一種危險(xiǎn)品處理機(jī)器人機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　摘要：本文首先簡(jiǎn)要介紹了危險(xiǎn)品處理機(jī)器人的作用，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式，著重從控制系統(tǒng)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)3 個(gè)方面介紹了危險(xiǎn)品處理機(jī)器人機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。最后給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的機(jī)械手的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

一：系統(tǒng)概述

　　危險(xiǎn)品處理機(jī)器人是用于危險(xiǎn)彈藥（一般在野外）夾持、拔出、搬運(yùn)和放置作業(yè)，并可攜帶和放置的裝置。該項(xiàng)目的完成將解決長(zhǎng)期困擾我軍的事故炮彈、戰(zhàn)爭(zhēng)遺留彈等危險(xiǎn)彈藥安全處理問題。機(jī)械手是危險(xiǎn)品處理機(jī)器人操作過程中直接與彈藥接觸的重要部件，主要用于執(zhí)行對(duì)危險(xiǎn)彈藥的夾持、拆除、搬運(yùn)和放置作業(yè)， 機(jī)械手工作的穩(wěn)定性直接決定著彈藥處理的成功率，因此機(jī)械手的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

二：機(jī)械手

　　1． 結(jié)構(gòu)形式

　　為保證作業(yè)的靈活性，機(jī)械手設(shè)計(jì)為由腰身、大臂、小臂、手爪組成，共具有3 個(gè)關(guān)節(jié)（腰身-大臂、大臂-小臂、小臂-手爪）7 個(gè)自由度（腰身1dof，大臂1dof，小臂1dof，手腕4dof）。其中：

　　腰身——1 自由度，做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。固定安裝在機(jī)器人車底盤上，以車體正前方為基準(zhǔn)，可分別向左右旋轉(zhuǎn)約135°（具體可旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)參考車體駕駛控制室位置確定，以避免機(jī)械手向后方旋轉(zhuǎn)時(shí)碰到駕駛控制室或其它物體），兩端各有限位裝置以避免自體碰撞。由液壓控制運(yùn)動(dòng)，在底部裝有電位計(jì)反饋準(zhǔn)確位置以保證控制精度。

　　大臂、小臂——各1 自由度，分別相對(duì)于前一級(jí)關(guān)節(jié)做上下運(yùn)動(dòng)。以車體水平面為基準(zhǔn)，大臂可向上運(yùn)動(dòng)45o、向下運(yùn)動(dòng)30o，小臂可向上運(yùn)動(dòng)25o、向下運(yùn)動(dòng)60o。由液壓控制運(yùn)動(dòng)，用電位計(jì)回饋，保證關(guān)節(jié)位置準(zhǔn)確。

　　手爪——4 自由度，分別做上下擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、伸縮、夾持運(yùn)動(dòng)。以小臂延長(zhǎng)線為基準(zhǔn)，手爪可上下擺動(dòng)±90°，又可以小臂為基準(zhǔn)軸旋轉(zhuǎn)±180°，伸1 米，均采用伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過減速箱減速保證功率需求，由伺服電機(jī)控制器控制。有編碼盤反饋，保證位置準(zhǔn)確。

　　腰身，大小臂液壓回路有壓力傳感器保護(hù)。油壓有穩(wěn)定裝置。

　　2． 控制系統(tǒng)

　　機(jī)械手操作可在視覺傳感器及控制系統(tǒng)的指示、控制下進(jìn)行粗定位，操作人員能夠憑視圖像進(jìn)行準(zhǔn)確定位、夾持等動(dòng)作控制。攝像機(jī)安裝在機(jī)器人車前端以及機(jī)械手腕上，以供環(huán)境及操作對(duì)象的立體圖像和近距離圖像。

　　機(jī)械手控制系統(tǒng)由總控制器、液壓控制器、伺服控制器組成，各控制器的控制芯片2407DSP?？偪刂破魍ㄟ^RS232 總線接收遙控端指令，通過can 總線分配任務(wù)給液壓和伺控制器控制機(jī)械手各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分單軸動(dòng)和聯(lián)動(dòng)：?jiǎn)屋S動(dòng)是接收上位機(jī)發(fā)的的步進(jìn)指令；聯(lián)動(dòng)是接收上位機(jī)發(fā)送的空間位置，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，轉(zhuǎn)換成機(jī)械手在其座坐標(biāo)系的坐標(biāo)，將機(jī)械手運(yùn)動(dòng)、調(diào)整到指定位置和姿態(tài)，同時(shí)要解決機(jī)械手運(yùn)動(dòng)與抓取周圍環(huán)境的干涉。

　　機(jī)械手的手動(dòng)控制方式如下：遙控端控制面板上有伺服電機(jī)控制和液壓控制按鈕，和兩個(gè)搖桿，搖桿有上下左右4 個(gè)方向，當(dāng)按下伺服電機(jī)控制按鈕后第一個(gè)搖桿的上下方向控制旋轉(zhuǎn)自由度的伺服電機(jī)，上左轉(zhuǎn)，下右轉(zhuǎn)，同時(shí)AD 采樣可采到搖桿的推動(dòng)幅度來控制輸出電壓，從而控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，同理第一個(gè)搖桿的左右方向和第二搖桿的兩對(duì)方向控制另外三個(gè)伺服電機(jī)，當(dāng)按下液壓按鈕時(shí)液壓油泵和閥開關(guān)打開，同時(shí)兩個(gè)搖桿有三對(duì)方向分別控制液壓的旋轉(zhuǎn)、大臂、小臂的工作，在每個(gè)自由度上都裝有限位開關(guān)，限制各動(dòng)作幅度。

　　3、硬件設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手的三塊控制器的控制芯片都為2407DSP，雖然三塊控制器實(shí)現(xiàn)的功能不同，但在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)按照DSP 管腳的功能，設(shè)計(jì)外圍電路如下：

　?。?）PWM 管腳：DSP 的每個(gè)事件管理器都有與比較單元相關(guān)的PWM 電路，能夠產(chǎn)生六路帶可編程死區(qū)和輸出極性的PWM 輸出，但是都是成對(duì)輸出的，對(duì)于本控制器需要的獨(dú)立的輸出，每個(gè)事件管理器只有3 路，一個(gè)DSP 有兩個(gè)事件管理器，可以獨(dú)立的輸出6 路PWM 波。液壓控制器需要6 路PWM 波驅(qū)動(dòng)電業(yè)比例閥，而伺服電機(jī)控制器需要4 路0-5V 的加速器信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在設(shè)計(jì)電路時(shí)將這兩種電路設(shè)計(jì)在一起，并制成印刷電路板，焊板時(shí)按每板的功能焊接即可，液壓控制器需要輸出PWM 波形，芯片用LM393 做比較器，此時(shí)電阻R19 和電容C71 不焊即可，但要有R21 上拉電阻，R17 和R18 將2 腳電壓分在1.7V 左右比較合適。伺服控制器需要輸出0-5V 電壓芯片用LM2904 做運(yùn)放用，焊電阻R19 和電容C17不用MOS 管、R21 和外接電源，也不用焊R17,直接將DSP 輸出0-3.3V 電壓放大到0-5V 輸出。PWM/電壓輸出電路圖見圖1：

圖1 PWM/電壓輸出電路