CN109944844B - 一种机器人液压驱动转动关节闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人液压驱动转动关节闭环控制方法，通过对进油口、出油口压力值的检测并相应调节PWM占空比，对液压驱动液压转动关节转动角度、进油口和出油口压力的实时检测，对电机转速进行适时调节，从而形成闭环反馈回路，保证转动过程的平稳性，实现了运动控制的精确性。

Description

一种机器人液压驱动转动关节闭环控制方法

本申请是针对申请日为2016年11月22日，申请号为CN201611039763.2，发明名称为“一种机器人液压驱动转动关节闭环控制系统”的发明所提出的分案。

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体地，本发明涉及一种机器人液压驱动转动关节闭环控制方法。

背景技术

转动关节是目前工业机器人领域中应用最广泛的一种关节。一般转动关节多采用电机直接驱动，而通过液压驱动的转动关节较少。由于液压传动存在泄漏、传动液可压缩等问题，使得对其运动难以做到精确控制。而且，当负载发生变化时容易产生冲击。传统方法多采用电磁比例控制阀来对流量进行控制，但电磁比例控制阀价格昂贵，且高端产品多为外国所垄断，导致控制成本较高。因此目前亟需一种控制成本低廉且位置控制精确、运动平稳性较好的控制系统及其方法。

专利申请号为201310567608.8中国发明专利公开了一种基于液压控制方式的闭环力控制系统及控制方法，根据所述控制器模块获取力闭环控制参数及执行所述语音信号，并对根据所述控制参数设定液压缸输出步进量及判断是否进行输出力控制，若是，所述DSP模块采样所述反馈测量元件检测的拉拽力，并将所述拉拽力的大小作为力闭环控制算法的力反馈值，所述DSP模块再根据所述语音模块获取力闭环控制参数及所述力反馈值进行增量PI计算，并将计算后的值作为液压控制元件的输入值。该发明能提供的闭环力控制系统及控制方法可以在小臂骨折手术中为患者提供安全可靠地拉拽力，但是该发明在力输出控制中动作平稳性较差。

专利申请号为201410119355.2公开了一种机器人转动关节驱动装置，包括驱动机构与执行输出机构；驱动机构包括伺服电机与液压泵，执行输出机构包括平行设置的两组液压缸，两组液压缸的活塞间连接有摆杆，在两端活塞的带动下摆杆能够以其回转中心摆动；机器人部件连接于摆杆的回转中心处并随摆杆的摆动而转动；驱动装置还包括检测模块、处理模块与电机控制器。通过采用伺服电机驱动液压执行机构输出，输出功率大，可有效解决转动作业机器人需要大功率、紧凑结构的转动关节的需求。通过采用单向轴承传动，实现传动轴的间歇性单向周转运动。通过采用变送器与放大器的配合作用，有效调整机器人部件的转动量，但是该发明在力输出控制中动作平稳性较差。

发明内容

为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种机器人液压驱动转动关节闭环控制方法，其特征在于，机器人液压驱动转动关节闭环控制系统包括驱动机构、执行机构和控制机构，电源模块为系统供电，其中，驱动机构包括直流电机，直流电机与齿轮泵相连，执行机构包括液压转动关节，控制机构包括上位机，控制系统还包括电机驱动器、信号采集卡、三位四通电磁换向阀，上位机通过USB接口与下位机相连，齿轮泵与三位四通电磁换向阀相连，三位四通电磁换向阀的油路与液压转动关节相连，三位四通电磁换向阀的进油管路和出油管路上装有压力变送器，压力变送器与信号采集卡相连，液压转动关节上设有电位传感器，电位传感器与信号采集卡相连，信号采集卡进一步与上位机相连，上位机与电机驱动器之间通过CAN总线通信模块连接；

