42每相的相电流，使交流伺服电机42产生与负载当前转矩大小相应的反向输出转矩，以实现负载的悬浮停止；当实现负载的悬浮停止开始，启动延时单元开始计时，当达到延时设定时间时，向制动器发送电磁制动信号，通过机械制动实现负载长时间悬停功能，以免伺服驱动器和伺服电机长期处于大电流工作状态。
由此可见，本发明提供的基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法，通过检测操作者通过末端操作器发送的操作指令，实现对负载进行上升、下降、悬停和定位；为一种实现人机合作作业的特殊作业机器人，可满足各种装配生产线、物流传送作业等。具体优点如下：
1)轻松搬运：可辅助操作者进行零重力操作，轻松完成物料的搬运、装配和定位工作，成为各行业物料搬运装备的首选。
2)精确定位：悬挂载荷后，在空中处于“浮动”状态，可实现所操作物料的快速精准定位。
3)操作简单：负载升降不需要控制按钮，人的动作即机械的动作指令。
4)通用性强：负载夹紧装置可配备任何形式的夹具系统，适用范围广。
5)高效安全：由交流伺服驱动，长期性稳定性高，人机合作，提高安全保障和工作效率。
6)机械助力臂整体结构简单、占用体积小以及成本低，可广泛推广使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，包括：第一控制系统、提升系统、第二控制系统和机械助力臂本体(1)；
其中，所述提升系统包括：缠绕轮(21)、钢丝绳(22)、导向轮(23)和夹具紧锁装置(24)；所述缠绕轮(21)设置于所述机械助力臂本体(1)的尾端，所述导向轮(23)设置于所述机械助力臂本体(1)的头端；所述钢丝绳(22)的尾端缠绕在所述缠绕轮(21)上后，沿水平设置的所述机械助力臂本体(1)的轴向方向延伸，其头端从所述导向轮(23)引出后，在所述钢丝绳(22)的头端固定安装所述夹具紧锁装置(24)，使所述夹具紧锁装置(24)悬挂于所述机械助力臂本体(1)的下方；所述夹具紧锁装置(24)用于与夹具连接；
所述第二控制系统包括：末端操作器(31)和第2控制器(32)；
所述末端操作器(31)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于感应操作者手指发出的操作力信号，并将所述操作力信号发送给所述第2控制器(32)；其中，所述操作力信号为控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停信号；
所述第2控制器(32)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于接收所述末端操作器(31)发送的所述操作力信号，并将所述操作力信号发送到所述第一控制系统；
所述第一控制系统包括：第1控制器(41)、伺服驱动器和交流伺服电机(42)；
所述第1控制器(41)，用于接收所述第2控制器(32)上传的所述操作力信号，并根据所述操作力信号，通过所述伺服驱动器而控制所述交流伺服电机(42)的输出转矩；由于所述交流伺服电机(42)与所述提升系统的所述缠绕轮(21)的缠绕轴相连，进而控制所述缠绕轮(21)的缠绕状态，最终达到控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停的动作；
所述第1控制器(41)采用三环控制模式，通过所述伺服驱动器控制所述交流伺服电机(42)的输出转矩；
所述三环控制模式具体包括：比较单元、延时单元、速度环调节器、电流环调节器、位置环调节器、电流检测器、制动器和编码器；
所述比较单元和所述延时单元设置于所述第1控制器(41)的内部；
所述速度环调节器、所述电流环调节器和所述位置环调节器设置于所述伺服驱动器的内部；
所述电流检测器安装于所述交流伺服电机(42)的前部，用于检测所述伺服驱动器向所述交流伺服电机(42)输出的各相相电流；
所述编码器和所述制动器安装于所述交流伺服电机(42)的尾部，所述编码器用于采集所述交流伺服电机(42)的转动速度信息和转动位置信息；所述制动器用于制动所述交流伺服电机(42)，所述制动器的输入端通过所述延时单元连接到所述比较单元；所述制动器的输出端与所述交流伺服电机(42)连接；
所述电流环调节器为最内环，其输入端与所述速度环调节器的输出端连接，其反馈端与所述电流检测器的输出端连接，其输出端与所述交流伺服电机(42)的输入端连接；所述电流环调节器的输出即为所述交流伺服电机(42)的各相相电流，使所述交流伺服电机(42)的输入电流等于设定电流；
所述速度环调节器为中间环，其输入端分别与所述比较器和所述位置环调节器连接；其反馈端与所述编码器连接，用于接收所述编码器采集到的所述交流伺服电机(42)的当前转动速度信息；其输出端与所述电流环调节器连接，用于向所述电流环调节器输出电流给定；
所述位置环调节器为最外环，其输入端与所述比较器连接；其反馈端与所述编码器连接，用于接收所述编码器采集到的所述交流伺服电机(42)的当前转动位置信息；其输出端与所述速度环调节器连接，用于向所述速度环调节器输出速度给定。
2.根据权利要求1所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述机械助力臂本体(1)为二自由度机械臂。
3.根据权利要求2所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述二自由度机械臂包括机械大臂(11)、肩部旋转轴(12)、肘部旋转轴(13)和机械小臂(14)；
所述机械大臂(11)的肩部安装所述肩部旋转轴(12)，通过操作者施加于所述末端操作器(31)的推拉动作，可控制所述机械大臂(11)沿所述肩部旋转轴(12)进行360°内自由旋转；
在所述机械大臂(11)的肘部安装所述肘部旋转轴(13)，从所述肘部旋转轴(13)至所述机械大臂(11)的自由端形成所述机械小臂(14)；通过操作者施加于所述末端操作器(31)的推拉动作，可控制所述机械小臂(14)沿所述肘部旋转轴(13)进行360°内自由旋转。
