CN103203749B - 机械手控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手控制系统及控制方法，机械手控制系统，包括控制机械手运动轨迹的仿真手柄组件；将仿真手柄组件运动状态转化成可识别电信号的电转换装置；控制机械手运动的动力装置；接收电信号、并根据电信号控制动力装置运动的信息处理装置。本发明的技术效果为：仿真手柄电反馈控制仿真机械手，避免了机械手取料时的误差；仿真手柄有旋转功能，仿真机械手安装在车体上，可实现取料时的旋转动作；采用电反馈代替液压反馈，无污染，减少了液压站的空间，设备占地面积小，安装方便，且防止了液压管路的漏油隐患。

Description

机械手控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于机械手领域，涉及一种机械手控制系统及控制方法。

背景技术

随着工业生产的发展，对于机械手取料的精度和工作效率提出了更高的要求，机械手升降和伸缩的动作通常采用双手分别操纵电气手柄的方式或者二位旋钮的方式，这两种方式在机械手升降时，在水平方向存在1米左右的误差，在机械手伸缩时，在垂直方向存在1米的误差，机械手抓取工件的精度降低，需要几次操作才能准确的抓取工件，工作效率低，且机械手的操作对于操作人员的熟练程度有很高的要求，增大了用人成本。

发明内容

为了解决现有技术中机械手控制系统精度差的问题，本发明提供了一种机械手控制系统。

本发明所采用的技术方案是：一种机械手控制系统，包括控制机械手运动轨迹的仿真手柄组件；将仿真手柄组件运动状态转化成可识别电信号的电转换装置；控制机械手运动的动力装置；接收电信号、并根据电信号控制动力装置运动的信息处理装置。

优选的是，所述的仿真手柄组件包括手柄、与手柄连接的连杆结构，所述的连杆结构为伸缩连杆、升降连杆、主连杆与手臂形成的平行四连杆结构，所述的手柄安装在手臂上。

优选的是，所述的电转换装置包括与连杆结构连接的执行装置和仿真手柄运动数据检测装置；所述的执行装置包括由伸缩链轮和伸缩用扇形齿轮构成的伸缩组件和由升降链轮和升降用扇形齿轮构成的升降组件；所述的仿真手柄运动数据检测装置为输出端与伸缩用扇形齿轮啮合的伸缩连杆旋转角度检测装置和输出端与升降用扇形齿轮啮合的升降连杆旋转角度检测装置。

优选的是，所述的动力装置包括与机械手连接的执行结构及检测机械手运动数据并反馈给信息处理装置的机械手运动数据检测装置；所述的执行结构包括与机械手连接的连杆结构、与连杆结构连接的升降油缸和伸缩油缸；所述的连杆结构包括三套平行四连杆结构，分别为：下后臂、下联板、中后臂和下前臂共同构成第一平行四连杆结构，下后臂的一端与下联板的第一端铰接，下联板的第二端和中后臂的一端铰接，铰接轴安装在回转工作台上，中后臂的另一端和下前臂的一端铰接，铰接轴安装在上联板的第一端，下前臂的中间部位与下后臂的另一端铰接；下前臂、联板、上前臂和上联板共同构成第二平行四连杆结构，下前臂的另一端与联板的一端铰接，联板的另一端与上前臂的一端铰接，上前臂的另一端与上联板的第二端铰接；回转工作台、上后臂、上联板和中后臂共同构成第三平行四连杆结构，上后臂的一端与回转工作台铰接，另一端与上联板的第三端铰接；机械手安装在联板上；所述的升降油缸的缸体铰接在回转工作台上，缸杆与下联板的第三端铰接；伸缩油缸的缸体铰接在回转工作台上，缸杆与中后臂的下侧铰接。

优选的是，所述的执行结构还包括安装在回转工作台上并驱动回转工作台旋转的液压马达。

优选的是，所述的机械手运动数据检测装置为安装在升降油缸和伸缩油缸内的位移传感器，或者为安装在与升降油缸和伸缩油缸缸体或缸杆连接的连杆轴向方向上的连杆旋转角度检测装置。

优选的是，所述的信息处理装置包括CPU控制模块、与CPU控制模块连接并接收电信号的比例阀，比例阀分别与电转换装置和动力装置连接；所述的CPU控制模块包括设定值和实际值的偏差运算模块、偏差微分模块、速度PID运算模块、速度与电压的线性补偿模块，所述的偏差运算模块分别连接仿真手柄运动数据检测装置和机械手运动数据检测装置，所述的速度与电压的线性补偿模块连接比例阀；所述的比例阀安装在液压站上，包括升降比例阀、伸缩比例阀；所述的升降油缸的有杆腔连接升降比例阀的B口，所述的升降油缸的无杆腔连接升降比例阀的A口，所述的伸缩油缸的有杆腔连接伸缩比例阀的B口，伸缩油缸的无杆腔连接伸缩比例阀的A口；所述的升降比例阀和伸缩比例阀两个开口处均有压力传感器。

