專利名稱：帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明涉及一種機(jī)器人控制技術(shù)，尤其是一種帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
:我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展、人民生活質(zhì)量不斷提高，配電網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)不間斷輸電，就必須開展帶電作業(yè)。人工帶電作業(yè)有其困難與局限性，因此研制具有更強(qiáng)的安全性和適應(yīng)性的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，克服人工帶電作業(yè)的困難和局限性，代替人工進(jìn)行帶電作業(yè)非常必要，而且符合時代的要求。為了提高帶電作業(yè)的自動化水平和安全性，減輕操作人員的勞動強(qiáng)度和強(qiáng)電磁場對操作人員的人身威脅，從80年代起許多國家都先后開展了帶電作業(yè)機(jī)器人的研究，如日本、西班牙、美國、加拿大、法國等國家先后開展了對帶電作業(yè)機(jī)器人的研究。國內(nèi)山東電力研究院進(jìn)行了三代高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的研究:①第一代高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，采用兩臺Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)械臂，操作人員進(jìn)行作業(yè)時通過鍵盤控制機(jī)械臂運(yùn)動，由于控制系統(tǒng)不開放，不能實(shí)現(xiàn)主從控制。操作不方便。②第二代高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，采用兩臺自主研發(fā)的電機(jī)機(jī)械臂，控制系統(tǒng)采用主從控制方式。操作人員進(jìn)行作業(yè)時通過主手和鍵盤控制機(jī)械臂運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)的主從/自主控制。但由于自身重量大，不能適合絕緣斗臂車作業(yè)要求。③第三代高壓帶電作業(yè)機(jī)器人一山西長治高壓帶電作業(yè)機(jī)器人項目，采用兩個液壓不帶力反饋型機(jī)械臂，自重輕，持重大。可以完成帶電斷線、帶電接線、帶電更換絕緣子等作業(yè)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場應(yīng)用。但由于沒有感知能力，不能完成精細(xì)復(fù)雜的工作。高壓帶電作業(yè)機(jī)器人經(jīng)過前三代樣機(jī)的研究，已形成常規(guī)帶電作業(yè)的能力，并投入現(xiàn)場應(yīng)用。但是機(jī)械臂無力反饋功能，操作者無法感知作業(yè)環(huán)境，機(jī)器人的作業(yè)內(nèi)容與作業(yè)效率受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，此帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)采用位置、力伺服雙閉環(huán)控制方式，并通過無線將高壓電場與人隔離，控制精度高、實(shí)時性好、性能穩(wěn)定可靠、操作更加方便，滿足高壓帶電機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，它包括手持終端、主手控制器以及機(jī)械臂控制器；手持終端包括微處理器I，它分別與液晶模塊、鍵盤連接；所述主手控制器采用嵌入式微處理器II和微處理器III，所述微處理器II通過串口與微處理器I連接，通過雙口 RAM與微處理器III連接，微處理器II還與A/D轉(zhuǎn)換器1、無線模塊I相連，A/D轉(zhuǎn)換器I與機(jī)械臂的主手的電位器連接，無線模塊I與無線模塊II通信，無線模塊II與機(jī)械臂控制器連接；微處理器III與運(yùn)動控制器連接，運(yùn)動控制器與馬達(dá)驅(qū)動器連接，馬達(dá)驅(qū)動器驅(qū)動主手的力矩馬達(dá)。