一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)，直流電機(jī)與齒輪泵相連，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，控制機(jī)構(gòu)包括上位機(jī)，上位機(jī)通過USB接口與下位機(jī)相連，三位四通電磁換向閥的進(jìn)油管路和出油管路上裝有壓力變送器，壓力變送器與信號采集卡相連，電位傳感器與信號采集卡相連，信號采集卡進(jìn)一步與上位機(jī)相連，上位機(jī)與電機(jī)驅(qū)動器之間通過CAN總線通信模塊連接。本發(fā)明專利技術(shù)對進(jìn)油口、出油口壓力值的檢測并相應(yīng)調(diào)節(jié)PWM占空比，對液壓驅(qū)動液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度、進(jìn)油口和出油口壓力的實時檢測，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行適時調(diào)節(jié)，從而形成閉環(huán)反饋回路，保證轉(zhuǎn)動過程的平穩(wěn)性，實現(xiàn)了運(yùn)動控制的精確性。

Robot hydraulic drive rotary joint closed loop control system and control method

The invention discloses a hydraulic driven rotary joint robot closed-loop control system and control method, the driving mechanism comprises a DC motor, DC motor is connected with the gear pump, the actuating mechanism comprises a hydraulic rotary joint, the control mechanism comprises a host computer, the host computer is connected through the USB interface and PC, three position four way electromagnetic valve of the oil inlet the pipeline and an oil pipeline is provided with a pressure transmitter, pressure transmitter and signal acquisition card connected to a potentiometric sensor and signal acquisition card connected to the signal acquisition card for further connected with the host computer, which are connected by CAN bus communication module and the PC drive motor. The invention of the oil inlet and an oil outlet pressure detection value and corresponding adjusting the PWM duty cycle, the hydraulic driven hydraulic rotary joint real-time detection of the rotation angle and the oil inlet and outlet pressure, the motor speed is adjustable, so as to form a closed-loop feedback loop, smooth rotation process, realize the accuracy of the motion control.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)及控制方法
本專利技術(shù)屬于機(jī)器人控制
，具體地，本專利技術(shù)涉及一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)及控制方法。
技術(shù)介紹
轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)是目前工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種關(guān)節(jié)。一般轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)多采用電機(jī)直接驅(qū)動，而通過液壓驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)較少。由于液壓傳動存在泄漏、傳動液可壓縮等問題，使得對其運(yùn)動難以做到精確控制。而且，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時容易產(chǎn)生沖擊。傳統(tǒng)方法多采用電磁比例控制閥來對流量進(jìn)行控制，但電磁比例控制閥價格昂貴，且高端產(chǎn)品多為外國所壟斷，導(dǎo)致控制成本較高。因此目前亟需一種控制成本低廉且位置控制精確、運(yùn)動平穩(wěn)性較好的控制系統(tǒng)及其方法。