伺服控制智能助力機械手系統功能分析

　　隨著現代化工業生產的不斷發展，工業機器人得到廣泛應用，但受成本和功能限制還不能獨立完成所有的物料搬運工作，大量的物料搬運工作仍需要人來完成。如何降低工人的勞動強度，提高工作效率，避免對工人的身體傷害，西方國家在傳統的專用工具和助力設備基礎上，研發新一代人機工程設備：智能輔助設備IAD （Intelligent Assist Device），是一種可與操作者在同一物理空間實現人機合作作業的特種作業機器人。它主要用于各種裝配生產線、物流傳送作業等，具有以下幾個特點：

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

　　2. 精確定位：懸掛載荷后，在空中處于“浮動”狀態，可實現所操作物料的快速定位。

　　3. 操作簡單：不需要控制按鈕，人的動作即機械的動作指令。剛性結構，可配備任何形式的夾具系統。

　　4． 高效安全：人機合作，減少誤操作，提高安全保障和工作效率。

　　一、目前智能助力機械手的搬運能力在80kg ~ 320kg 之間，基本參數見下表。

　　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、系統功能分析：

　　1）系統結構

圖 2 系統結構示意


圖 3

　　2）系統控制

　　系統的控制系統采用分散控制方式，上位機以高性能單片機為控制核心，其任務是接受處理下位機信號并控制驅動提升系統；下位機以高性能單片機為控制核心，其任務是接受處理末端操作信號并傳遞給上位機。上位機與下位機之間采用RS232串口通訊方式。提升系統總體控制方案如圖4所示。

圖 4 系統總體控制方案

　　3）微操作力控制

　　提升系統采用微操作力控制方式。提升系統的微操作力控制原理是僅僅利用末端操作器檢測操作者施加的微操作力，通過在線的實時處理，及時響應操作者的上下動作，大大降低慣性，延展操作者的手臂，這是提升系統的指尖控制調節模式，其控制原理方框圖如圖5所示。為了實現負載位置的精細移動調節，設置了提升系統的微調模式，即利用按鈕開關實現負載重物的位置微小調節，每次移動速度能達到0.5mm/s，實現位置精確調節。

圖 5 控制原理方框圖

　　4）提升系統控制原理

　　整個系統由高性能單片機、功率放大模塊、通訊模塊、濾波電路模塊等組成。其中高性能單片機主要負責控制算法的計算，功率放大模塊實現PWM信號的放大及電機的過流保護，濾波放大電路模塊實現對末端操作器和壓力傳感器信號處理，通訊模塊負責與上位機進行通訊。系統控制原理如圖6所示。

圖 6 系統控制原理

　　在系統運行的過程中，用單片機內部的定時器產生周期為5ms的時間中斷，以便使采樣時間任務由就緒狀態進入運行狀態，在采樣時間任務中，通過正交編碼計數器，經過辨向，得到電機當前速度和位置，然后通過位置及速度閉環算法得到應該所要求輸出的控制量，即PWM占空比，經過功率放大，以驅動電機。在這個過程中驅動模塊的電流采樣環節對電機的電流進行實時的檢測，當電流超過規定值時，電流截止保護電路會產生相應的信號來關閉驅動模塊以保護電動機，單片機通過中斷對末端操作器的命令進行檢測，以實時的響應來自末端操作器的各種命令，并做出應答。

　　5）信號采集處理

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

　　末端操作器中的滑動式電位計采用DC供電，電位計信號通過二階低通濾波器處理，去除噪聲信號的干擾。控制開關信號經過光電隔離電路與下位機I/O連接，去除噪聲信號對開關信號的干擾。信號采集處理原理如圖7。

圖 7 信號采集處理原理