所述的機(jī)械臂采用的是美國kraft Telerobotics公司生產(chǎn)的液壓機(jī)械臂,且在市面上已有銷售，在此就不詳細(xì)說明了。所述的電位器和力矩馬達(dá)安裝在機(jī)械臂主手的每個關(guān)節(jié)處，實(shí)現(xiàn)主手的腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰和腕部搖擺。遠(yuǎn)端從手的靜態(tài)或動態(tài)的力，通過這些力矩馬達(dá)反映到主手，在初始上電時，這些力矩馬達(dá)自動地設(shè)置主手。所述微處理器II通過MAX32321、I1、III三芯片分別與串口、無線模塊I以及A/D轉(zhuǎn)換器I連接，串口與微處理器I連接；微處理器III與運(yùn)動控制器連接，運(yùn)動控制器包括運(yùn)動控制芯片1、II，兩運(yùn)動控制芯片Ι、π分別與各自的16M有源晶振連接，運(yùn)動控制芯片I與四個主手馬達(dá)驅(qū)動器接口連接，運(yùn)動控制芯片II與兩個主手馬達(dá)驅(qū)動器接口連接，每個驅(qū)動器接口分別接收正、負(fù)脈沖。所述微處理器I還與穩(wěn)壓芯片1、II連接；微處理器I通過MAX3232IV與串口連接，通過邏輯電平轉(zhuǎn)換器分別與液晶模塊和鍵盤管理模塊連接，鍵盤管理模塊與鍵盤連接。所述微處理器1、微處理器II和微處理器III均采用TMS320F28335芯片，具有浮點(diǎn)處理功能；所述A/D轉(zhuǎn)換器I采用MAX1312芯片，同時采集8路模擬量，采集范圍-1OV +10V，12位精度。所述馬達(dá)控制器采用MCX314控制芯片。可同時控制多軸，內(nèi)部具有直線加/減速驅(qū)動、拋物線加/減速驅(qū)動、加減速度設(shè)定、最聞速度設(shè)定等功能。所述力矩馬達(dá)采用步進(jìn)式力矩馬達(dá)，轉(zhuǎn)矩范圍0.061-0.123N.m，堵轉(zhuǎn)電流0.3A，轉(zhuǎn)矩靈敏度0.028N.m ;所述各電位器采用5ΚΩ的360度旋轉(zhuǎn)電位器，傳感器精度1%。，輸出信號-1OV +IOV。所述無線模塊1、II的通信距離1000m，通信頻率900MHz。微處理器II作為主機(jī)，它擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理、機(jī)械臂語言編譯和人機(jī)接口功能，并定時地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動的增量送到公共內(nèi)存，供微處理器III讀取它。微處理器III完成全部關(guān)節(jié)位置、力數(shù)字控制。它從公共內(nèi)存讀給定值，也把各關(guān)節(jié)實(shí)際位置送回公共內(nèi)存中，微處理器II使用。帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟:(I)所述的主手的電位器采集主手的位置信號；(2)所述的機(jī)械臂的電位器采集機(jī)械臂夾持器的位置信號，并與步驟(I)的信號進(jìn)行比較，將比較后的信號發(fā)送給微處理器II ；(3)微處理器II通過串口發(fā)送給微處理器I ;(4)微處理器I發(fā)送給運(yùn)動控制器，運(yùn)動控制器控制馬達(dá)驅(qū)動器，馬達(dá)驅(qū)動器驅(qū)動主手的力矩馬達(dá)進(jìn)行運(yùn)動，力矩馬達(dá)控制主手運(yùn)動；(5)回到步驟(1)，進(jìn)行循環(huán)。采用上述方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
一是采用力反饋技術(shù)，具有對環(huán)境的感知能力，能極大提高操作的靈活性、準(zhǔn)確性，大幅度提高作業(yè)效率，完成修補(bǔ)導(dǎo)線、更換橫擔(dān)、跌落保險等復(fù)雜作業(yè)項目；二是采用主從式控制方式操作靈活方便，不需要復(fù)雜的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等復(fù)雜運(yùn)動學(xué)算法；三是系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，具有開放性、可讀性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性，以便持續(xù)開發(fā)；四是主從控制系統(tǒng)通訊方式采用無線通信，便于帶電搶修機(jī)器人布線，可實(shí)現(xiàn)高電壓絕緣。