專利申請?zhí)枮?01310567608.8中國專利技術(shù)專利公開了一種基于液壓控制方式的閉環(huán)力控制系統(tǒng)及控制方法，根據(jù)所述控制器模塊獲取力閉環(huán)控制參數(shù)及執(zhí)行所述語音信號，并對根據(jù)所述控制參數(shù)設(shè)定液壓缸輸出步進(jìn)量及判斷是否進(jìn)行輸出力控制，若是，所述DSP模塊采樣所述反饋測量元件檢測的拉拽力，并將所述拉拽力的大小作為力閉環(huán)控制算法的力反饋值，所述DSP模塊再根據(jù)所述語音模塊獲取力閉環(huán)控制參數(shù)及所述力反饋值進(jìn)行增量PI計算，并將計算后的值作為液壓控制元件的輸入值。該專利技術(shù)能提供的閉環(huán)力控制系統(tǒng)及控制方法可以在小臂骨折手術(shù)中為患者提供安全可靠地拉拽力，但是該專利技術(shù)在力輸出控制中動作平穩(wěn)性較差。專利申請?zhí)枮?01410119355.2公開了一種機(jī)器人轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置，包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)與執(zhí)行輸出機(jī)構(gòu)；驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)與液壓泵，執(zhí)行輸出機(jī)構(gòu)包括平行設(shè)置的兩組液壓缸，兩組液壓缸的活塞間連接有擺桿，在兩端活塞的帶動下擺桿能夠以其回轉(zhuǎn)中心擺動；機(jī)器人部件連接于擺桿的回轉(zhuǎn)中心處并隨擺桿的擺動而轉(zhuǎn)動；驅(qū)動裝置還包括檢測模塊、處理模塊與電機(jī)控制器。通過采用伺服電機(jī)驅(qū)動液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出，輸出功率大，可有效解決轉(zhuǎn)動作業(yè)機(jī)器人需要大功率、緊湊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的需求。通過采用單向軸承傳動，實現(xiàn)傳動軸的間歇性單向周轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過采用變送器與放大器的配合作用，有效調(diào)整機(jī)器人部件的轉(zhuǎn)動量，但是該專利技術(shù)在力輸出控制中動作平穩(wěn)性較差。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本專利技術(shù)提供一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，電源模塊為系統(tǒng)供電，驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)，直流電機(jī)與齒輪泵相連，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，控制機(jī)構(gòu)包括上位機(jī)，控制系統(tǒng)還包括電機(jī)驅(qū)動器、信號采集卡、三位四通電磁換向閥，上位機(jī)通過USB接口與下位機(jī)相連，齒輪泵與三位四通電磁換向閥相連，三位四通電磁換向閥的油路與液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)相連，三位四通電磁換向閥的進(jìn)油管路和出油管路上裝有壓力變送器，壓力變送器與信號采集卡相連，液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)上設(shè)有電位傳感器，電位傳感器與信號采集卡相連，信號采集卡進(jìn)一步與上位機(jī)相連，上位機(jī)與電機(jī)驅(qū)動器之間通過CAN總線通信模塊連接。優(yōu)選的是，所述信號采集卡與上位機(jī)之間通過RS232轉(zhuǎn)USB模塊連接，RS232轉(zhuǎn)USB模塊一端與信號采集卡相連，另一端與上位機(jī)的USB接口相連。上述任一方案優(yōu)選的是，所述電機(jī)通過聯(lián)軸器與齒輪泵相連，齒輪泵的輸出流量模型為Q＝q*n*v/60。(上式各字母代表：Q：流量；q：齒輪泵平均每轉(zhuǎn)流量(ml/轉(zhuǎn))，q和齒輪的結(jié)構(gòu)相關(guān)；n：齒輪泵轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分鐘)；v：容積效率)。上述任一方案優(yōu)選的是，所述齒輪泵的輸出油路與三位四通電磁換向閥相連。上述任一方案優(yōu)選的是，所述壓力變送器連接到電磁換向閥的進(jìn)油口管路和出油口管路，分別為進(jìn)油口壓力變送器、出油口壓力變動器，用于測量液壓系統(tǒng)進(jìn)油管路與出油管路的壓力值，分別將管路油液的壓力值轉(zhuǎn)換成模擬電信號并發(fā)送至信號采集卡。上述任一方案優(yōu)選的是，進(jìn)油口壓力變送器和進(jìn)油口溢流閥均連接在進(jìn)油口管路上，進(jìn)油口溢流閥為進(jìn)油口管路提供過載保護(hù)；出油口壓力變送器和出油口溢流閥均連接于出油口管路上，出油口溢流閥為出油口管路提供一定的背壓。上述任一方案優(yōu)選的是，所述電磁換向閥用于在液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)到達(dá)目標(biāo)位置后轉(zhuǎn)換至中位機(jī)能，實現(xiàn)進(jìn)油口和出油口的鎖死，保證位置的鎖定，當(dāng)液壓驅(qū)動關(guān)節(jié)需要改變轉(zhuǎn)動方向時，電磁換向閥通過閥位置的移動來改變液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的進(jìn)、出油口。上述任一方案優(yōu)選的是，所述電位傳感器用于檢測液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的位置并送至信號采集卡。