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(jiǎn)要介紹了危險品處理機器人的作用，機械手的結構形式，著(zhù)重從控制系統、硬件設計和軟件設計3 個(gè)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(shí)現。最后給出了實(shí)驗測得的機械手的各項技術(shù)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(yè)，并可攜帶和放置的裝置。該項目的完成將解決長(cháng)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(wèn)題。機械手是危險品處理機器人操作過(guò)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(yè)， 機械手工作的穩定性直接決定著(zhù)彈藥處理的成功率，因此機械手的設計至關(guān)重要。

二：機械手

　　1． 結構形式

　　為保證作業(yè)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(gè)關(guān)節（腰身-大臂、大臂-小臂、小臂-手爪）7 個(gè)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(dòng)。固定安裝在機器人車(chē)底盤(pán)上，以車(chē)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(chē)體駕駛控制室位置確定，以避免機械手向后方旋轉時(shí)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(dòng)，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(guān)節做上下運動(dòng)。以車(chē)體水平面為基準，大臂可向上運動(dòng)45o、向下運動(dòng)30o，小臂可向上運動(dòng)25o、向下運動(dòng)60o。由液壓控制運動(dòng)，用電位計回饋，保證關(guān)節位置準確。

　　手爪——4 自由度，分別做上下擺動(dòng)、旋轉、伸縮、夾持運動(dòng)。以小臂延長(cháng)線(xiàn)為基準，手爪可上下擺動(dòng)±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(dòng)力，通過(guò)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(pán)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(jué)傳感器及控制系統的指示、控制下進(jìn)行粗定位，操作人員能夠憑視圖像進(jìn)行準確定位、夾持等動(dòng)作控制。攝像機安裝在機器人車(chē)前端以及機械手腕上，以供環(huán)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?？偪刂破魍ㄟ^(guò)RS232 總線(xiàn)接收遙控端指令，通過(guò)can 總線(xiàn)分配任務(wù)給液壓和伺控制器控制機械手各執行機構動(dòng)作。機械手運動(dòng)分單軸動(dòng)和聯(lián)動(dòng)：?jiǎn)屋S動(dòng)是接收上位機發(fā)的的步進(jìn)指令；聯(lián)動(dòng)是接收上位機發(fā)送的空間位置，通過(guò)運動(dòng)學(xué)計算，轉換成機械手在其座坐標系的坐標，將機械手運動(dòng)、調整到指定位置和姿態(tài)，同時(shí)要解決機械手運動(dòng)與抓取周?chē)h(huán)境的干涉。

　　機械手的手動(dòng)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(gè)搖桿，搖桿有上下左右4 個(gè)方向，當按下伺服電機控制按鈕后第一個(gè)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(shí)AD 采樣可采到搖桿的推動(dòng)幅度來(lái)控制輸出電壓，從而控制伺服電機轉速，同理第一個(gè)搖桿的左右方向和第二搖桿的兩對方向控制另外三個(gè)伺服電機，當按下液壓按鈕時(shí)液壓油泵和閥開(kāi)關(guān)打開(kāi)，同時(shí)兩個(gè)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(gè)自由度上都裝有限位開(kāi)關(guān)，限制各動(dòng)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(shí)現的功能不同，但在硬件電路設計時(shí)按照DSP 管腳的功能，設計外圍電路如下：

　?。?）PWM 管腳：DSP 的每個(gè)事件管理器都有與比較單元相關(guān)的PWM 電路，能夠產(chǎn)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(gè)事件管理器只有3 路，一個(gè)DSP 有兩個(gè)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(dòng)電業(yè)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(shí)將這兩種電路設計在一起，并制成印刷電路板，焊板時(shí)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(shí)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(jiàn)圖1：

圖1 PWM/電壓輸出電路