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一：系統(tǒng)概述 危險(xiǎn)品處理機(jī)器人是用于危險(xiǎn)彈藥（一般在野外）夾持、拔出、搬運(yùn)和放置作業(yè)，并可攜帶和放置的裝置。該項(xiàng)目的完成將解決長期困擾我軍的事故炮彈、戰(zhàn)爭遺留彈等危險(xiǎn)彈藥安全處理問題。機(jī)械手是危險(xiǎn)品處理機(jī)器人操作過程中直接與彈藥接觸的重要部件，主要用于執(zhí)行對危險(xiǎn)彈藥的夾持、拆除、搬運(yùn)和放置作業(yè)， 機(jī)械手工作的穩(wěn)定性直接決定著彈藥處理的成功率，因此機(jī)械手的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 二：機(jī)械手 1． 結(jié)構(gòu)形式 為保證作業(yè)的靈活性，機(jī)械手設(shè)計(jì)為由腰身、大臂、小臂、手爪組成，共具有3 個(gè)關(guān)節(jié)（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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。固定安裝在機(jī)器人車底盤上，以車體正前方為基準(zhǔn)，可分別向左右旋轉(zhuǎn)約135°（具體可旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)參考車體駕駛控制室位置確定，以避免機(jī)械手向后方旋轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)，在底部裝有電位計(jì)反饋準(zhǔn)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(jié)做上下運(yùn)動(dòng)。以車體水平面為基準(zhǔn)，大臂可向上運(yùn)動(dòng)45o、向下運(yùn)動(dòng)30o，小臂可向上運(yùn)動(dòng)25o、向下運(yùn)動(dòng)60o。由液壓控制運(yùn)動(dòng)，用電位計(jì)回饋，保證關(guān)節(jié)位置準(zhǔn)確。 手爪——4 自由度，分別做上下擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、伸縮、夾持運(yùn)動(dòng)。以小臂延長線為基準(zhǔn)，手爪可上下擺動(dòng)±90°，又可以小臂為基準(zhǔn)軸旋轉(zhuǎn)±180°，伸1 米，均采用伺服電機(jī)提供動(dòng)力，通過減速箱減速保證功率需求，由伺服電機(jī)控制器控制。有編碼盤反饋，保證位置準(zhǔn)確。 腰身，大小臂液壓回路有壓力傳感器保護(hù)。油壓有穩(wěn)定裝置。 2． 控制系統(tǒng) 機(jī)械手操作可在視覺傳感器及控制系統(tǒng)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(zhǔn)確定位、夾持等動(dòng)作控制。攝像機(jī)安裝在機(jī)器人車前端以及機(jī)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(jī)械手控制系統(tǒng)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(wù)給液壓和伺控制器控制機(jī)械手各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分單軸動(dòng)和聯(lián)動(dòng)：單軸動(dòng)是接收上位機(jī)發(fā)的的步進(jìn)指令；聯(lián)動(dòng)是接收上位機(jī)發(fā)送的空間位置，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，轉(zhuǎn)換成機(jī)械手在其座坐標(biāo)系的坐標(biāo)，將機(jī)械手運(yùn)動(dòng)、調(diào)整到指定位置和姿態(tài)，同時(shí)要解決機(jī)械手運(yùn)動(dòng)與抓取周圍環(huán)境的干涉。 機(jī)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(jī)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(dāng)按下伺服電機(jī)控制按鈕后第一個(gè)搖桿的上下方向控制旋轉(zhuǎn)自由度的伺服電機(jī)，上左轉(zhuǎn)，下右轉(zhuǎn)，同時(shí)A\D 采樣可采到搖桿的推動(dòng)幅度來控制輸出電壓，從而控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)，當(dāng)按下液壓按鈕時(shí)液壓油泵和閥開關(guān)打開，同時(shí)兩個(gè)搖桿有三對方向分別控制液壓的旋轉(zhuǎn)、大臂、小臂的工作，在每個(gè)自由度上都裝有限位開關(guān)，限制各動(dòng)作幅度。 