CN112109063A - 一种机械臂主从控制系统 - Google Patents

Abstract

一种机械臂主从控制系统，包括从臂和主臂，主臂和从臂之间连接有主从控制系统,从臂包括上臂部分和前臂部分，上臂部分包括肩部偏转轴关节、肩部俯仰轴关节和肘部俯仰轴关节，前臂部分主要包括腕部俯仰轴关节、腕部偏转轴关节和腕部回转轴关节，主臂包括基座、肩关节、大臂关节、小臂关节、肘关节、手腕关节、手柄握把和伺服舵机，主从控制系统包括主臂驱控机箱、控制显示单元和从臂控制模块。本发明可以实现复杂的主臂信号传递，具有多个自由度和多个开关按钮信号。

Description

一种机械臂主从控制系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体为一种机械臂主从控制系统。

背景技术

主从操作是古老的操作方式，机器人是由此方式发展演变而来的。最早期的主从操作机器人，是结构相同的两套机构，分别放置在不同的地方，其中主机器人放置在一个安全或方便的地方，从机器人放在人不宜接近的地方，如有强辐射、高温、水下等环境。操作者根据传感器信息，如视觉、接触力觉、接近觉等来操作主机器人，主机器人与从机器人之间存在着机械耦合，并将主机器人运动传递给从机器人，从机器人就跟随主机器人的运动。

主从操作方式极大地延伸了机器人的应用空间，在许多危险的或极限环境下，采用机器人代替人是唯一可行办法。因此，人类在外层空间开发、海洋深水作业及核电站的检测与维护方面，都离不开主从式机器人。主从式机器人已成为上述领域不可缺少的设备。此外，在一些危险的、有毒有害的工业生产环境中，也是主从遥控机器人用武之地。

主从遥控机器人系统由三大部分组成:主机器人、从机器人和两者之间的关连部分。具体讲就是主手、从手和两者之间的通讯。

从手就是机械臂，它可以是关节式的或直角坐标式，取决于不同作业任务的需要。主手的功能是提供人机界面，操作人员通过主手施加控制命令。主手有着操作直观、控制系统简单等优点。

主手上设置有控制手柄，控制手柄采用简单的开关按钮的控制方式，这种开关按钮控制方式的控制手柄通常不能用于精密控制要求的机械手臂，因而使用场合受到很大限制；还有就是使用更为复杂的控制手柄，甚至是需要两个手操作才能控制好机械臂的手柄，这些手柄过于复杂，严重影响了机械手臂的操作，也增加了操作人员的作业负担。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种机械臂主从控制系统，实现复杂的信号传递，使用更加方便。

一种机械臂主从控制系统，包括从臂和主臂，所述主臂和从臂之间连接有主从控制系统，其特征在于：

所述从臂包括上臂部分和前臂部分，所述上臂部分包括肩部偏转轴关节、肩部俯仰轴关节和肘部俯仰轴关节，所述上臂部分内还设置有用于驱动肩部偏转轴关节进行180°旋转的第一执行器、用于驱动肩部俯仰轴关节进行120°旋转的第二执行器以及用于驱动肘部俯仰轴关节进行110°旋转的第三执行器，所述前臂部分主要包括腕部俯仰轴关节、腕部偏转轴关节和腕部回转轴关节，所述前臂部分内还设置有用于驱动腕部俯仰轴关节进行100°旋转的第四执行器、用于驱动腕部偏转轴关节进行105°旋转的第五执行器以及用于驱动腕部回转轴关节进行360°连续旋转的液压马达；

所述主臂包括基座、肩关节、大臂关节、小臂关节、肘关节、手腕关节、手柄握把和伺服舵机，所述基座、肩关节、大臂关节、小臂关节、肘关节、手腕关节、手柄握把依次两两之间通过旋转轴互相连接，且它们两两之间通过旋转轴做摆动运动，所述伺服舵机内嵌在上述旋转轴上，用于位置控制与位置采集；

