CN202491238U - 高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，它包括液压油源、机械臂本体、液压伺服驱动器、光纤、主手控制器、主手、手持终端等。所述机械臂本体分别与液压伺服驱动器和液压油源相连，液压伺服驱动器与主手控制器相连，主手控制器与主手相连，主手与手持终端相连，液压伺服驱动器和主手控制器分别与电源相连。本实用新型处理速度快、成本低、性能稳定可靠。

Description

高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统

技术领域：

本实用新型涉及一种机器人控制技术，尤其是一种高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统。

背景技术：

为了提高带电作业的自动化水平和安全性，减轻操作人员的劳动强度和强电磁场对操作人员的人身威胁，从80年代起许多国家都先后开展了带电作业机器人的研究，如日本、西班牙、美国、加拿大、法国等国家先后开展了对带电作业机器人的研究。2002年我国也进行了高压带电作业机器人产品化样机的研制。

目前机械臂的驱动方式主要有三种：气压驱动、液压驱动和电机驱动。气压驱动机械臂的缺点：气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现伺服控制，并且排气时有噪声，效率低，适用于中小负载，精度要求较低有限点位程序控制机械臂。

电机驱动机械臂的缺点：直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差，成本高，结构设计复杂，适用于中小负载，要求具有较高的位置控制精度，速度较高的机械臂。

液压驱动机械臂的缺点：存在漏油、液压传动对油温的变化比较敏感、发生故障不易检查和排除，适用于大负载，要求控制精度不太高的机械臂。

目前机械臂的控制方式主要有两种：示教再现方式和主从式方式。其中示教再现方式操作灵活性较差、运动速度较低，机器人运动轨迹算法编程复杂，开发难度。主从控制方式应用在控制灵活，但是控制精度低的场合。目前机械臂主从控制系统一般分为两类：一类采用工控机和控制卡，从设备及控制技术来讲，专用性很强且价格较为昂贵，限制了主从技术的进一步发展；另一类采用PLC，体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难、控制复杂时可靠性差。如何更方便、快捷、廉价地控制主从机械臂，已经成为主从机械臂技术的一个突出问题。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于解决下述问题，提供一种高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，此高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统采用位置伺服闭环控制方式，并通过光纤将高压电场与人隔离，控制精度高、实时性好、性能稳定可靠、操作更加方便，满足高压带电机器人作业任务的要求。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，它包括液压油源、机械臂、液压伺服驱动器、光纤、主手控制器、主手、手持终端以及电源；所述机械臂通过控制总线、电源总线以及位置信号总线与液压伺服驱动器连接，通过回油管和进油管与液压油源连接；液压伺服驱动器通过光纤与主手控制器通信；主手控制器通过控制总线、电源总线、状态信号总线与主手连接；主手通过状态信号总线、指令信号总线与手持终端相连；液压伺服驱动器和主手控制器还分别与电源相连，

所述主手控制器包括微处理器II，微处理器II的数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器I的数据总线、地址总线、控制总线相连；A/D转换器I与主手每个关节转轴处的电位器相连；微处理器II与串口接收发送器II连接，串口接收发送器II通过与液压伺服驱动器通信；

所述液压伺服驱动器包括微处理器III，微处理器III的数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器II的数据总线、地址总线、控制总线相连，微处理器III的数据总线、时钟总线与D/A转换器的数据总线、时钟总线相连；A/D转换器II与机械臂每个关节转轴处的电位器连接；D/A转换器与液压放大器连接；

所述手持终端的微处理器I通过逻辑电平转换器与液晶模块和键盘管理模块连接，键盘管路模块与键盘连接；微处理器I还分别与稳压芯片I、稳压芯片II以及串口接收发送器I连接，串口接收发送器I与串口接收发送器II间通过串口连接，实现微处理器I和微处理器II间的通信。

所述微处理器I、微处理器II和微处理器III均采用TMS320F2812芯片；所述A/D转换器I、A/D转换器II均采用MAX1312芯片；所述D/A转换器采用DAC7678芯片。

所述伺服阀为射流管式电液流量伺服阀；所述各电位器采用5KΩ的360度旋转电位器，传感器精度1‰。

所述微处理器II作为主机，它担当系统管理、机械臂语言编译和人机接口功能，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公共内存，供微处理器III读取它。