圖1是本發(fā)明總框圖；圖2是本發(fā)明主手的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明主手主控制板硬件接口連接圖；圖4是本發(fā)明主手從控制板硬件接口連接圖；圖5是本發(fā)明手持終端電路圖；圖6是本發(fā)明位置控制方框圖；其中，I基座，2力矩馬達(dá)，3平衡塊，4肩關(guān)節(jié)，5上臂，6肘關(guān)節(jié)，7前臂，8腕關(guān)節(jié)，9電位器，10手柄。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1中，一種帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，其手持終端包括微處理器I，它分別與鍵盤和液晶顯示屏以及主手控制器相連；主手控制器采用DSP芯片，包括微處理器II和微處理器III，微處理器II分別與微處理器I和雙口 RAM連接，雙口 RAM與微處理器III相連；微處理器III分別與運(yùn)動控制器相連，運(yùn)動控制器與馬達(dá)驅(qū)動器相連，馬達(dá)驅(qū)動器與主手的力矩馬達(dá)2相連；A/D轉(zhuǎn)換器I與主手的若干電位器(在每個關(guān)節(jié)運(yùn)動軸處)相連，微處理器II與A/D轉(zhuǎn)換器1、無線模塊I相連，無線模塊I通過無線模塊II與機(jī)械臂控制器連接。馬達(dá)驅(qū)動器采用MCX314控制芯片，可同時控制4軸，內(nèi)部具有直線加/減速驅(qū)動、拋物線加/減速驅(qū)動、加減速度設(shè)定、最聞速度設(shè)定等功能。微處理器1、微處理器II和微處理器III均采用TMS320F28335芯片，具有浮點(diǎn)處理功能；所述A/D轉(zhuǎn)換器I采用MAX1312芯片，同時采集8路模擬量，采集范圍-1OV +10V，12位精度。力矩馬達(dá)2采用步進(jìn)式力矩馬達(dá)，轉(zhuǎn)矩范圍0.061-0.123N.m，堵轉(zhuǎn)電流0.3A，轉(zhuǎn)矩靈敏度0.028N.m;所述各電位器采用5ΚΩ的360度旋轉(zhuǎn)電位器，傳感器精度1%。，輸出信號-1OV +IOV0圖2中，主手為6自由度主手，包括基座1，基座I上安裝有支撐臂，支撐臂的底部安裝力矩馬達(dá)2，支撐臂上端作為肩關(guān)節(jié)4，上臂5安裝在肩關(guān)節(jié)4上，上臂5的后端為平衡塊3 ;上臂5的前端與肘關(guān)節(jié)6連接，肘關(guān)節(jié)6與前臂7連接，前臂7的末端為腕關(guān)節(jié)8，腕關(guān)節(jié)8與腕臂一端連接，腕臂另一端與手柄10連接，在每個關(guān)節(jié)處均帶有電位器9和力矩馬達(dá)2，實(shí)現(xiàn)腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部搖擺。遠(yuǎn)端從手的靜態(tài)或動態(tài)的力，通過這些力矩馬達(dá)2反映到主手。在初始上電時，這些力矩馬達(dá)2自動地設(shè)置主手。無線模塊1、II的通信距離1000m，通信頻率900MHz，抗干擾能力強(qiáng)，通信距離遠(yuǎn)。微處理器II作為主機(jī)，它擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理、機(jī)械臂語言編譯和人機(jī)接口功能，并定時地把運(yùn)算結(jié)果作為關(guān)節(jié)運(yùn)動的增量送到公共內(nèi)存，供微處理器III讀取它。微處理器III完成全部關(guān)節(jié)位置、力數(shù)字控制。它從公共內(nèi)存讀給定值，也把各關(guān)節(jié)實(shí)際位置送回公共內(nèi)存中，微處理器II使用。圖3中，嵌入式主控制器包括雙口 RAM、微處理器I1、串口接收發(fā)送器、串口、從控制器接 口。微處理器 II 的 XD0-15 接雙口 RAM 的 100-15L、/XRD 接 /OEL、/XffE 接 R//WL、/XZCSl 接/CEL、XA0-11 接 AO-11L。