伺服控制智能助力機(jī)械手系統(tǒng)功能分析

　　隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用，但受成本和功能限制還不能獨(dú)立完成所有的物料搬運(yùn)工作，大量的物料搬運(yùn)工作仍需要人來完成。如何降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，避免對(duì)工人的身體傷害，西方國家在傳統(tǒng)的專用工具和助力設(shè)備基礎(chǔ)上，研發(fā)新一代人機(jī)工程設(shè)備：智能輔助設(shè)備IAD （Intelligent Assist Device），是一種可與操作者在同一物理空間實(shí)現(xiàn)人機(jī)合作作業(yè)的特種作業(yè)機(jī)器人。它主要用于各種裝配生產(chǎn)線、物流傳送作業(yè)等，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　1. 輕松搬運(yùn)：零重力操作，可完成物料的搬運(yùn)、裝配和定位工作，成為各行業(yè)物料搬運(yùn)裝備的首選。

　　2. 精確定位：懸掛載荷后，在空中處于“浮動(dòng)”狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)所操作物料的快速定位。

　　3. 操作簡(jiǎn)單：不需要控制按鈕，人的動(dòng)作即機(jī)械的動(dòng)作指令。剛性結(jié)構(gòu)，可配備任何形式的夾具系統(tǒng)。

　　4． 高效安全：人機(jī)合作，減少誤操作，提高安全保障和工作效率。

　　一、目前智能助力機(jī)械手的搬運(yùn)能力在80kg ~ 320kg 之間，基本參數(shù)見下表。

　　二、安裝形式基本可分為：立柱式、吊頂式和吊頂軌道式三種，外形圖片見圖 1。

　　三、系統(tǒng)功能分析：

　　1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意


圖 3

　　2）系統(tǒng)控制

　　系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用分散控制方式，上位機(jī)以高性能單片機(jī)為控制核心，其任務(wù)是接受處理下位機(jī)信號(hào)并控制驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng)；下位機(jī)以高性能單片機(jī)為控制核心，其任務(wù)是接受處理末端操作信號(hào)并傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用RS232串口通訊方式。提升系統(tǒng)總體控制方案如圖4所示。

圖 4 系統(tǒng)總體控制方案

　　3）微操作力控制

　　提升系統(tǒng)采用微操作力控制方式。提升系統(tǒng)的微操作力控制原理是僅僅利用末端操作器檢測(cè)操作者施加的微操作力，通過在線的實(shí)時(shí)處理，及時(shí)響應(yīng)操作者的上下動(dòng)作，大大降低慣性，延展操作者的手臂，這是提升系統(tǒng)的指尖控制調(diào)節(jié)模式，其控制原理方框圖如圖5所示。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載位置的精細(xì)移動(dòng)調(diào)節(jié)，設(shè)置了提升系統(tǒng)的微調(diào)模式，即利用按鈕開關(guān)實(shí)現(xiàn)負(fù)載重物的位置微小調(diào)節(jié)，每次移動(dòng)速度能達(dá)到0.5mm/s，實(shí)現(xiàn)位置精確調(diào)節(jié)。

圖 5 控制原理方框圖

　　4）提升系統(tǒng)控制原理

　　整個(gè)系統(tǒng)由高性能單片機(jī)、功率放大模塊、通訊模塊、濾波電路模塊等組成。其中高性能單片機(jī)主要負(fù)責(zé)控制算法的計(jì)算，功率放大模塊實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的放大及電機(jī)的過流保護(hù)，濾波放大電路模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)末端操作器和壓力傳感器信號(hào)處理，通訊模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)控制原理如圖6所示。

圖 6 系統(tǒng)控制原理

　　在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生周期為5ms的時(shí)間中斷，以便使采樣時(shí)間任務(wù)由就緒狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，在采樣時(shí)間任務(wù)中，通過正交編碼計(jì)數(shù)器，經(jīng)過辨向，得到電機(jī)當(dāng)前速度和位置，然后通過位置及速度閉環(huán)算法得到應(yīng)該所要求輸出的控制量，即PWM占空比，經(jīng)過功率放大，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在這個(gè)過程中驅(qū)動(dòng)模塊的電流采樣環(huán)節(jié)對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，當(dāng)電流超過規(guī)定值時(shí)，電流截止保護(hù)電路會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)來關(guān)閉驅(qū)動(dòng)模塊以保護(hù)電動(dòng)機(jī)，單片機(jī)通過中斷對(duì)末端操作器的命令進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)時(shí)的響應(yīng)來自末端操作器的各種命令，并做出應(yīng)答。

　　5）信號(hào)采集處理

　　信號(hào)采集模塊主要任務(wù)接受處理末端操作器信號(hào)并將處理后的信號(hào)傳遞給上位機(jī)，避免控制信號(hào)在傳遞過程中受其他噪聲信號(hào)的干擾。

　　末端操作器中的滑動(dòng)式電位計(jì)采用DC供電，電位計(jì)信號(hào)通過二階低通濾波器處理，去除噪聲信號(hào)的干擾?？刂崎_關(guān)信號(hào)經(jīng)過光電隔離電路與下位機(jī)I/O連接，去除噪聲信號(hào)對(duì)開關(guān)信號(hào)的干擾。信號(hào)采集處理原理如圖7。

圖 7 信號(hào)采集處理原理