4自由度電液伺服控制機械手力控制系統(tǒng)設(shè)計
4自由度電液伺服控制機械手力控制系統(tǒng)設(shè)計,4自由度電液伺服控制機械手力控制系統(tǒng)設(shè)計,自由度,伺服,控制,節(jié)制,機械,手力,控制系統(tǒng),設(shè)計
中文摘要
隨著對海底、地下資源和宇宙空間的合理開發(fā)和利用，高溫、高壓、強輻射、窒息等極限環(huán)境的作業(yè)將經(jīng)常遇到，在這種人們難以靠近或非常危險的場所，由處在安全場所的操作者通過一種有效的通信系統(tǒng)操縱機械手進(jìn)入危險的場所進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，把人從惡劣、危險的作業(yè)環(huán)境中替換出來。這種操作方式正作為一種有效的手段被開發(fā)利用。隨著社會的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對遙操作機器人提出了越來越高的要求，具有無線通信的遙操作機器人系統(tǒng)將在未來的生活及特殊領(lǐng)域的工作中發(fā)揮其得天獨厚的和無可替代的作用，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、液壓缸等機械器件組成；電氣方面有驅(qū)動模塊、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、氣動技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機電一體化的典型代表儀器之一。本課題開發(fā)的機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。
關(guān)鍵詞：機械手 遙操作 力反饋 工程機器人 電液伺服系統(tǒng)
Abstract
With the reasonable exploitation and use of the submarine and underground resources and the space in the universe, we have to be faced with the extreme environment such as high temperature, heavy pressure, heavy radiation or suffocation. In order to do work in these difficult-to-approach or dangerous places, the operators can do it far by an effective telecommunication system----remotely controlling a robot, freeing human workers from these dangerous working environments. This operating method is being exploited as a means of effective one. With the development of society and economy, there are more and more demands for the remotely-controlled robot. The tele-robot system will be of unique superiority in the future life and certain special fields. And it should have great effect on society and economy. The robot arm is the traditional task-operating component in the industrial robot system, and is one of the key components. The machine structure consists of the bead curl pole, slippery pole and cylinder. This equipment is composed of the programmable control technique, the position control technique, air driving technique, the monitor technique, and is one of the typical representation of the integration of mechanism and electricity. This topic draw up the material porterage the machine hand of the development and can grasp to put the object in the space, act vivid and diverse, the commutability artificial carries on the task in the area of the heat and danger, and at any time change the related parameter according to the difference of the workplace and the request of the product processes.
Keywords：Robot manipulator Tele-operation Force feedback
Construction Robot Electro-hydraulic servo system
目 錄
第一章 緒 論 1
1.1 課題背景 1