所述主从控制系统包括主臂驱控机箱、控制显示单元和从臂控制模块，所述主臂与控制显示单元电性连接，所述从臂与从臂控制模块电性连接，所述主臂驱控机箱和从臂控制模块均与控制显示单元电性连接。

优选地，所述从臂还包括一个带力控的平行夹爪以及用于打开和闭合平行夹爪的直线执行器。

优选地，所述上臂部分还设置有阀箱，所述阀箱中安装有若干液压伺服阀，若干所述液压伺服阀分别用于控制第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器、第五执行器和直线执行器。

优选地，所述阀箱中还安装有减压阀和电磁阀，电磁阀用于打开和关闭从臂的液压动力源，减压阀用于保证从臂在高达20Mpa的压力下仍能运行。

优选地，所述阀箱的左右两侧均安装有阀盖，所述液压伺服阀、减压阀和电磁阀均安装在阀盖内。

优选地，所述手柄握把上设置有行程开关，所述行程开关用于对平行夹爪的闭合力进行比例控制。

优选地，所述手柄握把上还设置有按钮开关，所述按钮开关用于控制腕部旋转模式、平行夹爪锁止和主从映射功能。

优选地，所述手柄握把上还设置有摇臂开关，所述摇臂开关用于按比例变速控制腕部连续旋转。

优选地，所述主臂上还设置有力反馈主控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.可以实现复杂的主臂信号传递，具有多个自由度和多个开关按钮信号。

2.结构紧凑、操作方便、灵活。

3.可以实现主臂位置保持和锁定的效果。

4.外形简洁、控制灵活可靠，简单操作即可获得复杂的控制信号，尤其适合于工业机械臂和水下机械臂的主从控制操作。

附图说明

图1为本发明一种机械臂主从控制系统的整体结构示意图；

图2为本发明一种机械臂主从控制系统的从臂的结构示意图；

图3为本发明一种机械臂主从控制系统的主臂的结构示意图。

附图标记：1、从臂；2、主臂；3、主从控制系统；4、上臂部分；5、前臂部分；6、肩部偏转轴关节；7、肩部俯仰轴关节；8、肘部俯仰轴关节；9、腕部俯仰轴关节；10、腕部偏转轴关节；11、腕部回转轴关节；12、基座；13、肩关节；14、大臂关节；15、小臂关节；16、肘关节；17、手腕关节；18、手柄握把；19、主臂驱控机箱；20、控制显示单元；21、从臂控制模块；22、平行夹爪；23、阀箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种机械臂主从控制系统，如图1--图3所示，包括从臂1和主臂2，主臂2和从臂1之间连接有主从控制系统3。

从臂1是微处理器控制的电控液压系统，共有6+1个轴关节。从臂1可作为左手或右手操作。从臂1的基本结构是铝合金。经特殊工艺处理后该合金材料保证了从臂1能够在绝大多数的未知环境中执行任务。所有非铝制硬件均为耐腐蚀不锈钢或复合材料。涂层和软管和其他材料是根据近海紫外线/盐雾环境来选择的。从臂1的结构完全密封，只需要适当注意消除电耦合和相应的腐蚀问题，从臂1就可以完全浸没在海水中。从臂1分为两个基本执行部分，包括上臂部分4和前臂部分5。上臂部分4包括肩部偏转轴关节6、肩部俯仰轴关节7和肘部俯仰轴关节8，前臂部分5主要包括腕部俯仰轴关节9、腕部偏转轴关节10和腕部回转轴关节11。除了这六个轴关节之外，从臂1还有一个带力控的平行夹爪22作为标准末端执行器。独特的平行夹爪22的控制方式，可以让用户灵活地控制闭合速度和夹持力。经验表明，夹持力的变比控制优于典型的恒定速度控制类型的夹爪。用户可以指定指型来满足不同的应用。从臂1的动力由七个液压执行器提供。从臂1的上臂部分4包括用于驱动肩部偏转轴关节6进行180°旋转的第一执行器、用于驱动肩部俯仰轴关节7进行120°旋转的第二执行器以及用于驱动肘部俯仰轴关节8进行110°旋转的第三执行器。前臂部分5包括用于驱动腕部俯仰轴关节9进行100°旋转的第四执行器、用于驱动腕部偏转轴关节10进行105°旋转的第五执行器、用于驱动腕部回转轴关节11进行360°连续旋转的液压马达以及用于打开和闭合夹爪的直线执行器。