所述微处理器III完成全部关节位置数字控制。它从公共内存读给定值，也把各关节实际位置送回公共内存中，微处理器II使用。

所述机械臂是7自由度机械臂，分为上臂和前臂两个基本部分；上臂部分包括下端的大臂俯仰轴、上端的小臂俯仰轴，大臂俯仰轴设置在阀板上，大臂俯仰轴处还设有液压缸；阀板设置在腰部回转轴上，提供腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰的运动；

前臂部分包括依次设置的腕部俯仰轴、腕部摇摆轴、腕部旋转轴，提供腕部俯仰、腕部摇摆和腕部旋转的运动；

机械臂各关节的运动通过相应的液压执行器来执行；每个执行器由一个相应的液压伺服阀来控制；除了液压伺服阀，还增加了减压阀和电磁阀；电磁阀用来开关液压源；外部油液压力不能超过3000PSI；阀板上设有控制单元通过控制总线与液压伺服驱动器连接，上臂和前臂上的电位器通过位置信号总线与液压伺服驱动器连接，液压伺服驱动器通过电源总线供电。

所述腰部回转轴活动范围为180度，最大运动速度80度/秒；大臂俯仰轴的活动范围120度，最大运动速度65度/秒；小臂俯仰轴的活动范围110度，最大运动速度50度/秒；腕部俯仰轴的活动范围100度，最大运动速度100度/秒；腕部摇摆轴的活动范围105度，最大运动速度115度/秒。

所述主手为6自由度主手，其上的每个关节转轴处均带有电位器，主手上带有手爪锁定按钮、腕部旋转摇杆、腕部模式选择按钮、停止/复位按钮、手爪开合按钮、液压开关按钮；在主手的底座面板上带若干LED指示灯；主手包括大臂、小臂，大臂下端设有大臂俯仰轴，上端设有小臂俯仰轴，在大臂俯仰轴设置在阀板上，大臂俯仰轴处还设有液压缸；阀板设置在腰部回转轴上，提供腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰的运动；

小臂部分包括依次设置的腕部俯仰轴、腕部摇摆轴、腕部旋转轴，提供腕部俯仰、腕部摇摆和腕部旋转的运动；

主手带有还带有自平衡模块，并且各关节安装可调阻尼；

主手上的各按钮、传感器通过控制总线、状态信号总线与主手控制器通信，将主手运动传递给机械臂，机械臂跟随主手运动。

所述腰部回转轴的活动范围180度，大臂俯仰的活动范围120度，小臂俯仰的活动范围120度，腕部俯仰的活动范围120度，腕部摇摆的活动范围120度，腕部旋转的活动范围120度。