上述任一方案優(yōu)選的是，所述信號采集卡將壓力變送器以及電位傳感器傳送的壓力值和液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)位置傳送至上位機(jī)。上述任一方案優(yōu)選的是，所述上位機(jī)收到進(jìn)油口和出油口壓力值后，計算壓力差△P，根據(jù)壓力差△P，判斷負(fù)載是否發(fā)生變化，并根據(jù)負(fù)載的變化實時調(diào)整用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM的占空比D的值，上位機(jī)將占空比D的值通過CAN總線通信模塊發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動器，電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)得到的PWM值控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。上述任一方案優(yōu)選的是，所述壓力差△P的計算公式為△P＝Pi—Po，Pi為進(jìn)油口壓力值，Po為出油口壓力值。上述任一方案優(yōu)選的是，所述PWM中占空比D與壓力差△P的關(guān)系式為：D＝κ△P(κ為比例系數(shù))，當(dāng)壓力差△P增大，說明負(fù)載增大，需使電機(jī)加速，上位機(jī)將占空比D相應(yīng)增大，并將其發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動器，電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)加速，以適應(yīng)負(fù)載的瞬時增大。上述任一方案優(yōu)選的是，所述上位機(jī)接收到液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的位置信息后，根據(jù)所到達(dá)的實際位置和目標(biāo)位置進(jìn)行對比判斷，若位置一致，說明液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)已到達(dá)指定位置，此次任務(wù)結(jié)束，如果不一致，則繼續(xù)執(zhí)行制定程序。上述任一方案優(yōu)選的是，上位機(jī)計算壓力變送器檢測到的進(jìn)油口壓力值與出油口壓力值的差值，當(dāng)壓力差增大時，說明負(fù)載增大，上位機(jī)增大PWM占空比D，電機(jī)加速以適應(yīng)負(fù)載的增大；當(dāng)壓力差減小時，說明負(fù)載減小，上位機(jī)減小PWM占空比D，電機(jī)減速以適應(yīng)負(fù)載的減小，上位機(jī)對電位傳感器檢測到的液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)當(dāng)前位置與目標(biāo)位置實時進(jìn)行比較，當(dāng)兩者一致時，上位機(jī)控制電磁換向閥轉(zhuǎn)至中位機(jī)能，從而實現(xiàn)位置的鎖定。本專利技術(shù)還提供一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：步驟1：啟動直流電機(jī)，直流電機(jī)按照默認(rèn)PWM占空比D轉(zhuǎn)動；步驟2：上位機(jī)根據(jù)電位傳感器返回的當(dāng)前位置與所要到達(dá)的目標(biāo)位置，判斷液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動方向；步驟3：上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)命令，控制電磁換向閥的閥體移動至相應(yīng)位置，進(jìn)油口、出油口打開，液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)開始轉(zhuǎn)動；步驟4：上位機(jī)根據(jù)進(jìn)油口壓力變送器和出油口壓力變送器返回的壓力值計算壓力差△P，調(diào)整PWM占空比D；步驟5：直流電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)最新的占空比D實現(xiàn)直流電機(jī)的加速或減速；步驟6：上位機(jī)根據(jù)電位傳感器返回的液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)位置信息實時判斷液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)是否到達(dá)目標(biāo)位置，若到達(dá)，則執(zhí)行步驟7，否則執(zhí)行步驟4；步驟7：上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送指令，控制電磁換向閥閥體移動至中位機(jī)能，進(jìn)油口、出油口鎖死，液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)位置鎖定，一次任務(wù)結(jié)束；步驟8：直流電機(jī)保持轉(zhuǎn)動，進(jìn)油口溢流閥溢流，等待下一次任務(wù)。