雙口 RAM 的 M//S 接 3.3V，設(shè)置成主模式。雙口 RAM 的100-15R、/0ER、R//WR、/CER、A0-llR接從控制器接口。微處理器 II 的 SCITXDA接MAX32321、II的11腳，SCIRXDA接12腳，MAX3232的13、14腳接到串口、無線模塊。微處理器II的XD0-11、X1NT2、/XWE、/XRD、/XZCS2 接 A/D 轉(zhuǎn)換器 11304MAX1312 的 D0-11、/OEL、/WR、/RD、/CS腳。主手的電位器接A/D轉(zhuǎn)換器MAX1312的CH0-7腳。圖4中，嵌入式從控制板包括雙口 RAM接口、微處理器II1、16M有源晶振、運(yùn)動控制芯片1、運(yùn)動控制芯片I1、驅(qū)動器接口。雙口 RAM接口的100-15R、/OER, R//WR、/CER,A0-11R 接微處理器 III 的 XD0-15、/XRD、/XWE、/XZCS2、XA0-11。微處理器 III 的 XD0-15、/XRD, /XWE, XA14、XA0-2 分別接運(yùn)動控制芯片 I 的 DO-15、RDN、WRN、CSN、A0-2。微處理器III 的 XDO-15、/XRD, /XWE, XA13、XA0-2 分別接運(yùn)動控制器的 DO-15、RDN、WRN、CSN、A0-2。16M有源晶振的輸出口接運(yùn)動控制芯片1、11的53腳。運(yùn)動控制芯片I的35、36腳分別接驅(qū)動器I的正脈沖、負(fù)脈沖輸入口 ；運(yùn)動控制芯片I的38、39腳分別接驅(qū)動器II的正脈沖、負(fù)脈沖輸入口 ；運(yùn)動控制芯片I的40、41腳分別接驅(qū)動器III的正脈沖、負(fù)脈沖輸入口 ；運(yùn)動控制芯片I的42、43腳分別接驅(qū)動器IV的正脈沖、負(fù)脈沖輸入口。運(yùn)動控制芯片II的35、36腳分別接驅(qū)動器V的正脈沖、負(fù)脈沖輸入口 ；運(yùn)動控制芯片II的38、39腳分別接驅(qū)動器VI的正脈沖、負(fù)脈沖輸入口。圖5中，手持終端由微處理器1、液晶模塊、邏輯電平轉(zhuǎn)換器、鍵盤管理模塊、鍵盤、穩(wěn)壓芯片1、穩(wěn)壓芯片I1、串口接收發(fā)送器、串口組成。穩(wěn)壓芯片1、穩(wěn)壓芯片I給微處理器I供電。微處理器的GIP10B1與ADG3308的2腳連接，GP10B5與5腳連接，XINT2與6腳連接。GP10A0-7與液晶模塊的DB0-7連接，GPIOBO與REQ連接，GP10B2與CS連接，液晶模塊5V供電。ADG3308的16腳與HD7279的DATA腳連接，15與KEY腳連接。微處理器I的GP10B3與HD7279的CS腳連接，GP10B4與CLK腳連接。鍵盤的輸出接HD7279的DIG0-7、DP-SG。微處理器 I 的 SCITXDA 接 MAX3232 的 11 腳，SCIRXDA 接 12 腳，MAX3232 的 13、14 腳接到串口。圖6中，給出了帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)的控制方法:具體方法包括如下步驟:(I)主手的電位器采集主手的位置信號；(2)機(jī)械臂的電位器采集機(jī)械臂夾持器的位置信號，并與步驟(I)的信號進(jìn)行比較，將比較后的信號發(fā)送給微處理器II ；
(3)微處理器II通過串口發(fā)送給微處理器I ;(4)微處理器I發(fā)送給運(yùn)動控制器，運(yùn)動控制器控制馬達(dá)驅(qū)動器，馬達(dá)驅(qū)動器驅(qū)動主手的力矩馬達(dá)2進(jìn)行運(yùn)動，力矩馬達(dá)2控制主手運(yùn)動；(5)回到步驟(1)，進(jìn)行循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，其特征是，它包括手持終端、主手控制器以及機(jī)械臂控制器；手持終端包括微處理器I，它分別與液晶模塊、鍵盤連接；所述主手控制器采用嵌入式微處理器II和微處理器III，所述微處理器II通過串口與微處理器I連接，通過雙口 RAM與微處理器III連接，微處理器II還與A/D轉(zhuǎn)換器1、無線模塊I相連，A/D轉(zhuǎn)換器I與機(jī)械臂的主手的電位器連接，無線模塊I與無線模塊II通信，無線模塊II與機(jī)械臂控制器連接；微處理器III與運(yùn)動控制器連接，運(yùn)動控制器與馬達(dá)驅(qū)動器連接，馬達(dá)驅(qū)動器驅(qū)動主手的力矩馬達(dá)。