采用上述方案，本实用新型具有以下优点：

一是主从式液压机械臂系统经实验验证，可以满足高压带电作业机器人要求，控制精度高、实时性好、持重大、自重小、性能稳定可靠操作更加方便运行可靠；

二是该系统控制部分采用嵌入式控制方式，自重轻、尺寸小、控制系统功耗低，适合高压带电作业机器人的应用需要。

三是采用主从式控制方式机械臂系统操作灵活方便，不需要复杂的直线插补、圆弧插补等复杂运动学算法；

四是系统采用模块化设计，具有开放性、可读性、可扩展性、可维护性，以便持续开发。

五是主从控制系统通讯方式采用光纤通信，通讯速率快，可实现高电压绝缘。

六是控制系统带有各种标准接口、机械限位、软件限位，功能齐全，位置精度高。

附图说明

图1是本实用新型总框图；

图2是本实用新型机械臂本体的结构图；

图3是本实用新型主手的结构图；

图4是本实用新型主手控制器电路图；

图5是本实用新型液压伺服驱动器电路图；

图6是本实用新型手持终端电路图；

图7是本实用新型手持终端示意图；

图8是本实用新型的软件流程图。

其中，1.液压油源，2.机械臂，3.液压伺服驱动器，301.微处理器III，302.光纤转串口模块，303.电磁阀，304.A/D转换器II，305.D/A转换器，306.机械臂每个关节转轴处的电位器，307.机械臂，308.液压缸，309.伺服阀，310.液压放大器，4.主手控制器，401.微处理器II，402.串口转光纤模块，403.A/D转换器I，404.主手每个关节转轴处的电位器，405.串口接收发送器II，5.主手，6.手持终端，601.微处理器I，602.液晶模块，603.键盘，604.逻辑电平转换器，605.键盘管理模块，606.稳压芯片I，607.稳压芯片II，608.串口接收发送器I，609.串口，7.电源，8.腰部回转轴，9.阀板，10.液压缸，11.大臂俯仰轴，12.上臂，13.四连杆，14.小臂俯仰轴，15.前臂，16.腕部俯仰轴，17.腕部摇摆轴，18.腕部旋转轴，19.平行手爪，20.阻尼环，21.手爪锁定按钮，22.腕部旋转摇杆，23.腕部模式选择按钮，24.停止和复位按钮，25.手爪开合按钮，26.液压开关状态指示灯，27.液压开关按钮，28.停止模式状态指示灯，29.连续旋转模式状态指示灯，30.锁定状态指示灯。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

图1中，一种高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，它包括液压油源1、机械臂2、液压伺服驱动器3、光纤、主手控制器4、主手5、手持终端6以及电源7；所述机械臂2通过控制总线、电源总线以及位置信号总线与液压伺服驱动器3连接，通过回油管和进油管与液压油源1连接；液压伺服驱动器3通过光纤与主手控制器4通信；主手控制器4通过控制总线、电源总线、状态信号总线与主手5连接；主手5通过状态信号总线、指令信号总线与手持终端6相连；液压伺服驱动器3和主手控制器4还分别与电源7相连。

图2中，机械臂2是7自由度机械臂，分为上臂12和前臂15两个基本部分；上臂12部分包括下端的大臂俯仰轴11、上端的小臂俯仰轴14，大臂俯仰轴11设置在阀板9上，大臂俯仰轴处11还设有液压缸308；阀板9设置在腰部回转轴8上，提供腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰的运动；

前臂15部分包括依次设置的腕部俯仰轴16、腕部摇摆轴17、腕部旋转轴18，提供腕部俯仰、腕部摇摆和腕部旋转的运动；

机械臂各关节的运动通过相应的液压执行器来执行；每个执行器由一个相应的液压伺服阀309来控制；除了液压伺服阀309，还增加了减压阀和电磁阀；电磁阀用来开关液压源；外部油液压力不能超过3000PSI；阀板9上设有控制单元通过控制总线与液压伺服驱动器3连接，上臂12和前臂15上的机械臂每个关节转轴处的电位器306通过位置信号总线与液压伺服驱动器3连接，液压伺服驱动器3通过电源总线供电。

其中，腰部回转轴8活动范围为180度，最大运动速度80度/秒；大臂俯仰轴11的活动范围120度，最大运动速度65度/秒；小臂俯仰轴14的活动范围110度，最大运动速度50度/秒；腕部俯仰轴16的活动范围100度，最大运动速度100度/秒；腕部摇摆轴17的活动范围105度，最大运动速度115度/秒。

图3中，主手5为6自由度主手，与机械臂的机械结构完全相同；在其每个关节转轴处均带有电位器，主手5的小臂部分上带有手爪锁定按钮21、腕部旋转摇杆22、腕部模式选择按钮23、停止和复位按钮24、手爪开合按钮25；在主手5大臂下端的底座面板上设有液压开关状态指示灯26、液压开关按钮27、停止模式状态指示灯28、连续旋转模式状态指示灯29、锁定状态指示灯30。

主手5的上臂下端设有大臂俯仰轴，上端设有小臂俯仰轴，在大臂俯仰轴设置在阀板上，大臂俯仰轴处还设有液压缸；阀板设置在腰部回转轴上，提供腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰的运动；

小臂部分包括依次设置的腕部俯仰轴、腕部摇摆轴、腕部旋转轴，提供腕部俯仰、腕部摇摆和腕部旋转的运动；

主手5带有还带有自平衡模块，并且各关节安装阻尼环20；

主手5上的各按钮、电位器通过控制总线、状态信号总线与主手控制器4通信，将主手5运动传递给机械臂2，机械臂2跟随主手5运动。

其中，主手5的腰部回转轴的活动范围180度，大臂俯仰的活动范围120度，小臂俯仰的活动范围120度，腕部俯仰的活动范围120度，腕部摇摆的活动范围120度，腕部旋转的活动范围120度。

