CN213971208U - 一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统 - Google Patents

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郑昆
范江波
高代勇
徐云水
赵泽彪
邱平
李锐
林邦
黄宏
彭熠
党杰
耿远林
周伟
徐长成
李晓磊
余莎
刘杰
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Abstract

本实用新型公开了一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统，系统中角位移传感采集主手各关节角度信息传至AD，AD输出端与主手控制器DSP输入端连接，主手控制器DSP将信息传至从臂控制器，从臂控制器驱动从臂各关节运动，三维力传感器采集从臂的受力信息通过从臂控制器传至主手控制器DSP，主手控制器DSP输出端与DA输入端连接，DA输出端与运算放大器输入端连接，运算放大器输出端与OCL电机驱动器输入端连接，OCL电机驱动器输出端与直流电机输入端连接，直流电机输出端与主手连接。本实用新型可以用于实现主手控制从臂的运动轨迹，并且成比例的反馈从臂末端受力。

Description

一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统
技术领域
本实用新型涉及一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统，属于配网带电作业领域。
背景技术
带电作业是在高压电气设备上不停电进行检查、维修及部件更换的一种特殊的工程技术。长期以来，我国普遍釆用的是人工带电作业的作业方式。对于高压架空线路的作业对象，人工带电作业的作业方式要求作业人员需要长时间处在高空、高压、强电磁场的环境中，极易发生人身伤亡的事故。为了使带电作业更加安全，效率更高，利用机器人进行带电作业迫在眉睫。
高压配网带电作业机器人的传统作业方式主要是操作人员与作业机械臂共同处于高空作业平台内，操作人员通过操作作业机械臂的主手来控制从手进行作业，日本研制的第一代带电作业机器人就是采用的这种作业方式。且带电作业区域存在强电磁干扰，作业机械臂本体存在较多电气元件，对机械臂末端与作业对象之间的绝缘性能有较高要求。该种作业方式的作业效率比较高，但没有使操作人员完全脱离电离辐射和高空作业时的危险；且需要耗费大量的人力与物力资源，经济效益较差；在电网逐步智能化的大环境下，该种作业方式将渐渐淘汰。作为高压带电作业机器人的执行机构，作业机械臂性能直接影响到带电作业的效率和质量。然而高压带电作业决定了作业机械臂的作业环境为非结构化的且属于高空作业，因此设计一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统是非常必要的。
发明内容
本实用新型提供了一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统，以用于通过合理的构成及连接构建了无需要人力高空作业的配网作业机器人硬件平台。
本实用新型的技术方案是：一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统，包括主手1、从臂2、角位移传感器3、AD、主手控制器DSP、从臂控制器6、三维力传感器7、DA、运算放大器9、OCL电机驱动器10、直流电机11；
所述角位移传感3采集主手1各关节角度信息传至AD，AD输出端与主手控制器DSP输入端连接，主手控制器DSP将信息传至从臂控制器6，从臂控制器6驱动从臂2各关节运动，三维力传感器7采集从臂2的受力信息通过从臂控制器6传至主手控制器DSP，主手控制器DSP输出端与DA输入端连接，DA输出端与运算放大器9输入端连接，运算放大器9输出端与OCL电机驱动器10输入端连接，OCL电机驱动器10输出端与直流电机11输入端连接，直流电机11输出端与主手1连接。
还包括电流传感器12，通过电流传感器12输入端接收直流电机11的信息并与DA输出端输出的信息进行比较后反馈至运算放大器9。
本实用新型的有益效果是：本实用新型通过合理的构成及连接搭建了适应于高空作业的配网作业机器人硬件平台，通过该平台，可以用于实现主手控制从臂的运动轨迹，并且成比例的反馈从臂末端受力。
附图说明
图1为力反馈主从式机械臂结构原理图；
图2为力反馈主从式机械臂动作流程图；
图中各标号为：1-主手，2-从臂，3-角位移传感器，4-AD，5-主手控制器DSP，6-从臂控制器，7-三维力传感器，8-DA，9-运算放大器，10-OCL电机驱动器，11-直流电机，12-电流传感器。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统，包括主手1、从臂2、角位移传感器3、AD、主手控制器DSP、从臂控制器6、三维力传感器7、DA、运算放大器9、OCL电机驱动器10、直流电机11；所述角位移传感3采集主手1各关节角度信息传至AD，AD输出端与主手控制器DSP输入端连接，主手控制器DSP将信息传至从臂控制器6，从臂控制器6驱动从臂2各关节运动，三维力传感器7采集从臂2的受力信息通过从臂控制器6传至主手控制器DSP，主手控制器DSP输出端与DA输入端连接，DA输出端与运算放大器9输入端连接，运算放大器9输出端与OCL电机驱动器10输入端连接，OCL电机驱动器10输出端与直流电机11输入端连接，直流电机11输出端与主手1连接。