2.按權(quán)利要求1所述的帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，其特征是，所述的電位器和力矩馬達(dá)分別設(shè)于機(jī)械臂主手的每個關(guān)節(jié)處，實(shí)現(xiàn)腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部搖擺。
3.按權(quán)利要求1所述的帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，其特征是，所述微處理器II通過MAX32321、I1、III三芯片分別與串口、無線模塊I以及A/D轉(zhuǎn)換器I連接，串口與微處理器I連接； 微處理器III與運(yùn)動控制器連接，運(yùn)動控制器包括運(yùn)動控制芯片1、II，兩運(yùn)動控制芯片1、II分別與各自的16M有源晶振連接，運(yùn)動控制芯片I與四個主手馬達(dá)驅(qū)動器接口連接，運(yùn)動控制芯片II與兩個主手馬達(dá)驅(qū)動器接口連接，每個驅(qū)動器接口分別接收正、負(fù)脈沖。
4.按權(quán)利要求1所述的帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，其特征是，所述微處理器I還與穩(wěn)壓芯片1、II連接；微處理器I通過MAX3232IV與串口連接，通過邏輯電平轉(zhuǎn)換器分別與液晶模塊和鍵盤管理模塊連接，鍵盤管理模塊與鍵盤連接。
5.按權(quán)利要求1所述的帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，其特征是，所述微處理器1、微處理器II和微處理器III均采用TMS320F28335芯片，具有浮點(diǎn)處理功能；所述A/D轉(zhuǎn)換器I采用MAX1312芯片，同時采集8路模擬量，采集范圍-1OV +10V，12位精度。
6.按權(quán)利要求1所述的帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，其特征是，所述馬達(dá)控制器采用MCX314控制芯片。
7.按權(quán)利要求1或2所述的帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，其特征是，所述力矩馬達(dá)采用步進(jìn)式力矩馬達(dá)，轉(zhuǎn)矩范圍0.061-0.123N.m,堵轉(zhuǎn)電流0.3A，轉(zhuǎn)矩靈敏度0.028N.m ；所述各電位器采用5ΚΩ的360度旋轉(zhuǎn)電位器，傳感器精度1%。，輸出信號-1OV +10V。
8.按權(quán)利要求1所述的帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，其特征是，所述無線模塊.1、II的通信距離1000m，通信頻率900MHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶電搶修機(jī)器人位置反饋主手系統(tǒng)，它采用位置、力伺服雙閉環(huán)控制方式，控制精度高、實(shí)時性好、性能穩(wěn)定可靠、操作更加方便，滿足高壓帶電機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的要求。它包括手持終端、主手控制器以及機(jī)械臂控制器；手持終端包括微處理器I，它分別與液晶模塊、鍵盤連接；主手控制器采用微處理器II和微處理器III，微處理器II通過串口與微處理器I連接，通過雙口RAM與微處理器III連接，微處理器II還與A/D轉(zhuǎn)換器I、無線模塊I相連，A/D轉(zhuǎn)換器I與主手的電位器連接，無線模塊I與無線模塊II通信，無線模塊II與機(jī)械臂控制器連接；微處理器III與運(yùn)動控制器連接，運(yùn)動控制器與馬達(dá)驅(qū)動器連接，馬達(dá)驅(qū)動器驅(qū)動主手的力矩馬達(dá)。
文檔編號B25J3/04GK103085055SQ20131003270
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者呂曦晨, 趙玉良, 魯守銀, 李健, 王振利 申請人:山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司