專利名稱：帶電搶修機器人位置反饋主手系統的制作方法
技術領域：
:本實用新型涉及一種機器人控制技術，尤其是一種帶電搶修機器人位置反饋主手系統。
技術背景:我國社會經濟不斷發展、人民生活質量不斷提高，配電網絡要實現不間斷輸電，就必須開展帶電作業。人工帶電作業有其困難與局限性，因此研制具有更強的安全性和適應性的高壓帶電作業機器人，克服人工帶電作業的困難和局限性，代替人工進行帶電作業非常必要，而且符合時代的要求。為了提高帶電作業的自動化水平和安全性，減輕操作人員的勞動強度和強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機器人的研究，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機器人的研究。國內山東電力研究院進行了三代高壓帶電作業機器人的研究:①第一代高壓帶電作業機器人，采用兩臺M0T0MAN機械臂，操作人員進行作業時通過鍵盤控制機械臂運動，由于控制系統不開放，不能實現主從控制。操作不方便。②第二代高壓帶電作業機器人，采用兩臺自主研發的電機機械臂，控制系統采用主從控制方式。操作人員進行作業時通過主手和鍵盤控制機械臂運動，實現了機器人系統的主從/自主控制。但由于自身重量大，不能適合絕緣斗臂車作業要求。③第三代高壓帶電作業機器人一山西長治高壓帶電作業機器人項目，采用兩個液壓不帶力反饋型機械臂，自重輕，持重大?？梢酝瓿蓭щ姅嗑€、帶電接線、帶電更換絕緣子等作業內容，實現帶電作業機器人現場應用。但由于沒有感知能力，不能完成精細復雜的工作。高壓帶電作業機器人經過前三代樣機的研究，已形成常規帶電作業的能力，并投入現場應用。但是機械臂無力反饋功能，操作者無法感知作業環境，機器人的作業內容與作業效率受到很大限制。

實用新型內容本實用新型的目的在于解決上述問題，提供一種帶電搶修機器人位置反饋主手系統，此帶電搶修機器人位置反饋主手系統采用位置、力伺服雙閉環控制方式，并通過無線將高壓電場與人隔離，控制精度高、實時性好、性能穩定可靠、操作更加方便，滿足高壓帶電機器人作業任務的要求。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:一種帶電搶修機器人位置反饋主手系統，它包括手持終端、主手控制器以及機械臂控制器；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轉換器1、無線模塊I相連，A/D轉換器I與機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與機械臂控制器連接；微處理器III與運動控制器連接，運動控制器與馬達驅動器連接，馬達驅動器驅動主手的力矩馬達。所述的機械臂采用的是美國kraft Telerobotics公司生產的液壓機械臂,且在市面上已有銷售，在此就不詳細說明了。所述的電位器和力矩馬達安裝在機械臂主手的每個關節處，實現主手的腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰和腕部搖擺。遠端從手的靜態或動態的力，通過這些力矩馬達反映到主手，在初始上電時，這些力矩馬達自動地設置主手。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轉換器I連接，串口與微處理器I連接；微處理器III與運動控制器連接，運動控制器包括運動控制芯片1、II，兩運動控制芯片Ι、π分別與各自的16M有源晶振連接，運動控制芯片I與四個主手馬達驅動器接口連接，運動控制芯片II與兩個主手馬達驅動器接口連接，每個驅動器接口分別接收正、負脈沖。所述微處理器I還與穩壓芯片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，具有浮點處理功能；所述A/D轉換器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。所述馬達控制器采用MCX314控制芯片?？赏瑫r控制多軸，內部具有直線加/減速驅動、拋物線加/減速驅動、加減速度設定、最聞速度設定等功能。所述力矩馬達采用步進式力矩馬達，轉矩范圍0.061-0.123N.m，堵轉電流0.3A，轉矩靈敏度0.028N.m ;所述各電位器采用5ΚΩ的360度旋轉電位器，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，它擔當系統管理、機械臂語言編譯和人機接口功能，并定時地把運算結果作為關節運動的增量送到公共內存，供微處理器III讀取它。微處理器III完成全部關節位置、力數字控制。它從公共內存讀給定值，也把各關節實際位置送回公共內存中，微處理器II使用。