步骤1：启动直流电机，直流电机按照默认PWM占空比D转动；

步骤2：上位机根据电位传感器返回的当前位置与所要到达的目标位置，判断液压转动关节转动方向；

步骤3：上位机给下位机发送相应命令，控制电磁换向阀的阀体移动至相应位置，进油口、出油口打开，液压转动关节开始转动；

步骤4：上位机根据进油口压力变送器和出油口压力变送器返回的压力值计算压力差△P，调整PWM占空比D；

步骤5：直流电机驱动器根据最新的占空比D实现直流电机的加速或减速；

步骤6：上位机根据电位传感器返回的液压转动关节位置信息实时判断液压转动关节是否到达目标位置，若到达，则执行步骤7，否则执行步骤4；

步骤7：上位机给下位机发送指令，控制电磁换向阀阀体移动至中位机能，进油口、出油口锁死，液压转动关节位置锁定，一次任务结束；

步骤8：直流电机保持转动，进油口溢流阀溢流，等待下一次任务；

其中，所述电机通过联轴器与齿轮泵相连，齿轮泵的输出流量模型为Q＝q*n*v/60，其中Q为流量；q为齿轮泵平均每转流量；n为齿轮泵转速；v为容积效率；当液压系统的负载不变时，齿轮泵的输出流量决定了液压转动关节的转动速度；当负载发生改变时，液压转动关节的移动速度受到影响，相应地改变齿轮泵输出流量便可抵消此影响以提高液压转动关节转动的平稳性；

所述上位机收到进油口和出油口压力值后，计算压力差△P＝Pi-Po，Pi为进油口压力值，Po为出油口压力值；根据压力差△P，判断负载是否发生变化，并根据负载的变化实时调整用于控制电机转速的PWM的占空比D的值，上位机将占空比D的值通过CAN总线通信模块发送给电机驱动器，电机驱动器根据得到的PWM值控制直流电机转速；

所述PWM中占空比D与压力差△P的关系式为：D＝κ△P，κ为比例系数，当压力差△P增大，说明负载增大，需使电机加速，上位机将占空比D相应增大，并将其发送给电机驱动器，电机驱动器驱动电机加速，以适应负载的瞬时增大。

进一步的，所述信号采集卡与上位机之间通过RS232转USB模块连接，RS232转USB模块一端与信号采集卡相连，另一端与上位机的USB接口相连，信号采集卡将压力变送器以及电位传感器传送的压力值和液压转动关节位置传送至上位机。

进一步的，所述压力变送器连接到电磁换向阀的进油口管路和出油口管路，分别为进油口压力变送器、出油口压力变动器，用于测量液压系统进油管路与出油管路的压力值，分别将管路油液的压力值转换成模拟电信号并发送至信号采集卡。

进一步的，所述电磁换向阀用于在液压转动关节到达目标位置后转换至中位机能，实现进油口和出油口的锁死，保证位置的锁定，当液压转动关节需要改变转动方向时，电磁换向阀通过阀位置的移动来改变液压转动关节的进、出油口。

进一步的，所述电位传感器用于检测液压转动关节的位置并送至信号采集卡。

有益效果

本发明提供一种机器人液压驱动转动关节闭环控制方法，通过对进油口、出油口压力值的检测并相应调节PWM占空比D，对液压转动关节转动角度、进油口和出油口压力的实时检测，对电机转速进行适时调节，从而形成闭环反馈回路，实现液压转动关节对负载变化的及时适应性调整，保证转动过程的平稳性，通过对位置信息的实时检测，实现了运动控制的精确性。

附图说明

图1是机器人液压驱动转动关节闭环控制系统连接关系图；

图2为机器人液压驱动转动关节闭环控制方法流程框图。

具体实施方式

为了更好理解本发明的技术方案和优点，以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明做进一步说明。另外，本发明说明书中描述的直流电机和电机为同一概念，直流电机驱动器和电机驱动器为同一概念，三位四通电磁换向阀和电磁换向阀为同一概念。

实施例1.1

如图1所示，为本发明提供的一种机器人液压驱动转动关节闭环控制系统，包括驱动机构、执行机构和控制机构，驱动机构包括直流电机5和齿轮泵6，直流电机5与齿轮泵6相连，执行机构包括液压转动关节12，控制机构包括上位机1，上位机1计算压力变送器检测到的进油口压力值与出油口压力值的差值，当压力差增大时，说明负载增大，上位机增大PWM占空比D，电机加速以适应负载的增大；当压力差减小时，说明负载减小，上位机减小PWM占空比D，电机减速以适应负载的减小，上位机对电位传感器检测到的液压转动关节当前位置与目标位置实时进行比较，当两者一致时，上位机控制电磁换向阀转至中位机能，从而实现位置的锁定。

该系统还包括下位机2、CAN总线通信模块3、电机驱动器4、信号采集卡7、电位传感器10、三位四通电磁换向阀11、进油口溢流阀、出油口溢流阀14。

压力变送器包括进油口压力变送器8和出油口压力变送器9，进油口压力变送器8连接于进油管路，出油口压力变送器9连接于出油管路，分别测量进、出油管路的压力值；进油口压力变送器8、出油口压力变送器9连接于信号采集卡7，将管路油液的压力值转换为模拟电信号(电流值)并发送给信号采集卡7。