1.2 設(shè)計任務(wù)及要求 7
第二章 四自由度機械手的運動學(xué)分析 9
2.1 四自由度機械手連桿的幾何參數(shù) 9
2.2 機械手的連桿坐標(biāo)系 12
2.3 四自由度機械手的動力學(xué) 13
第三章 機械手電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 14
3.1 系統(tǒng)組成 14
3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計 14
第四章 機械手齒輪與鍵的設(shè)計計算 18
4.1 齒輪的設(shè)計計算 18
4.2 鍵聯(lián)接強度設(shè)計計算 22
第五章 機械手力信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計 24
5.1 雙向伺服控制理論 24
5.2 實驗方案 26
5.3 力反饋控制系統(tǒng) 27
5.4 信號采集與處理 28
5.5 壓力傳感器完整電路 34
第六章 機械手力信號電氣電路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計 36
6.1 電氣原理方案設(shè)計 36
6.2 電氣元件的選擇 36
6.3 PID控制算法 40
6.4 A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路的連接 42
6.5 A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路程序設(shè)計 45
致 謝 48
參考文獻(xiàn) 49
附 錄 51
III
吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書
第一章 緒 論
1.1 課題背景
遙操作機器人技術(shù)是二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來的重要課題之一，在工業(yè)、海洋開發(fā)、醫(yī)療等領(lǐng)域中取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。遙操作機器人已成為人類的得力助手，美國、俄羅斯、德國、日本等國紛紛開展遙控機器人的研究，并已取得了良好的應(yīng)用效果，顯示了它在技術(shù)領(lǐng)域的巨大作用。我國于八十年代末開始遙控機器人的研制，并已取得了階段性進(jìn)展。遙操作機器人主要應(yīng)用于人們難以靠近的高溫、高壓、強輻射、窒息等極限環(huán)境。其工作原理是，操作者處于安全處，通過力反饋操縱桿操作現(xiàn)場工作的機器人，機器人上安裝有攝像頭及抓取力和工作阻力的傳感器，根據(jù)操縱手柄上的反饋力，操作者可以判斷出被抓取物的軟硬以及工作阻力的大小，視頻系統(tǒng)將作業(yè)現(xiàn)場的圖像傳回到操作者面前的屏幕上，為操作者提供視覺反饋，這種具有高度臨場感提示的操作方式與單純依靠從現(xiàn)場傳來的視覺圖像而進(jìn)行的遙控操作相比，可大大提高工作效率，將在未來搶險及特殊領(lǐng)域的工作中發(fā)揮其得天獨厚的和無可替代的作用。
遙操作機器人（Telerobot）是指在人的操作下能在人難以接近或?qū)θ擞泻Φ沫h(huán)境中，完成比較復(fù)雜操作的一種遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)。遙控機器人系統(tǒng)一般需具有以下4種功能：操作功能、感知功能、通訊功能和決策功能。自從遙控操作機器人問世以來，就得到廣泛的關(guān)注，尤其在核工業(yè)等危險場所得到廣泛使用。目前典型的遙控機器人系統(tǒng)由下述幾部分組成：主-從機械手、運動載體監(jiān)視觀察系統(tǒng)及傳感器系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)等，復(fù)雜一點的還具有主-從遙操作和半自主遙操作兩種工作方式，如圖1-1所示。工業(yè)機器人的最早研究開始于二十世紀(jì)四十年代后期，那時美國橡樹嶺和阿爾貢國家實驗室就已開始實施計劃，研制遙控式機械手，用于搬運放射性材料。這些系統(tǒng)是“主-從”型的，用于準(zhǔn)確地“模仿”操作員手和臂的動作。主機械手由操作員進(jìn)行引導(dǎo)做一連串動作，而從機械手盡可能準(zhǔn)確地模仿主機械手的動作，后來機械耦合主-從機械手的動作加入力反饋，使操作員能夠感覺到從機械手與其環(huán)境之間產(chǎn)生的力。二十世紀(jì)五十年代中期，機械手的機械耦合被電和液壓裝置取代，如通用電氣公司的“巧手人”和通用制造廠的“怪物”I型機器人。主-從機械手出現(xiàn)之后不久，很快就開始研究能自主、重復(fù)操作的更復(fù)雜的系統(tǒng)。
圖1-1 典型遙控機器人工作方式
在二十世紀(jì)五十年代中期，喬治·C·德沃爾研制出了一套“編程的關(guān)節(jié)式傳送裝置”。它是一個機械手，其操作可被編程，而且可按照程序指令所確定的動作步驟順序工作。對這一原理，德沃爾和約瑟夫·F·恩格爾伯格進(jìn)行了更深入的研究，從而產(chǎn)生了由Unimation公司于1959年推出的第一臺工業(yè)機器人。它的關(guān)鍵是計算機與機械手配合使用，從而成為一臺可“示教”而自動完成各種任務(wù)的機器人。現(xiàn)在的遙操作機器人與50多年前第一臺主-從機械手有了很大的不同，它與臨場感技術(shù)結(jié)合在一起使得機器人與人有機地結(jié)合起來，能夠恰到好處地發(fā)揮出機器人與人各自的特長，機器人代替人去危險或人不可能到達(dá)的區(qū)域去工作，而人的判斷能力和決策水平又明顯地提高了系統(tǒng)的整體智能水平，這使操作人員操縱遙控機器人能夠完成未知或變化環(huán)境下的精確操作任務(wù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的遙控機器人的研究逐漸發(fā)展起來，改變了互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)男畔⒅皇侨祟愐曈X和聽覺可以感知的文字、圖像和聲音等信息的局面，使互聯(lián)網(wǎng)成為人類動作行為的載體，從而可實現(xiàn)人類操作功能的延伸。