4.根据权利要求1所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述缠绕轮(21)为动力辊；所述导向轮(23)为钢丝滑辊。
5.根据权利要求1所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述第一控制系统还包括限位开关和安全锁；
所述限位开关和所述安全锁均与所述第1控制器(41)连接；
所述限位开关，用于所述钢丝绳(22)上极限位置和下极限位置的检测和保护；
所述安全锁，设置于所述缠绕轮(21)上，用于在异常停电和紧急情况下，对所述缠绕轮(21)制动。
6.根据权利要求1所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述第二控制系统还包括：操作显示器(25)；
所述操作显示器(25)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，与所述第2控制器(32)连接，用于设定控制参数、显示所述第二控制系统和所述第一控制系统的运行状态以及记录故障；
所述夹具锁紧装置(24)包括控制开关和执行电机；所述控制开关和所述执行电机均连接到所述第2控制器(32)；
所述第2控制器(32)通过控制所述执行电机，进而控制所述夹具紧锁装置(24)，从而控制夹具对负载进行旋转、锁紧、释放和重心移动操作。
7.一种基于交流伺服控制的机械助力臂操控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，当需要移动负载时，第2控制器(32)驱动执行电机动作，进而夹紧负载；
S2，在一定范围内水平移动负载，包括：
在肘部旋转轴(13)位置安装松紧调节装置，首先锁紧所述松紧调节装置，操作者向末端操作器(31)施加推拉力，进而控制机械大臂(11)沿肩部旋转轴(12)进行360°内自由旋转，直到旋转到第1水平位置点；然后，释放所述松紧调节装置，通过操作者向末端操作器(31)继续施加的推拉力，使机械小臂(14)沿肘部旋转轴(13)进行360°内自由旋转，直到旋转到最终的水平位置点；
S3，在上述水平范围内移动负载的过程中，由于操作者同时向末端操作器(31)施加向上、向下或悬停的操作力F，还执行控制负载在垂直方向运动的过程，具体包括：
S31，末端操作器(31)感应操作者手指发出的操作力信号；其中，所述操作力信号包括上升、下降或悬停信号；
所述末端操作器(31)将所述操作力信号发送到第2控制器(32)；
S32，所述第2控制器(32)通过通信线路将所述操作力信号发送到第1控制器(41)；
S33，所述第1控制器(41)接收所述操作力信号，并根据所述操作力信号，通过伺服驱动器控制交流伺服电机(42)的输出转矩，进而控制缠绕轮(21)的缠绕状态，最终达到控制夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停的动作。
8.根据权利要求7所述的基于交流伺服控制的机械助力臂操控方法，其特征在于，S33具体包括：
S331，所述第2控制器(32)将接收到的操作力信号发送至比较器；
S332，所述比较器判断所述操作力信号的信号类型；如果所述操作力信号所携带的操作力为向上或向下的操作力，表明需要对负载进行上升或下降操作，则执行S333-S334；如果所述操作力信号所携带的操作力为0，表明需要对负载进行悬停动作，则执行S335；
S333，所述比较器断开位置环调节器，并向速度环调节器输入端发出上升或下降的速度指令，作为所述速度环调节器的速度设定值；同时，编码器采集交流伺服电机(42)当前的转动速度信息，并将所述转动速度信息反馈到所述速度环调节器的反馈端，作为速度环反馈值；所述速度环调节器比较所述速度设定值和所述速度环反馈值，其差值进行PID调节后，输出到电流环调节器的输入端，作为电流环调节器的电流环给定值；
S334，所述电流环调节器的输入端接收所述电流环给定值；同时，电流检测器检测伺服驱动器向交流伺服电机(42)输出的各相相电流，所检测到的相电流输入到所述电流环调节器的反馈端，作为所述电流环调节器的电流环反馈值；所述电流环调节器比较所述电流环给定值和所述电流环反馈值，差值进行PID调节后，输出交流伺服电机(42)每相的相电流，进而使交流伺服电机(42)输出与所述操作力信号相应的输出转矩；
S335，比较器分别向位置环调节器、速度环调节器和电流环调节器的指令输入端发送伺服锁定指令、零速度信号指令和转矩维持指令；
S336，所述位置环调节器的指令输入端接收所述伺服锁定指令；其反馈端接收编码器采集到的交流伺服电机(42)当前的转动位置信息，作为位置反馈值；所述位置环调节器对所述伺服锁定指令和所述转动位置信息进行综合分析后，向速度环调节器输出速度环给定值；
S337，所述速度环调节器的指令输入端接收所述零速度信号指令，给定输入端接收所述速度环给定值，反馈端接收编码器采集到的交流伺服电机(42)当前的转动速度信息；所述速度环调节器对所述零速度信号指令、所述速度环给定值和所述转动速度信息进行综合分析后，向电流环调节器输出电流环给定值；
S338，所述电流环调节器的指令输入端接收所述转矩维持指令，给定输入端接收所述电流环给定值，反馈端接收电流检测器检测到的交流伺服电机(42)的各相相电流；
所述电流环调节器对所述转矩维持指令、所述电流环给定值和所述相电流进行综合分析后，输出交流伺服电机(42)每相的相电流，使交流伺服电机(42)产生与负载当前转矩大小相应的反向输出转矩，以实现负载的悬浮停止；当实现负载的悬浮停止开始，启动延时单元开始计时，当达到延时设定时间时，向制动器发送电磁制动信号，通过机械制动实现负载长时间悬停功能。
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