CN108115673A - 一种水下主从伺服液压机械手控制系统 - Google Patents

一种水下主从伺服液压机械手控制系统 Download PDF

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杨晓东
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Abstract

一种水下主从伺服液压机械手控制系统，系统硬件由水上和水下两部分组成，采用上位机和下位机两级控制，是一个典型的二级分布式控制系统，通过现场或视觉反馈控制水下从手动作实现整个系统的操作。该控制系统可改善系统运动的滞后性，出现超调时加入积分环节，有效消除了末端明显抖动，增加了控制系统的稳定性，利于机械手精确完成水下作业。

Description

一种水下主从伺服液压机械手控制系统
技术领域
本发明涉及一种水下主从伺服液压机械手控制系统，适用于机械领域。
背景技术
自20世纪以来，海洋技术得到了世界各海洋大国的高度重视和空前发展，水下作业装备的使用要求也相应提高，作业深度越来越大；同时，作业装备面临的作业环境也越来越富有挑战性。水下机械手是能够完成复杂水下作业的一种有效手段。作为深海作业潜水器的重要组成部分，水下液压机械手集机械、电子、液压技术为一体，协助潜水器在恶劣的海洋环境下完成各种水下作业。深海作业的水下机械手，其运动控制要求良好的实时性、精确驱动执行机构、感知周围环境及自身运动信息的能力。由于工作条件恶劣，周围环境复杂，机械手的性能直接影响整个潜水器装备的作业功能，为此设计一个可靠的控制系统来保证它安全、准确地工作至关重要。
发明内容
本发明提出了一种水下主从伺服液压机械手控制系统，系统硬件由水上和水下两部分组成，采用上位机和下位机两级控制，是一个典型的二级分布式控制系统，通过现场或视觉反馈控制水下从手动作实现整个系统的操作。
本发明所采用的技术方案是：
所述机械手控制系统硬件由水上和水下两部分组成，采用上位机和下位机两级控制，是一个典型的二级分布式控制系统。
所述水上部分主要由主控制器、主手、液晶显示屏及按键组成，水下部分主要包括伺服阀箱、机械手本体。
所述控制系统的上位机与下位机之间的通讯采用主从应答方式，上位机始终具有传送的优先权，可以随时根据需要向下位机发出读写指令；下位机处于被动状态响应上位机的命令。
所述控制系统的主控制器使用MFC制作人机界面，通过控制器面板上的按键实现控制界面及控制模式的切换;通过LCD液晶显示器显示当前控制状态及主从手位置。
本发明的有益效果是：该控制系统可改善系统运动的滞后性，出现超调时加入积分环节，有效消除了末端明显抖动，增加了控制系统的稳定性，利于机械手精确完成水下作业。
附图说明
图1是本发明的控制系统整体控制框图。
图2是本发明的主控制器软件控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例本发明作进一步说明。
如图1，针对水下七功能(六自由度+夹钳)主从伺服液压机械手设计控制系统，主从伺服液压机械手人工操作水面主手通过现场或视觉反馈控制水下从手动作实现整个系统的操作。机械手控制系统硬件由水上和水下两部分组成，采用上位机和下位机两级控制，是一个典型的二级分布式控制系统。水上部分主要由主控制器、主手、液晶显示屏及按键组成；水下部分主要包括伺服阀箱、机械手本体。
利用PC机开发上位机与下位机应用程序，以ARM板为核心搭建上位机操作环境与下位机驱动系统。上位机主要实现水面主手关节轨迹采集、水下从手关节位置反馈及整个系统状态的读取，下位机采集从手位置信息并根据接收到的主手轨迹对水下从手各关节进行驱动，实现水下从手的闭环运动控制。
主手与从手各关节一一对应，主手固定在主控制器的上面，是将水下从手按一定比例缩小设计的，用于规划从手运动。从手是一个液压驱动的六自由度的七功能机械手，依靠线性关节和转动关节驱动，线性关节为直线液压缸，依靠直线缸伸缩，水下从手部分关节在有限范围内进行摆动，转动关节为液压马达，实现部分关节有限范围的转动或连续回转。主、从机械手内部均装有传感器，以便控制器采集机械手各关节的位置信息。
如图2，控制系统软件分为上位机和下位机两大模块，控制周期均为0.2s。上位机负责信号的集中转发处理、系统运作的调度管理和机械手实时状态信息监控，保证反馈信息与控制指令数据流的协调、通畅，实现有序的控制任务。下位机软件与上位机紧密配合，主要承担系统信号计算处理和实时控制等工作任务，实现系统任务分解和控制程序的模块化，以便于机械手系统运作时主控制器的调度。
主控制器使用MFC制作人机界面，通过控制器面板上的按键实现控制界面及控制模式的切换；通过LCD液晶显示器显示当前控制状态及主从手位置。程序开启后，配置串口并设定定时器;与下位机握手，检测串口通讯是否正常；读取采集卡数据，获得主手传感器的电压值和控制面板上的按键状态；经解析后，进入按键处理程序，给各控制变量赋值，打包后发送到下位机；判断接收标识，读取下位机发送的信息。
下位机软件的最大特点是在一个周期内分阶段实现信息获取、处理及控制策略的实施。具体介绍如下：
第一阶段：读取上位机发来的信息，并校验接收数据包是否正确，然后对数据包进行拆包解析，获取控制信息及主手姿态；
第二阶段：根据前一阶段解析出的控制命令，采取相应的动作策略。在解锁状态下，采集从手传感器信息，完成多关节传感器位移量到角度量的祸合转化，根据主手姿态，针对各关节特性制定不同的控制策略和方法；
第三阶段：根据接收数据标识，判断是否需要向上位机发送数据。判断系统所处的控制模式，若处于调节模式，则发送从手的位置信息;若处于诊断模式，则发送自诊断结果。
水下作业环境的多变性及潜水器作业装备自身浮游、载体与机械手运动受到水动力影响、载体与机械手运动祸合使得水下液压机械手水下从手的控制更具挑战性，水下从手对主手的跟随精度直接影响到潜水器水下作业的性能和效果，因此，高精度的从手控制是水下主从伺服机械手的一个重要指标。

Claims (4)

1.一种水下主从伺服液压机械手控制系统，其特征是：所述机械手控制系统硬件由水上和水下两部分组成，采用上位机和下位机两级控制，是一个典型的二级分布式控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种水下主从伺服液压机械手控制系统，其特征是：所述水上部分主要由主控制器、主手、液晶显示屏及按键组成，水下部分主要包括伺服阀箱、机械手本体。
3.根据权利要求1所述的一种水下主从伺服液压机械手控制系统，其特征是：所述控制系统的上位机与下位机之间的通讯采用主从应答方式，上位机始终具有传送的优先权，可以随时根据需要向下位机发出读写指令；下位机处于被动状态响应上位机的命令。
4.根据权利要求1所述的一种水下主从伺服液压机械手控制系统，其特征是：所述控制系统的主控制器使用MFC制作人机界面，通过控制器面板上的按键实现控制界面及控制模式的切换;通过LCD液晶显示器显示当前控制状态及主从手位置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108818574A (zh) * 2018-08-28 2018-11-16 深圳市智慧海洋科技有限公司 一种开放式、可重构水下机器人控制系统及方法
CN110238871A (zh) * 2019-06-29 2019-09-17 杭州宇控机电工程有限公司 一种阀箱分置型全海深七功能比例液压机械手整机系统

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