3、硬件設(shè)計(jì) 機(jī)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(xiàn)的功能不同，但在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)按照DSP 管腳的功能，設(shè)計(jì)外圍電路如下： （1）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(qū)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(dú)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(dú)立的輸出6 路PWM 波。液壓控制器需要6 路PWM 波驅(qū)動(dòng)電業(yè)比例閥，而伺服電機(jī)控制器需要4 路0-5V 的加速器信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在設(shè)計(jì)電路時(shí)將這兩種電路設(shè)計(jì)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(yùn)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 （2）I\O 口：DSP 的數(shù)字I/O 口模塊具有控制專用I/O 和復(fù)用引腳的功能，可以輸出輸入高低電平信號(hào)，根據(jù)其功能將其設(shè)計(jì)成開關(guān)量輸出，輸入，并用其控制繼電器，作為控的開關(guān)。開關(guān)量輸入只要用電阻分壓即可，開關(guān)量輸出使用光耦隔離，本設(shè)計(jì)用的光耦PC817，比較適合DSP 使用。當(dāng)DSP 輸出高電平時(shí)繼電器吸合，CNETA1 和CNETA2 兩腳導(dǎo)通繼電器電路圖見圖2： 圖2 繼電器電路圖 （3）QEP 電路：DSP 的每個(gè)時(shí)間管理器都有一個(gè)正交編碼器脈沖（QEP）電路。當(dāng)QEP電路被使能時(shí)可以對CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2（對于EVA 模塊）引腳上的正交編碼輸入脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)。正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率。伺服電機(jī)控制器需要使用QEP 電路，由于一個(gè)伺服電機(jī)控制器需要控制4 臺(tái)伺服電機(jī)，所以碼盤信號(hào)使用74153 芯片選擇輸入，同時(shí)碼盤的每路信號(hào)都有正負(fù)兩根線通過運(yùn)放放大后再到74153 選擇后輸入DSP，碼盤選擇電路見圖3： 圖3 碼盤選擇電路 其中W/R#/IOPC0 為使能信號(hào)，XINT1/IOPA2 和XINT2/ADCSOC/IOPDO 構(gòu)成選擇信號(hào)，74153 通過選擇信號(hào)的選擇碼選擇一對信號(hào)從7 腳和9 腳輸出給DSP。其他硬件電路設(shè)計(jì)包括電源、串口、CAN 總線和DSP 外圍接線等都是典型的設(shè)計(jì)。 4、軟件設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制的三塊控制器之間的DSP 通過CAN 總線進(jìn)行通信。總體設(shè)計(jì)思想是使用一塊DSP 作為總控制器通過RS232 總線接收遙控端的指令，并通過CAN 總線將相應(yīng)的指令發(fā)送給液壓、伺服控制器中的DSP，從而實(shí)現(xiàn)其控制。液壓控制系統(tǒng)用于控制回轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)以及大臂、小臂的升降。該系統(tǒng)通過一塊DSP的CAN 模塊接收總控制器發(fā)出的指令，并根據(jù)接收到的指令產(chǎn)生相應(yīng)的6 路PWM 信號(hào)以控制電液比例閥的6 路輸出。其中每兩路控制一個(gè)動(dòng)作的兩個(gè)方向，有3 路I\O 口控制繼電器的開關(guān)來控制泵，溢流閥，以及電源的開關(guān)，同時(shí)將位置傳感器的回饋信號(hào)經(jīng)過A/D 采樣返回給DSP，進(jìn)行的死循環(huán)控制。 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)用于控制伸縮臂的伸縮，手爪的旋轉(zhuǎn)、俯仰以及夾持操作。該控制器通過CAN 總線接收總控制器指令并根據(jù)指令控制兩路獨(dú)立的PWM 輸出，通過硬件電路轉(zhuǎn)化成0-5V 輸出，作為加速信號(hào)，通過I\O 口控制電機(jī)的電源以及換向。通過碼盤和轉(zhuǎn)角傳感器的回饋信號(hào)經(jīng)過A/D 采樣返回給DSP，從而實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的死循環(huán)。 三、結(jié)束語 整個(gè)機(jī)器人車現(xiàn)在已完成，經(jīng)過一個(gè)月的安裝調(diào)試，機(jī)械手完全符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)： 最大作業(yè)幅度約2.5m； 最大作業(yè)深度：地下1m； 最大作業(yè)幅度下夾持提升力≤80kg； 最大夾持彈藥直徑160mm； 目前國內(nèi)還沒有這種專業(yè)的處理危險(xiǎn)品的機(jī)器人批量生產(chǎn)，本產(chǎn)品的成功完成為將來的批量生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，市場潛力巨大。 |