图4中，主手控制器包括微处理器II401，微处理器II401的数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器I403的数据总线、地址总线、控制总线相连；A/D转换器I403与主手每个关节转轴处的电位器404相连；微处理器II401与串口接收发送器II405连接，串口接收发送器I I405通过光纤与液压伺服驱动器3通信；

A/D转换器I403 MAX1312的D0-11、/OEL、/WR、/RD、/CS接/RD、/XWE接微处理器II401的XD0-11、/XINT2、/XWE、/XRD、/XZCS2。各电位器接微处理器II401的CH0-7脚。微处理器II401的SCITXDA接串口接收发送器II405 MAX3232的11脚，SCIRXDA接12脚，串口接收发送器II405的13、14脚接到串口转光纤模块402。

图5中，液压伺服驱动器3包括微处理器III301，微处理器III301的数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器II304的数据总线、地址总线、控制总线相连，微处理器III301的数据总线、时钟总线与D/A转换器305的数据总线、时钟总线相连；A/D转换器II304与机械臂每个关节转轴处的电位器306连接；D/A转换器305与液压放大器310连接；

A/D转换器II304的D0-11、/OEL、/WR、/RD、/CS接微处理器III301的XD0-11、/XINT2、/XWE、/XRD、/XZCS2脚。各电位器接A/D转换器II304的CH0-7脚。微处理器III301的GPIOA0接D/A转换器305的SDA、GPIOA1接SCL。D/A转换器305的Vout0-7接液压放大器310。

图6、图7中，手持终端6的微处理器I601通过逻辑电平转换器604与液晶模块602和键盘管理模块605连接，键盘管路模块605与键盘603连接；微处理器I601还分别与稳压芯片I606、稳压芯片II607以及串口接收发送器I608连接，串口接收发送器I608与串口接收发送器II405间通过串口609连接，实现微处理器I601和微处理器II401间的通信。

微处理器I601的GIPIOB1与ADG3308的2脚连接，GPIOB5与5脚连接，XINT2与6脚连接。GPIOA0-7与液晶模块602的DB0-7连接，GPIOB0与REQ连接，GPIOB2与CS连接，液晶模块12得到5V供电。ADG3308的16脚与HD7279的DATA脚连接，15与KEY脚连接。微处理器I601的GPIOB3与HD7279的CS脚连接，GPIOB4与CLK脚连接。键盘603的输出接HD7279的DIG0-7、DP-SG。微处理器I601的SCITXDA接串口接收发送器I608MAX3232的11脚，SCIRXDA接12脚，MAX3232的13、14脚接到串口609。

微处理器I601、微处理器II401和微处理器III301均采用TMS320F2812芯片；

A/D转换器I403、A/D转换器II304均采用MAX1312芯片；

D/A转换器305采用DAC7678芯片。

伺服阀309为射流管式电液流量伺服阀；

各电位器采用5KΩ的360度旋转电位器，传感器精度1‰。

参见图7，手持终端6是一个低功耗的，带液晶显示的模块。液晶模块602可以显示4行、每行20个字符。液晶模块602自带白色的背景光，可以应用在混暗或没有光的环境。背景光的强度可以有7种选择。通过设置参数来选择光的强度。

手持终端6有16个按键，呈4×4矩阵式排列。自带蜂鸣器提供按键报警声。可以知道是否正确地按下某个按键。

参见图8，主从式液压机械臂控制系统软件分为主端和从端两部分。操作者操作主手运动，主手控制器采集主手电位器的位置信息并实时地将位置信息发送给机械臂控制器，机械臂控制器通过对主手的位置跟踪来完成机械臂的运动；另一方面机械臂在运动过程中由电位器检测到的位置信息也通过光纤通信反馈给主手控制器，主手控制器再将该位置信息发送给手持终端，供显示。

Claims (8)

1.一种高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，它包括液压油源、机械臂、液压伺服驱动器、光纤、主手控制器、主手、手持终端以及电源；所述机械臂通过控制总线、电源总线以及位置信号总线与液压伺服驱动器连接，通过回油管和进油管与液压油源连接；液压伺服驱动器通过光纤与主手控制器通信；主手控制器通过控制总线、电源总线、状态信号总线与主手连接；主手通过状态信号总线、指令信号总线与手持终端相连；液压伺服驱动器和主手控制器还分别与电源相连，其特征是，

