一種危險品處理機器人機械手控制系統設計方案

　　摘要：本文首先簡要介紹了危險品處理機器人的作用，機械手的結構形式，著重從控制系統、硬件設計和軟件設計3 個方面介紹了危險品處理機器人機械手控制系統的設計與實現。最后給出了實驗測得的機械手的各項技術指標。

一：系統概述

　　危險品處理機器人是用于危險彈藥（一般在野外）夾持、拔出、搬運和放置作業，并可攜帶和放置的裝置。該項目的完成將解決長期困擾我軍的事故炮彈、戰爭遺留彈等危險彈藥安全處理問題。機械手是危險品處理機器人操作過程中直接與彈藥接觸的重要部件，主要用于執行對危險彈藥的夾持、拆除、搬運和放置作業， 機械手工作的穩定性直接決定著彈藥處理的成功率，因此機械手的設計至關重要。

二：機械手

　　1． 結構形式

　　為保證作業的靈活性，機械手設計為由腰身、大臂、小臂、手爪組成，共具有3 個關節（腰身-大臂、大臂-小臂、小臂-手爪）7 個自由度（腰身1dof，大臂1dof，小臂1dof，手腕4dof）。其中：

　　腰身——1 自由度，做旋轉運動。固定安裝在機器人車底盤上，以車體正前方為基準，可分別向左右旋轉約135°（具體可旋轉角度應參考車體駕駛控制室位置確定，以避免機械手向后方旋轉時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。由液壓控制運動，在底部裝有電位計反饋準確位置以保證控制精度。

　　大臂、小臂——各1 自由度，分別相對于前一級關節做上下運動。以車體水平面為基準，大臂可向上運動45o、向下運動30o，小臂可向上運動25o、向下運動60o。由液壓控制運動，用電位計回饋，保證關節位置準確。

　　手爪——4 自由度，分別做上下擺動、旋轉、伸縮、夾持運動。以小臂延長線為基準，手爪可上下擺動±90°，又可以小臂為基準軸旋轉±180°，伸1 米，均采用伺服電機提供動力，通過減速箱減速保證功率需求，由伺服電機控制器控制。有編碼盤反饋，保證位置準確。

　　腰身，大小臂液壓回路有壓力傳感器保護。油壓有穩定裝置。

　　2． 控制系統

　　機械手操作可在視覺傳感器及控制系統的指示、控制下進行粗定位，操作人員能夠憑視圖像進行準確定位、夾持等動作控制。攝像機安裝在機器人車前端以及機械手腕上，以供環境及操作對象的立體圖像和近距離圖像。

　　機械手控制系統由總控制器、液壓控制器、伺服控制器組成，各控制器的控制芯片2407DSP。總控制器通過RS232 總線接收遙控端指令，通過can 總線分配任務給液壓和伺控制器控制機械手各執行機構動作。機械手運動分單軸動和聯動：單軸動是接收上位機發的的步進指令；聯動是接收上位機發送的空間位置，通過運動學計算，轉換成機械手在其座坐標系的坐標，將機械手運動、調整到指定位置和姿態，同時要解決機械手運動與抓取周圍環境的干涉。

　　機械手的手動控制方式如下：遙控端控制面板上有伺服電機控制和液壓控制按鈕，和兩個搖桿，搖桿有上下左右4 個方向，當按下伺服電機控制按鈕后第一個搖桿的上下方向控制旋轉自由度的伺服電機，上左轉，下右轉，同時AD 采樣可采到搖桿的推動幅度來控制輸出電壓，從而控制伺服電機轉速，同理第一個搖桿的左右方向和第二搖桿的兩對方向控制另外三個伺服電機，當按下液壓按鈕時液壓油泵和閥開關打開，同時兩個搖桿有三對方向分別控制液壓的旋轉、大臂、小臂的工作，在每個自由度上都裝有限位開關，限制各動作幅度。

　　3、硬件設計

　　機械手的三塊控制器的控制芯片都為2407DSP，雖然三塊控制器實現的功能不同，但在硬件電路設計時按照DSP 管腳的功能，設計外圍電路如下：

　　（1）PWM 管腳：DSP 的每個事件管理器都有與比較單元相關的PWM 電路，能夠產生六路帶可編程死區和輸出極性的PWM 輸出，但是都是成對輸出的，對于本控制器需要的獨立的輸出，每個事件管理器只有3 路，一個DSP 有兩個事件管理器，可以獨立的輸出6 路PWM 波。液壓控制器需要6 路PWM 波驅動電業比例閥，而伺服電機控制器需要4 路0-5V 的加速器信號調節電機轉速，在設計電路時將這兩種電路設計在一起，并制成印刷電路板，焊板時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