电位传感器10连接于液压转动关节12，用于测量液压转动关节的当前转动角度，将液压转动关节的角位移转换为相应的电压信号。

信号采集卡7连接于上位机1，用于采集进油口压力变送器8、出油口压力变送器9和电位传感器10测量到的信号，并将信号发送至上位机1中。

控制方法如图2所示，上位机1通过信号采集卡7获取进、出油管路的压力值信号和液压转动关节12的位置信号，根据进、出口管路压力值信号计算压力差值△P，根据压力差△P判断负载是否发生变化，并根据负载的变化实时调整用于控制电机9转速的PWM的占空比D的值；上位机1将占空比D的值通过CAN总线通信模块3发送给电机驱动器4，电机驱动器根据得到的PWM值控制直流电机5转速。

直流电机5与齿轮泵6连接，结合齿轮泵6的性能曲线，建立齿轮泵6的输出流量模型为Q(ml)＝q*n*v/60(上式各字母代表：Q：流量；q：齿轮泵平均每转流量(ml/转)，和齿轮的结构相关；n：齿轮泵转速，(转/分钟)；v：容积效率)。直流电机5的转速决定了齿轮泵6的输出流量。当液压系统的负载不变时，齿轮泵6的输出流量决定了液压转动关节的转动速度。当负载发生改变时，液压转动关节的移动速度受到影响，相应地改变齿轮泵6输出流量便可抵消此影响，以此提高液压转动关节转动的平稳性。

具体的，将PWM中占空比D与压力差△P的关系简化为：D＝κ△P(κ为比例系数)，当压力差△P增大，说明负载增大，需使电机5加速，上位机1将占空比D相应增大，并将其发送给电机驱动器4，电机驱动器4驱动电机5加速，以适应负载的瞬时增大；反之亦然。

上位机1通过信号采集卡7获取液压转动关节的转动角度。上位机1实时判断当前转动角度是否达到目标转角，如到达指定位置，则机1给下位机2信号，下位机2控制相应电磁继电器的通断使电磁换向阀11的阀体转换至中位机能，实现进油口和出油口的锁死，此时液压转动关节在当前位置锁定，一次转动任务结束。当下一次任务启动时，上位机根据任务先判断液压转动关节的转动方向，并根据转动方向按照上述步骤相应地控制电磁换向阀11。

具体的，压力差的计算公式为△P＝Pi—Po(Pi：进油口压力，Po：出油口压力)；信号采集卡7与上位机1之间通过RS232转USB模块连接，RS232转USB模块一端与信号采集卡7相连，另一端与上位机1的USB接口相连。RS232转USB模块可以实现信号采集卡7的串口接口与上位机1的USB接口的转换，以实现信号采集卡与上位机之间的通信。

上位机1与直流电机驱动器4之间通过CAN总线通信模块3连接，上位机1与CAN总线通信模块3通过USB连接，CAN总线通信模块3与电机驱动器4相连。

上位机1通过USB与下位机2相连，下位机2控制电磁继电器，给电磁继电器开关量，电磁继电器控制电磁换向阀11的两端电磁铁的通断电以实现电磁换向阀11的换向。

本发明的机器人液压驱动转动关节闭环控制系统还包括电源模块，分别为上位机1(220V)、下位机2(5V)、信号采集卡7(5V)、电机驱动器4(24V)、电磁换向阀11(24V)等提供正常工作所必须的电源。