帶電搶修機器人位置反饋主手系統的控制方法，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)所述的機械臂的電位器采集機械臂夾持器的位置信號，并與步驟(I)的信號進行比較，將比較后的信號發送給微處理器II ；(3)微處理器II通過串口發送給微處理器I ;(4)微處理器I發送給運動控制器，運動控制器控制馬達驅動器，馬達驅動器驅動主手的力矩馬達進行運動，力矩馬達控制主手運動；(5)回到步驟(1)，進行循環。采用上述方案，本實用新型具有以下優點:[0030]一是采用力反饋技術，具有對環境的感知能力，能極大提高操作的靈活性、準確性，大幅度提高作業效率，完成修補導線、更換橫擔、跌落保險等復雜作業項目；二是采用主從式控制方式操作靈活方便，不需要復雜的直線插補、圓弧插補等復雜運動學算法；三是系統采用模塊化設計，具有開放性、可讀性、可擴展性、可維護性，以便持續開發；四是主從控制系統通訊方式采用無線通信，便于帶電搶修機器人布線，可實現高電壓絕緣。

圖1是本實用新型總框圖；圖2是本實用新型主手的結構圖；圖3是本實用新型主手主控制板硬件接口連接圖；圖4是本實用新型主手從控制板硬件接口連接圖；圖5是本實用新型手持終端電路圖；圖6是本實用新型位置控制方框圖；其中，I基座，2力矩馬達，3平衡塊，4肩關節，5上臂，6肘關節，7前臂，8腕關節，9電位器，10手柄。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。圖1中，一種帶電搶修機器人位置反饋主手系統，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分別與運動控制器相連，運動控制器與馬達驅動器相連，馬達驅動器與主手的力矩馬達2相連；A/D轉換器I與主手的若干電位器(在每個關節運動軸處)相連，微處理器II與A/D轉換器1、無線模塊I相連，無線模塊I通過無線模塊II與機械臂控制器連接。馬達驅動器采用MCX314控制芯片，可同時控制4軸，內部具有直線加/減速驅動、拋物線加/減速驅動、加減速度設定、最聞速度設定等功能。微處理器1、微處理器II和微處理器III均采用TMS320F28335芯片，具有浮點處理功能；所述A/D轉換器I采用MAX1312芯片，同時采集8路模擬量，采集范圍-1OV +1OV，12位精度。力矩馬達2采用步進式力矩馬達，轉矩范圍0.061-0.123N.m，堵轉電流0.3A，轉矩靈敏度0.028N.m;所述各電位器采用5KQ的360度旋轉電位器，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2，支撐臂上端作為肩關節4，上臂5安裝在肩關節4上，上臂5的后端為平衡塊3 ;上臂5的前端與肘關節6連接，肘關節6與前臂7連接，前臂7的末端為腕關節8，腕關節8與腕臂一端連接，腕臂另一端與手柄10連接，在每個關節處均帶有電位器9和力矩馬達2，實現腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部搖擺。遠端從手的靜態或動態的力，通過這些力矩馬達2反映到主手。在初始上電時，這些力矩馬達2自動地設置主手。無線模塊1、II的通信距離1000m，通信頻率900MHz，抗干擾能力強，通信距離遠。微處理器II作為主機，它擔當系統管理、機械臂語言編譯和人機接口功能，并定時地把運算結果作為關節運動的增量送到公共內存，供微處理器III讀取它。微處理器III完成全部關節位置、力數字控制。它從公共內存讀給定值，也把各關節實際位置送回公共內存中，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，設置成主模式。雙口 RAM 的100-15R、/0ER、R//WR、/CER、A0-11R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、XINT2、/XWE、/XRD、/XZCS2 接 A/D 轉換器 II304MAX1312 的 D0-11、/OEL、/WR、/RD、/CS腳。主手的電位器接A/D轉換器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、運動控制芯片1、運動控制芯片I1、驅動器接口。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 分別接運動控制器的 DO-15、RDN、WRN、CSN、A0-2。16M有源晶振的輸出口接運動控制芯片1、11的53腳。