所述主手控制器包括微处理器II，微处理器II的数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器I的数据总线、地址总线、控制总线相连；A/D转换器I与主手每个关节转轴处的电位器相连；微处理器II与串口接收发送器II连接，串口接收发送器II通过光纤与液压伺服驱动器通信；

所述液压伺服驱动器包括微处理器III，微处理器III的数据总线、地址总线、控制总线与A/D转换器II的数据总线、地址总线、控制总线相连，微处理器III的数据总线、时钟总线与D/A转换器的数据总线、时钟总线相连；A/D转换器II与机械臂每个关节转轴处的电位器连接；D/A转换器与液压放大器连接；

液压放大器与若干相应的伺服阀连接，每个伺服阀与相应的一个液压缸连接，各液压缸输出轴与机械臂连接。

2.如权利要求1所述的高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，其特征是，所述手持终端的微处理器I通过逻辑电平转换器与液晶模块和键盘管理模块连接，键盘管路模块与键盘连接；微处理器I还分别与稳压芯片I、稳压芯片II以及串口接收发送器I连接，接收发送器I与串口接收发送器II间通过串口连接，实现微处理器I和微处理器II间的通信。

3.如权利要求1所述的高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，其特征是，所述微处理器I、微处理器II和微处理器III均采用TMS320F2812芯片；所述A/D转换器I、A/D转换器II均采用MAX1312芯片；所述D/A转换器采用DAC7678芯片。

4.如权利要求1所述的高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，其特征是，所述伺服阀为射流管式电液流量伺服阀；所述各电位器采用5KΩ的360度旋转电位器，传感器精度1‰。

5.如权利要求1所述的高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，其特征是，所述机械臂是7自由度机械臂，分为上臂和前臂两个基本部分；上臂部分包括下端的大臂俯仰轴、上端的小臂俯仰轴，大臂俯仰轴设置在阀板上，大臂俯仰轴处还设有液压缸；阀板设置在腰部回转轴上，提供腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰的运动；

前臂部分包括依次设置的腕部俯仰轴、腕部摇摆轴、腕部旋转轴，提供腕部俯仰、腕部摇摆和腕部旋转的运动；

机械臂各关节的运动通过相应的液压执行器来执行；每个执行器由一个相应的液压伺服阀来控制；除了液压伺服阀，还增加了减压阀和电磁阀；电磁阀用来开关液压源；外部油液压力不能超过3000PSI；阀板上设有控制单元通过控制总线与液压伺服驱动器连接，上臂和前臂上的电位器通过位置信号总线与液压伺服驱动器连接，液压伺服驱动器通过电源总线供电。

6.如权利要求5所述的高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，其特征是，所述腰部回转轴活动范围为180度，最大运动速度80度/秒；大臂俯仰轴的活动范围120度，最大运动速度65度/秒；小臂俯仰轴的活动范围110度，最大运动速度50度/秒；腕部俯仰轴的活动范围100度，最大运动速度100度/秒；腕部摇摆轴的活动范围105度，最大运动速度115度/秒。

7.如权利要求1所述的高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，其特征是，所述主手为6自由度主手，其上的每个关节转轴处均带有电位器，主手上带有手爪锁定按钮、腕部旋转摇杆、腕部模式选择按钮、停止/复位按钮、手爪开合按钮、液压开关按钮；在主手的底座面板上带若干LED指示灯；主手包括大臂、小臂，大臂下端设有大臂俯仰轴，上端设有小臂俯仰轴，在大臂俯仰轴设置在阀板上，大臂俯仰轴处还设有液压缸；阀板设置在腰部回转轴上，提供腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰运动；

小臂部分包括依次设置的腕部俯仰轴、腕部摇摆轴、腕部旋转轴，提供腕部俯仰、腕部摇摆和腕部旋转的运动；

主手带有还带有自平衡模块，并且各关节安装可调阻尼；

主手上的各按钮、传感器通过控制总线、状态信号总线与主手控制器通信，将主手运动传递给机械臂，机械臂跟随主手的运动。

8.如权利要求7所述的高压带电作业机器人主从式液压机械臂系统，其特征是，所述腰部回转轴的活动范围180度，大臂俯仰的活动范围120度，小臂俯仰的活动范围120度，腕部俯仰的活动范围120度，腕部摇摆的活动范围120度，腕部旋转的活动范围120度。

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