优选的是，所述的比例阀还包括安装在液压站上的回转比例阀，所述的回转比例阀连接液压马达的油口，液压马达上有回转角度检测装置。

本发明还提供了一种机械手控制方法，其步骤为：

1)手柄在外力的作用下做出运动，通过与之连接的连杆结构将运动传递给链轮和齿轮；

2)仿真手柄运动数据检测装置检测链轮和齿轮运动数据，并且反馈给CPU控制模块；

3)CPU控制模块将数据转化为电信号并且通过比例阀控制机械手运动；

4)机械手运动数据检测装置检测机械手运动数据，并且反馈给CPU控制模块；

5)仿真手柄运动数据和机械手运动数据通过CPU控制模块进行运算，输出调整电压，通过比例阀控制机械手运动。

本发明的技术效果为：

1)采用仿真手柄电反馈伺服控制机械手，避免了机械手取料时的误差，可以精确定位，操作人员手臂的运动轨迹与机械手运动轨迹一致，起到仿真效果；

2)仿真手柄有旋转功能，机械手安装在车体上，可以实现取料时的旋转动作；

3)对操作人员水平要求不高，可以代替操作熟练的操作工人，提高了工作效率；

4)采用电反馈代替液压反馈，无污染，减少了液压站的空间，设备占地面积小，安装方便，且防止了液压管路的漏油隐患。

附图说明

图1是本发明机械手控制系统的主视图；

图2是本发明机械手控制系统的左侧视图；

图3是本发明机械手控制系统的俯视图；

图4是本发明机械手仿真控制系统的信息处理装置结构示意图；

图5为本发明仿真机械手的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图1至图5所示，一种机械手控制系统，包括控制机械手运动轨迹的仿真手柄组件；将仿真手柄组件运动状态转化成可识别电信号的电转换装置；控制机械手运动的动力装置；接收电信号、并根据电信号控制动力装置运动的信息处理装置。

仿真手柄组件包括手柄、与手柄连接的连杆结构，连杆结构为伸缩连杆102、升降连杆104、主连杆103与手臂101形成的平行四连杆结构，手柄安装在手臂101上。手柄为可以左右旋转的伺服手柄。

电转换装置包括与连杆结构连接的执行装置和仿真手柄运动数据检测装置；执行装置包括由伸缩链轮127和伸缩用扇形齿轮116构成的伸缩组件和由升降链轮128和升降用扇形齿轮114构成的升降组件；仿真手柄运动数据检测装置为输出端与伸缩用扇形齿轮116啮合的伸缩连杆旋转角度检测装置和输出端与升降用扇形齿轮114啮合的升降连杆旋转角度检测装置，伸缩连杆旋转角度检测装置为伸缩用旋转编码器，升降连杆旋转角度检测装置为升降用旋转编码器。

主连杆103中间部位通过L弯杆105与伸缩链轮127连接，伸缩用扇形齿轮116固定在伸缩链轮127上，伸缩用扇形齿轮116与伸缩用旋转编码器输出端齿轮115啮合，伸缩用旋转编码器输出端齿轮115与伸缩用旋转编码器112同轴相连，伸缩链轮127通过链条与伸缩用伺服电机输出端链轮109相连；升降连杆104通过连接杆106与升降链轮128连接，升降用扇形齿轮114固定在升降链轮128上，升降用扇形齿轮114与升降用旋转编码器输出端齿轮113啮合，升降用旋转编码器输出端齿轮113与升降用旋转编码器111同轴相连，升降链轮128通过链条与升降用伺服电机输出端链轮110相连。

伸缩用扇形齿轮116通过螺栓固定在伸缩链轮127上。

升降用扇形齿轮114通过螺栓固定在升降链轮128上。

动力装置包括与机械手连接的执行结构及检测机械手运动数据并反馈给信息处理装置的机械手运动数据检测装置；执行结构包括与机械手129连接的连杆结构、与连杆结构连接的升降油缸117和伸缩油缸118；连杆结构包括三套平行四连杆结构，分别为：下后臂133的一端与下联板135的第一端铰接，下联板135的第二端和中后臂132的一端铰接，铰接轴安装在回转工作台137上，中后臂132的另一端和下前臂134的一端铰接，铰接轴安装在上联板130的第一端，下前臂134的中间部位与下后臂133的另一端铰接，下后臂133、下联板135、中后臂132和下前臂134共同构成第一平行四连杆结构；下前臂134的另一端与联板136的一端铰接，联板136的另一端与上前臂128的一端铰接，上前臂128的另一端与上联板130的第二端铰接，下前臂134、联板136、上前臂128和上联板130共同构成第二平行四连杆结构；上后臂131的一端与回转工作台137铰接，另一端与上联板130的第三端铰接，回转工作台137、上后臂131、上联板130和中后臂132共同构成第三平行四连杆结构；所述的机械手129安装在联板136上；升降油缸117的缸体铰接在回转工作台137上，缸杆与下联板135的第三端铰接；伸缩油缸118的缸体铰接在回转工作台137上，缸杆与中后臂132的下侧铰接。执行结构还包括安装在回转工作台137上并驱动回转工作台137旋转的液压马达119。