運動控制芯片I的35、36腳分別接驅動器I的正脈沖、負脈沖輸入口 ；運動控制芯片I的38、39腳分別接驅動器II的正脈沖、負脈沖輸入口 ；運動控制芯片I的40、41腳分別接驅動器III的正脈沖、負脈沖輸入口 ；運動控制芯片I的42、43腳分別接驅動器IV的正脈沖、負脈沖輸入口。運動控制芯片II的35、36腳分別接驅動器V的正脈沖、負脈沖輸入口 ；運動控制芯片II的38、39腳分別接驅動器VI的正脈沖、負脈沖輸入口。圖5中，手持終端由微處理器1、液晶模塊、邏輯電平轉換器、鍵盤管理模塊、鍵盤、穩壓芯片1、穩壓芯片I1、串口接收發送器、串口組成。穩壓芯片1、穩壓芯片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，給出了帶電搶修機器人位置反饋主手系統的控制方法: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)機械臂的電位器采集機械臂夾持器的位置信號，并與步驟(I)的信號進行比較，將比較后的信號發送給微處理器II ；[0057](3)微處理器II通過串口發送給微處理器I ;(4)微處理器I發送給運動控制器，運動控制器控制馬達驅動器，馬達驅動器驅動主手的力矩馬達2進行運動，力矩馬達2控制主手運動；(5)回到步驟(1)，進行循環。
權利要求1.一種帶電搶修機器人位置反饋主手系統，其特征是，它包括手持終端、主手控制器以及機械臂控制器；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轉換器1、無線模塊I相連，A/D轉換器I與機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與機械臂控制器連接；微處理器III與運動控制器連接，運動控制器與馬達驅動器連接，馬達驅動器驅動主手的力矩馬達。
2.如權利要求1所述的帶電搶修機器人位置反饋主手系統，其特征是，所述的電位器和力矩馬達分別設于機械臂主手的每個關節處，實現腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部搖擺。
3.如權利要求1所述的帶電搶修機器人位置反饋主手系統，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轉換器I連接，串口與微處理器I連接； 微處理器III與運動控制器連接，運動控制器包括運動控制芯片1、II，兩運動控制芯片1、II分別與各自的16M有源晶振連接，運動控制芯片I與四個主手馬達驅動器接口連接，運動控制芯片II與兩個主手馬達驅動器接口連接，每個驅動器接口分別接收正、負脈沖。
4.如權利要求1所述的帶電搶修機器人位置反饋主手系統，其特征是，所述微處理器I還與穩壓芯片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.如權利要求1所述的帶電搶修機器人位置反饋主手系統，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，具有浮點處理功能；所述A/D轉換器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.如權利要求1所述的帶電搶修機器人位置反饋主手系統，其特征是，所述馬達控制器采用MCX314控制芯片。
7.如權利要求1或2所述的帶電搶修機器人位置反饋主手系統，其特征是，所述力矩馬達采用步進式力矩馬達，轉矩范圍0.061-0.123N.m,堵轉電流0.3A，轉矩靈敏度0.028N.m ；所述各電位器采用5ΚΩ的360度旋轉電位器，傳感器精度1%。，輸出信號-1OV +10V。
8.如權利要求1所述的帶電搶修機器人位置反饋主手系統，其特征是，所述無線模塊.1、II的通信距離1000m，通信頻率900MHz。
專利摘要本實用新型涉及一種帶電搶修機器人位置反饋主手系統，它采用位置、力伺服雙閉環控制方式，控制精度高、實時性好、性能穩定可靠、操作更加方便，滿足高壓帶電機器人作業任務的要求。它包括手持終端、主手控制器以及機械臂控制器；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轉換器I、無線模塊I相連，A/D轉換器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與機械臂控制器連接；微處理器III與運動控制器連接，運動控制器與馬達驅動器連接，馬達驅動器驅動主手的力矩馬達。
文檔編號B25J9/16GK203031597SQ20132004697
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者呂曦晨, 趙玉良, 魯守銀, 李健, 王振利 申請人:山東電力集團公司電力科學研究院, 國家電網公司