机器人液压驱动转动关节闭环控制方法的具体包括以下步骤：

步骤1：启动直流电机4，直流电机4按照默认PWM占空比D0转动；

步骤2：上位机1根据电位传感器10返回的当前位置与所要到达的目标位置，判断液压转动关节转动方向；

步骤3：上位机1给下位机2发送相应命令，控制电磁换向阀11的阀体移动至相应位置，进、出油口打开，液压转动关节开始转动；

步骤4：上位机1根据进油口压力变送器和出油口压力变送器返回的压力值计算压力差△P，按照前述规则调整PWM占空比D；

步骤5：直流电机驱动器4根据最新的占空比D实现直流电机5的加速或减速；

步骤6：上位机1根据电位传感器10返回的液压转动关节位置信息实时判断是否到达目标位置，若到达，则执行步骤7，否则执行步骤4；

步骤7：上位机1给下位机2发送指令，控制电磁换向阀11阀体移动至中位机能，进、出油口锁死，液压转动关节位置锁定，一次任务结束；

步骤8：直流电机5保持转动，进油口溢流阀溢流，等待下一次任务。

需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种机器人液压驱动转动关节闭环控制方法，其特征在于，机器人液压驱动转动关节闭环控制系统包括驱动机构、执行机构和控制机构，电源模块为系统供电，其中，驱动机构包括直流电机，直流电机与齿轮泵相连，执行机构包括液压转动关节，控制机构包括上位机，控制系统还包括电机驱动器、信号采集卡、三位四通电磁换向阀，上位机通过USB接口与下位机相连，齿轮泵与三位四通电磁换向阀相连，三位四通电磁换向阀的油路与液压转动关节相连，三位四通电磁换向阀的进油管路和出油管路上装有压力变送器，压力变送器与信号采集卡相连，液压转动关节上设有电位传感器，电位传感器与信号采集卡相连，信号采集卡进一步与上位机相连，上位机与电机驱动器之间通过CAN总线通信模块连接；机器人液压驱动转动关节闭环控制系统包括还进油口溢流阀和出油口溢流阀；

步骤1：启动直流电机，直流电机按照默认PWM占空比D转动；

步骤2：上位机根据电位传感器返回的当前位置与所要到达的目标位置，判断液压转动关节转动方向；

步骤3：上位机给下位机发送相应命令，控制电磁换向阀的阀体移动至相应位置，进油口、出油口打开，液压转动关节开始转动；

步骤4：上位机根据进油口压力变送器和出油口压力变送器返回的压力值计算压力差△P，调整PWM占空比D；

步骤5：直流电机驱动器根据最新的占空比D实现直流电机的加速或减速；

步骤6：上位机根据电位传感器返回的液压转动关节位置信息实时判断液压转动关节是否到达目标位置，若到达，则执行步骤7，否则执行步骤4；

步骤7：上位机给下位机发送指令，控制电磁换向阀阀体移动至中位机能，进油口、出油口锁死，液压转动关节位置锁定，一次任务结束；

步骤8：直流电机保持转动，进油口溢流阀溢流，等待下一次任务；

其中，所述电机通过联轴器与齿轮泵相连，齿轮泵的输出流量模型为Q＝q*n*v/60，其中Q为流量；q为齿轮泵平均每转流量；n为齿轮泵转速；v为容积效率；当液压系统的负载不变时，齿轮泵的输出流量决定了液压转动关节的转动速度；当负载发生改变时，液压转动关节的移动速度受到影响，相应地改变齿轮泵输出流量便可抵消此影响以提高液压转动关节转动的平稳性；

所述上位机收到进油口和出油口压力值后，计算压力差△P＝Pi-Po，Pi为进油口压力值，Po为出油口压力值；根据压力差△P，判断负载是否发生变化，并根据负载的变化实时调整用于控制电机转速的PWM的占空比D的值，上位机将占空比D的值通过CAN总线通信模块发送给电机驱动器，电机驱动器根据得到的PWM值控制直流电机转速；

所述 PWM中占空比D与压力差△P的关系式为：D＝κ△P，κ为比例系数，当压力差△P增大，说明负载增大，需使电机加速，上位机将占空比D相应增大，并将其发送给电机驱动器，电机驱动器驱动电机加速，以适应负载的瞬时增大。

2.如权利要求1所述的机器人液压驱动转动关节闭环控制方法，其特征在于：所述信号采集卡与上位机之间通过RS232转USB模块连接，RS232转USB模块一端与信号采集卡相连，另一端与上位机的USB接口相连，信号采集卡将压力变送器以及电位传感器传送的压力值和液压转动关节位置传送至上位机。

3.如权利要求1所述的机器人液压驱动转动关节闭环控制方法，其特征在于：所述压力变送器连接到电磁换向阀的进油口管路和出油口管路，分别为进油口压力变送器、出油口压力变送器，用于测量液压系统进油管路与出油管路的压力值，分别将管路油液的压力值转换成模拟电信号并发送至信号采集卡。

4.如权利要求1所述的机器人液压驱动转动关节闭环控制方法，其特征在于：所述电磁换向阀用于在液压转动关节到达目标位置后转换至中位机能，实现进油口和出油口的锁死，保证位置的锁定，当液压转动关节需要改变转动方向时，电磁换向阀通过阀位置的移动来改变液压转动关节的进、出油口。

5.如权利要求1所述的机器人液压驱动转动关节闭环控制方法，其特征在于：所述电位传感器用于检测液压转动关节的位置并送至信号采集卡。

Images