上臂部分4还设置有阀箱23，阀箱23中安装有减压阀、电磁阀和若干液压伺服阀，若干液压伺服阀分别用于控制第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器、第五执行器和直线执行器，电磁阀用于打开和关闭从臂1的液压动力源，减压阀用于保证从臂1在高达20Mpa的压力下仍能运行。每个执行器由液压伺服阀控制。所有液压伺服阀都集中安装在一起，从而避免了分离式安装液压伺服阀需要额外的液压管路问题。液压油通过阀箱23后部的两个软管接头供给从臂1。阀箱23左右两侧各有一个阀盖，所有的阀都在阀盖内。如有需要，用户只需要拆卸阀盖就能对阀进行相应的维护或更换。

主臂2包括基座12、肩关节13、大臂关节14、小臂关节15、肘关节16、手腕关节17、手柄握把18和伺服舵机，基座12、肩关节13、大臂关节14、小臂关节15、肘关节16、手腕关节17、手柄握把18依次两两之间通过旋转轴互相连接，且它们两两之间通过旋转轴做摆动运动，伺服舵机内嵌在上述旋转轴上，用于位置控制与位置采集。主臂2的结构很紧凑。主臂2在运动学结构与从臂1同构，具有六个关节空间对应的控制功能。各个关节中的位置传感反馈主臂2关节位置信息。手柄握把18上设置行程开关可对平行夹爪22的闭合力进行比例控制。手柄握把18上设置按钮开关可控制腕部旋转模式、平行夹爪22锁止和主从映射功能。另外，当处于连续腕部模式时，手柄握把18上设置的摇臂开关用于按比例变速控制腕部连续旋转。主臂2上还设置有力反馈主控制器，作用在远端从臂1上的静态和动态力都通过这些力反馈主控制器反馈给用户。

主从控制系统3是一个基于微处理器的控制系统，系统包括电子控制和遥控功能，控制从臂1的各个轴关节。主从控制系统3以最小的复杂度实现了最多的功能。主从控制系统3提供许多标准功能，以提高系统的性能和易用性。这些功能包括：一个索引按钮--该按钮用于实现主臂2对应从臂1当前位姿的相对位置偏移以提高操作的舒适度；自动对齐--用户在使用索引功能后可以通过该功能重新将主臂2对齐到从臂1。使能该功能后，主臂2将自动与从臂1对齐；关节锁定--该功能可以用于锁定一个或多个轴，锁定后的轴不再受主臂2相应轴的控制；关节缩放--该功能能够改变主从臂1相对运动的幅度比例，每个关节的缩放比例都可以单独设置；关节限位--该功能可以设置从臂1的运动边界，保证从臂1不与周边的设备发生碰撞；夹持力比例控制--大大提高了机械臂的性能，远远优于传统的速度或位置控制。；自动展开/收起--允许用户使用预编程的程序自动展开或收起从臂1；示教--用户可以通过示教功能示教一个路径或者一系列路径，并将其永久保存以便以后执行。该功能非常适合自动化工具回收；系统诊断--提供用于评估和排除系统故障的综合工具。

机械臂控制系统由以下主要部件组成：

一个封闭的EIA机架式主臂驱控机箱19。主臂驱控机箱19包含主电源以及电机驱动板，为力反馈主臂2提供电源；一个控制显示单元20，以彩色触摸屏作为人机交互界面。处理主从控制意外的功能；一个全封闭的从臂控制模块21，通常位于从臂1附近。