有益效果本專利技術(shù)提供一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)及控制方法，通過對進(jìn)油口、出油口壓力值的檢測并相應(yīng)調(diào)節(jié)PWM占空比D，對液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度、進(jìn)油口和出油口壓力的實時檢測，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行適時調(diào)節(jié)，從而形成閉環(huán)反饋回路，實現(xiàn)液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)對負(fù)載變化的及時適應(yīng)性調(diào)整，保證轉(zhuǎn)動過程的平穩(wěn)性，通過對位置信息的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，電源模塊為系統(tǒng)供電，其特征在于：驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)，直流電機(jī)與齒輪泵相連，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，控制機(jī)構(gòu)包括上位機(jī)，控制系統(tǒng)還包括電機(jī)驅(qū)動器、信號采集卡、三位四通電磁換向閥，上位機(jī)通過USB接口與下位機(jī)相連，齒輪泵與三位四通電磁換向閥相連，三位四通電磁換向閥的油路與液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)相連，三位四通電磁換向閥的進(jìn)油管路和出油管路上裝有壓力變送器，壓力變送器與信號采集卡相連，液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)上設(shè)有電位傳感器，電位傳感器與信號采集卡相連，信號采集卡進(jìn)一步與上位機(jī)相連，上位機(jī)與電機(jī)驅(qū)動器之間通過CAN總線通信模塊連接。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)，電源模塊為系統(tǒng)供電，其特征在于：驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)，直流電機(jī)與齒輪泵相連，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，控制機(jī)構(gòu)包括上位機(jī)，控制系統(tǒng)還包括電機(jī)驅(qū)動器、信號采集卡、三位四通電磁換向閥，上位機(jī)通過USB接口與下位機(jī)相連，齒輪泵與三位四通電磁換向閥相連，三位四通電磁換向閥的油路與液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)相連，三位四通電磁換向閥的進(jìn)油管路和出油管路上裝有壓力變送器，壓力變送器與信號采集卡相連，液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)上設(shè)有電位傳感器，電位傳感器與信號采集卡相連，信號采集卡進(jìn)一步與上位機(jī)相連，上位機(jī)與電機(jī)驅(qū)動器之間通過CAN總線通信模塊連接。2.如權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述信號采集卡與上位機(jī)之間通過RS232轉(zhuǎn)USB模塊連接，RS232轉(zhuǎn)USB模塊一端與信號采集卡相連，另一端與上位機(jī)的USB接口相連，信號采集卡將壓力變送器以及電位傳感器傳送的壓力值和液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)位置傳送至上位機(jī)。3.如權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述壓力變送器連接到電磁換向閥的進(jìn)油口管路和出油口管路，分別為進(jìn)油口壓力變送器、出油口壓力變動器，用于測量液壓系統(tǒng)進(jìn)油管路與出油管路的壓力值，分別將管路油液的壓力值轉(zhuǎn)換成模擬電信號并發(fā)送至信號采集卡。4.如權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述電磁換向閥用于在液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)到達(dá)目標(biāo)位置后轉(zhuǎn)換至中位機(jī)能，實現(xiàn)進(jìn)油口和出油口的鎖死，保證位置的鎖定，當(dāng)液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)需要改變轉(zhuǎn)動方向時，電磁換向閥通過閥位置的移動來改變液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的進(jìn)、出油口。5.如權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述電位傳感器用于檢測液壓轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的位置并送至信號采集卡。6.如權(quán)利要求3所述的一種機(jī)器人液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于：所述上位機(jī)收到進(jìn)油口和出油口壓力值后，計算壓力差△P＝Pi—Po，Pi為進(jìn)油口壓力值，Po為出油口壓力值。根據(jù)壓力差△P，判斷負(fù)載是否發(fā)生變化，并根據(jù)負(fù)載的變化實時調(diào)整用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM的占空比D的值，上位機(jī)將占空比D的值通過CAN總線通信模塊發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動器...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陶永，胡磊，房增亮，孫貝，高進(jìn)芃，
申請(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11