机械手运动数据检测装置为安装在升降油缸117和伸缩油缸118内的位移传感器，或者为安装在与升降油缸117和伸缩油缸118缸体或缸杆连接的连杆轴向方向上的连杆旋转角度检测装置。

安装在与升降油缸117和伸缩油缸118缸体或缸杆连接的连杆轴向方向上的连杆旋转角度检测装置为安装在下联板135第二端的伸缩编码器121、安装在上联板130第一端的升降编码器120。

信息处理装置包括CPU控制模块、与CPU控制模块连接并接收电信号的比例阀，比例阀分别与电转换装置和动力装置连接；CPU控制模块包括设定值和实际值的偏差运算模块、偏差微分模块、速度PID运算模块、速度与电压的线性补偿模块，偏差运算模块分别连接仿真手柄运动数据检测装置和机械手运动数据检测装置，速度与电压的线性补偿模块连接比例阀；比例阀安装在液压站上，包括升降比例阀123、伸缩比例阀124；升降油缸117的有杆腔连接升降比例阀的B口，升降油缸117的无杆腔连接升降比例阀123的A口，伸缩油缸118的有杆腔连接伸缩比例阀124的B口，伸缩油缸118的无杆腔连接伸缩比例阀124的A口；所述的升降比例阀123和伸缩比例阀124两个开口处均有压力传感器。比例阀还包括安装在液压站上的回转比例阀125，回转比例阀125连接液压马达119的油口，液压马达119上有回转角度检测装置，回转角度检测装置为回转编码器122。

机械手控制系统的工作方法，其分解过程为：

1)手臂101向前伸出，升降连杆104保持不动；伸缩连杆102和主连杆103分别绕轴逆时针旋转，主连杆103的转动带动伸缩链轮127和与之固定的伸缩用扇形齿轮116转动，伸缩用旋转编码器输出端齿轮115顺时针转动，伸缩用旋转编码器112同时顺时针转动，伸缩用旋转编码器112和伸缩编码器121的角度差值会反馈给CPU控制模块，根据差值大小，CPU控制模块发出信号控制伸缩比例阀124的开口大小和流量方向，从而控制伸缩油缸118的行程和快慢，伸缩油缸118缸杆伸出，带动与缸杆铰接的中后臂132绕铰接轴顺时针转动，上后臂131同时顺时针转动，带动上联板130、上前臂128、下前臂134、联板136向前运动，从而带动安装在联板136上的机械手129做出前伸动作，实现动作伺服和动作仿真的效果，并实现精确定位。

2)手臂101往上升起，主连杆103保持不动；伸缩连杆102向上运动，带动升降连杆104绕轴逆时针旋转，升降连杆104的转动带动升降链轮128和与之固定的升降用扇形齿轮114转动，升降用旋转编码器输出端齿轮113顺时针转动，升降用旋转编码器111同时顺时针转动，升降用旋转编码器111和升降编码器120的角度差值会反馈给CPU控制模块，根据差值大小，CPU控制模块发出信号控制升降比例阀123的开口大小和流量方向，从而控制升降油缸117的行程和快慢，升降油缸117缸杆伸出，带动与缸杆铰接的下联板135绕铰接轴逆时针转动，下后臂133同时逆时针转动，带动上前臂128、下前臂134、联板136向上运动，从而带动安装在联板136上的机械手129做出上升动作，实现动作伺服和动作仿真的效果，并实现精确定位。

3)手臂101向左旋转，回转反馈编码器116接收旋转角度，回转反馈编码器116和回转编码器122的角度差值反馈给CPU控制模块，根据差值大小，CPU控制模块发出信号控制回转比例阀125的开口大小和流量方向，从而控制液压马达119的运动方向和速度大小，使主机实现回转。

Claims (7)