主臂2与控制显示单元20电性连接，从臂1与从臂控制模块21电性连接，主臂驱控机箱19和从臂控制模块21均与控制显示单元20电性连接。从臂控制模块21直接连接到从臂1，接受控制显示单元20控制命令。电性连接可采用市面上常见的通信介质完成的，包括双绞线，同轴电缆，光纤或RF收发器。支持的通信协议包括RS485，RS232和10/100Base--T以太网。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种机械臂主从控制系统，包括从臂(1)和主臂(2)，所述主臂(2)和从臂(1)之间连接有主从控制系统(3)，其特征在于：

所述从臂(1)包括上臂部分(4)和前臂部分(5)，所述上臂部分(4)包括肩部偏转轴关节(6)、肩部俯仰轴关节(7)和肘部俯仰轴关节(8)，所述上臂部分(4)内还设置有用于驱动肩部偏转轴关节(6)进行180°旋转的第一执行器、用于驱动肩部俯仰轴关节(7)进行120°旋转的第二执行器以及用于驱动肘部俯仰轴关节(8)进行110°旋转的第三执行器，所述前臂部分(5)主要包括腕部俯仰轴关节(9)、腕部偏转轴关节(10)和腕部回转轴关节(11)，所述前臂部分(5)内还设置有用于驱动腕部俯仰轴关节(9)进行100°旋转的第四执行器、用于驱动腕部偏转轴关节(10)进行105°旋转的第五执行器以及用于驱动腕部回转轴关节(11)进行360°连续旋转的液压马达；

所述主臂(2)包括基座(12)、肩关节(13)、大臂关节(14)、小臂关节(15)、肘关节(16)、手腕关节(17)、手柄握把(18)和伺服舵机，所述基座(12)、肩关节(13)、大臂关节(14)、小臂关节(15)、肘关节(16)、手腕关节(17)、手柄握把(18)依次两两之间通过旋转轴互相连接，且它们两两之间通过旋转轴做摆动运动，所述伺服舵机内嵌在上述旋转轴上，用于位置控制与位置采集；

所述主从控制系统(3)包括主臂驱控机箱(19)、控制显示单元(20)和从臂控制模块(21)，所述主臂(2)与控制显示单元(20)电性连接，所述从臂(1)与从臂控制模块(21)电性连接，所述主臂驱控机箱(19)和从臂控制模块(21)均与控制显示单元(20)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂主从控制系统，其特征在于：所述从臂(1)还包括一个带力控的平行夹爪(22)以及用于打开和闭合平行夹爪(22)的直线执行器。

3.根据权利要求2所述的一种机械臂主从控制系统，其特征在于：所述上臂部分(4)还设置有阀箱(23)，所述阀箱(23)中安装有若干液压伺服阀，若干所述液压伺服阀分别用于控制第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器、第五执行器和直线执行器。

4.根据权利要求3所述的一种机械臂主从控制系统，其特征在于：所述阀箱(23)中还安装有减压阀和电磁阀，电磁阀用于打开和关闭从臂(1)的液压动力源，减压阀用于保证从臂(1)在高达20Mpa的压力下仍能运行。

5.根据权利要求4所述的一种机械臂主从控制系统，其特征在于：所述阀箱(23)的左右两侧均安装有阀盖，所述液压伺服阀、减压阀和电磁阀均安装在阀盖内。

6.根据权利要求5所述的一种机械臂主从控制系统，其特征在于：所述手柄握把(18)上设置有行程开关，所述行程开关用于对平行夹爪(22)的闭合力进行比例控制。

7.根据权利要求6所述的一种机械臂主从控制系统，其特征在于：所述手柄握把(18)上还设置有按钮开关，所述按钮开关用于控制腕部旋转模式、平行夹爪(22)锁止和主从映射功能。

8.根据权利要求7所述的一种机械臂主从控制系统，其特征在于：所述手柄握把(18)上还设置有摇臂开关，所述摇臂开关用于按比例变速控制腕部连续旋转。

9.根据权利要求8所述的一种机械臂主从控制系统，其特征在于：所述主臂(2)上还设置有力反馈主控制器。

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