进一步地，可以设置还包括电流传感器12，通过电流传感器12输入端接收直流电机11的信息并与DA输出端输出的信息进行比较后反馈至运算放大器9。
上述系统作业时，从臂作业端的控制信号和图像、视频信号通过光电模块转换为光信号由光纤传输到地面操控室，主从式机械臂的液压能源通过绝缘高压胶管与移动底盘上的液压动力系统连接，从而实现从臂作业端与地面的全面绝缘。
配网作业机器人的从臂作为工作执行端，对需要操作的物体进行抓取、搬运、移动等工作，受到主臂的控制。主手在操作人员的控制下，向从臂发送关节位置控制信号，从臂通过空间位置匹配，进行位置控制。主手控制器能够自主完成主手各关节当前角度值的获取以及主手末端力反馈的实现两项任务。从臂通过末端三维力传感器检测三维力，然后将末端三维力通过转换得到主手关节扭矩，发送给主手伺服控制器。实现力的反馈控制。
基于上述系统，包括如下步骤，如图2所示：
1、操作者控制主手，使其末端运动到期望的位姿PM，则主手各关节的角度θM会随之发生变化，从而引起各关节角位移传感器的输出值发生变化。
2、主手控制器通过AD读取各传感器的输出值，计算得出各关节此时的角度值θM，并通过串行通信接口将计算得出的各关节角度参数θM发送给从臂控制器。
3、从臂控制器根据主手正运动学06TM，计算出主手末端位置PM。
4、根据主从臂末端位置比例KP，计算得出从臂末端期望的位姿PS。
5、通过从臂运动学逆解06TS -1，计算得出从臂各关节的角度值θS，从臂控制器通过控制从臂各关节的角度，使其运动到位姿PS。
6、当从臂末端有负载或者从臂与作业环境接触时，从臂受力为FS，使得从臂各关节也受到相应的力矩τS。
7、通过安装在从臂各关节的传感器，可以测出相应的力矩τS。
8、由于从臂运动较慢，当忽略从臂运动时，通过从臂逆雅可比矩阵
Figure BDA0002587638790000031
可以计算出从臂末端受力FS，
9、根据设计的主从臂末端力比例KF，计算出期望的主手末端力FM。
10、通过主手雅可比矩阵JM计算出与之相对应的各关节力矩τM。
11、以计算出的各关节力矩作为给定值，控制主手各关节力矩，进而使主手末端产生对应力FM，从而实现主手控制从臂的运动轨迹，并且成比例的反馈从臂末端受力。
本实用新型的工作原理是：
一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统由主手和从臂组成，主手安装于地面移动操控室内，从臂通过升降臂安装于机械臂平台，作业时机器人将机械臂平台举升至高空作业点。首先操作人员在地面操控室手动控制主手1，使其运动到期望位姿，此时主手1各关节角度发生变化，从而引起各关节角位移传感器3的输出值发生变化。AD负责角位移传感器输出值的采集；主手控制器DSP为整个主手的控制器；主手控制器DSP通过AD读取各传感器的输出值，计算得出各关节此时的角度，并通过串行通信接口将计算得出的各关节角度参数发送给从臂控制器6，从臂控制器6通过相应计算得出从臂各关节的角度值，从臂控制器6通过控制从臂2各关节的角度，进而实现对从臂2的空间位置匹配，进行位置控制，进而完成高空作业。
从臂到主手的力反馈信息的实现，首先从臂2通过末端三维力传感器7检测到三维力，然后将末端三维力通过转换得到主手关节力矩，即将主手末端的力控制转化为主手各关节的力矩控制。从臂控制器6将转换得到的主手关节力矩发送给主手控制器DSP。主手控制器DSP通过将主手关节力矩信息发送至DA，DA将力矩信号转换输出为电流信号，经运算放大器9进行信号放大后，反馈给OCL电机驱动器10，进而驱动直流电机11。直流电机11的输出力矩与电枢电流近似线性的关系，采用直流电机电枢电流的方法来代替各关节的力矩控制，因此通过直流电机11输出的电枢电流来控制主手1的各关节力矩，进而使主手1末端产生对应力。从而实现主手1精确控制从臂2的运动轨迹，并且成比例的反馈从臂2末端受力。工作过程中，电流传感器12将检测到的直流电机11电枢电流与DA给定的电流信号进行比较，若出现误差时，主手控制器DSP便相应的增加或减少给定的力矩信号，以此补偿误差。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统，其特征在于：包括主手(1)、从臂(2)、角位移传感器(3)、AD(4)、主手控制器DSP(5)、从臂控制器(6)、三维力传感器(7)、DA(8)、运算放大器(9)、OCL电机驱动器(10)、直流电机(11)；所述角位移传感器(3)采集主手(1)各关节角度信息传至AD(4)，AD(4)输出端与主手控制器DSP(5)输入端连接，主手控制器DSP(5)将信息传至从臂控制器(6)，从臂控制器(6)驱动从臂(2)各关节运动，三维力传感器(7)采集从臂(2)的受力信息通过从臂控制器(6)传至主手控制器DSP(5)，主手控制器DSP(5)输出端与DA(8)输入端连接，DA(8)输出端与运算放大器(9)输入端连接，运算放大器(9)输出端与OCL电机驱动器(10)输入端连接，OCL电机驱动器(10)输出端与直流电机(11)输入端连接，直流电机(11)输出端与主手(1)连接。
2.根据权利要求1所述的配网作业机器人力反馈主从式机械臂控制系统，其特征在于：还包括电流传感器(12)，通过电流传感器(12)输入端接收直流电机(11)的信息并与DA(8)输出端输出的信息进行比较后反馈至运算放大器(9)。
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