1.一种机械手控制系统，其特征在于：包括

控制机械手运动轨迹的仿真手柄组件；

将仿真手柄组件运动状态转化成可识别电信号的电转换装置；

控制机械手运动的动力装置；

接收电信号、并根据电信号控制动力装置运动的信息处理装置；

所述的仿真手柄组件包括手柄、与手柄连接的连杆结构，所述的连杆结构为伸缩连杆、升降连杆、主连杆与手臂形成的平行四连杆结构，所述的手柄安装在手臂上；

所述的电转换装置包括与连杆结构连接的执行装置和仿真手柄运动数据检测装置；

所述的执行装置包括由伸缩链轮和伸缩用扇形齿轮构成的伸缩组件和由升降链轮和升降用扇形齿轮构成的升降组件；

所述的仿真手柄运动数据检测装置为输出端与伸缩用扇形齿轮啮合的伸缩连杆旋转角度检测装置和输出端与升降用扇形齿轮啮合的升降连杆旋转角度检测装置；

主连杆中间部位通过L弯杆与伸缩链轮连接，伸缩用扇形齿轮固定在伸缩链轮上，伸缩用扇形齿轮与伸缩用旋转编码器输出端齿轮啮合，伸缩用旋转编码器输出端齿轮与伸缩用旋转编码器同轴相连，伸缩链轮通过链条与伸缩用伺服电机输出端链轮相连；升降连杆通过连接杆与升降链轮连接，升降用扇形齿轮固定在升降链轮上，升降用扇形齿轮与升降用旋转编码器输出端齿轮啮合，升降用旋转编码器输出端齿轮与升降用旋转编码器同轴相连，升降链轮通过链条与升降用伺服电机输出端链轮相连。

2.如权利要求1所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的动力装置包括与机械手连接的执行结构及检测机械手运动数据并反馈给信息处理装置的机械手运动数据检测装置；

所述的执行结构包括与机械手连接的连杆结构、与连杆结构连接的升降油缸和伸缩油缸；

所述的与机械手连接的连杆结构包括三套平行四连杆结构，分别为：下后臂、下联板、中后臂和下前臂共同构成第一平行四连杆结构，下后臂的一端与下联板的第一端铰接，下联板的第二端和中后臂的一端铰接，铰接轴安装在回转工作台上，中后臂的另一端和下前臂的一端铰接，铰接轴安装在上联板的第一端，下前臂的中间部位与下后臂的另一端铰接；下前臂、联板、上前臂和上联板共同构成第二平行四连杆结构，下前臂的另一端与联板的一端铰接，联板的另一端与上前臂的一端铰接，上前臂的另一端与上联板的第二端铰接；回转工作台、上后臂、上联板和中后臂共同构成第三平行四连杆结构，上后臂的一端与回转工作台铰接，另一端与上联板的第三端铰接；机械手安装在联板上；

所述的升降油缸的缸体铰接在回转工作台上，缸杆与下联板的第三端铰接；伸缩油缸的缸体铰接在回转工作台上，缸杆与中后臂的下侧铰接。

3.如权利要求2所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的执行结构还包括安装在回转工作台上并驱动回转工作台旋转的液压马达。

4.如权利要求2所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的机械手运动数据检测装置为安装在升降油缸和伸缩油缸内的位移传感器，或者为安装在下联板和中后臂的轴向方向上的连杆旋转角度检测装置。

5.如权利要求4所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的信息处理装置包括CPU控制模块、与CPU控制模块连接并接收电信号的比例阀，比例阀分别与电转换装置和动力装置连接；

所述的CPU控制模块包括设定值和实际值的偏差运算模块、偏差微分模块、速度PID运算模块、速度与电压的线性补偿模块，所述的偏差运算模块分别连接仿真手柄运动数据检测装置和机械手运动数据检测装置，所述的速度与电压的线性补偿模块连接比例阀；

所述的比例阀安装在液压站上，包括升降比例阀、伸缩比例阀；所述的升降油缸的有杆腔连接升降比例阀的B口，所述的升降油缸的无杆腔连接升降比例阀的A口，所述的伸缩油缸的有杆腔连接伸缩比例阀的B口，伸缩油缸的无杆腔连接伸缩比例阀的A口；所述的升降比例阀和伸缩比例阀两个开口处均有压力传感器。

6.如权利要求5所述的机械手控制系统，其特征在于：

所述的比例阀还包括安装在液压站上的回转比例阀，所述的回转比例阀连接液压马达的油口，液压马达上有回转角度检测装置。

7.采用如权利要求6所述机械手控制系统控制机械手的方法，其特征在于：

1)手柄在外力的作用下做出运动，通过与之连接的连杆结构将运动传递给链轮和齿轮；

2)仿真手柄运动数据检测装置检测链轮和齿轮运动数据，并且反馈给CPU控制模块；

3)CPU控制模块将数据转化为电信号并且通过比例阀控制机械手运动；

4)机械手运动数据检测装置检测机械手运动数据，并且反馈给CPU控制模块；

5)仿真手柄运动数据和机械手运动数据通过CPU控制模块进行运算，输出调整电压，通过比例阀控制机械手运动。