八十年代對智能機器人的研究表明，由于受到機構(gòu)、控制、人工智能和傳感技術(shù)水平的限制，發(fā)展能在未知或復(fù)雜環(huán)境下工作的全自主式智能機器人是目前難以達(dá)到的目標(biāo)。隨著空間技術(shù)、海洋技術(shù)和原子能技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，迫切需要大量工作在危險和危害人體健康環(huán)境下的高級機器人。許多機器人學(xué)研究者認(rèn)為，目前的研究重點應(yīng)從全自主式轉(zhuǎn)向交互技術(shù)（尤其是在非確定性環(huán)境下作業(yè)的機器人），這樣更具現(xiàn)實意義。所謂交互技術(shù)包括機器人與人的交互和機器人與環(huán)境的交互。機器人與人的交互可以由人實現(xiàn)機器人在非確定環(huán)境中難以做到的規(guī)劃和決策，而機器人則可在人所不能到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行靈巧作業(yè)。機器人與非確定環(huán)境的交互，是機器人對環(huán)境感知的問題，由傳感器采集環(huán)境信息，再將環(huán)境信息傳輸給操作人員，達(dá)到有效反饋和精確遙控的目的。這實際上是將人的智能與機器人的精細(xì)作業(yè)結(jié)合起來，使機器人在人所不易達(dá)到的環(huán)境（如核環(huán)境、空間、危險化工、炸藥、海底、制藥等）代替人進(jìn)行智能、靈巧作業(yè)，完成許多人類無法勝任的工作。在這一形勢下，伴隨“臨場感”概念的提出，人們將臨場感技術(shù)應(yīng)用于機器人控制系統(tǒng)中，創(chuàng)建并開展機器人遙操作中的臨場感控制技術(shù)的研究。
臨場感，美國學(xué)者稱之“Telepresence”，而日本學(xué)者稱之“Tele-existence”?！癟elepresence”側(cè)重于遠(yuǎn)地環(huán)境在操作者周圍的再現(xiàn)，“Tele-existence”側(cè)重于操作者在遠(yuǎn)地環(huán)境中的再現(xiàn)（由類人形機器人實現(xiàn)）。雖然兩者的側(cè)重點不同，但其本質(zhì)和概念是相同的，即將遠(yuǎn)地從機器人感知到的機器人和環(huán)境的交互信息以及環(huán)境的信息（包括視覺的、聽覺的、力覺的、觸覺的和運動覺的等信息），實時地、真實地反饋給操作者，使操作人員產(chǎn)生身臨其境的感覺，從而有效地感知環(huán)境及控制從機器人完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)。
以主－從機器人為核心的臨場感遙操作系統(tǒng)可以在非確定性環(huán)境下(空間、深海、輻射、戰(zhàn)場等)進(jìn)行復(fù)雜的操縱作業(yè)(如航天器的裝配、維修)，操作者的操縱質(zhì)量與對“從環(huán)境”信息(如力覺、視覺等)的真實獲得能力密切相關(guān)。借助于遙控操作系統(tǒng)提供力覺臨場感，可以使操作者真實地感覺到機器人與被操作物體的動態(tài)相互作用，就像操作者自己的手臂在操作物體一樣，使操作者完成復(fù)雜精密的作業(yè)。由于臨場感技術(shù)可極大地提高遙操作機器人的作業(yè)能力，美國、日本、德國等技術(shù)先進(jìn)國家相繼投入了大量的力量從事臨場感技術(shù)和臨場感系統(tǒng)的研究，并在臨場感的理論分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)評估、實驗研究及系統(tǒng)研制等方面都取得了不少有價值的研究成果。
我國“863”計劃中，智能機器人主題已將臨場感技術(shù)列為一項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。近年來，我國逐漸開展了對臨場感遙操作機器人系統(tǒng)的理論與試驗研究，構(gòu)造了初步的實驗裝置，并先后多次作了研究成果報道。清華大學(xué)已完成一套用于駕駛THMR-Ⅱ型智能車的臨場感系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有立體視覺臨場感、聽覺臨場感，采用無線通訊，作用距離5km，車速3.6km/h。
很顯然，臨場感技術(shù)是一門多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)的集成，該技術(shù)對非確定性環(huán)境下工作的第三代機器人有十分重要的意義，越來越受到各國的重視。21世紀(jì)各國競相開發(fā)海底、地下資源和宇宙空間，我國要想在此領(lǐng)域中占有一席之地，無疑需要加緊對臨場感遙操作機器人技術(shù)的開發(fā)研究，而且這可以為以后研制全自主式智能機器人積累技術(shù)經(jīng)驗，因而研究具有臨場感遙操作機器人，無論對太空、原子能、深海等具體應(yīng)用，還是對我國趕超世界尖端技術(shù)均有十分重要的意義。
力覺臨場感是臨場感技術(shù)的主要研究內(nèi)容，是指將遠(yuǎn)地從機械手與環(huán)境的相互作用力通過傳感器實時反饋到本地操作者處，使操作者操作操縱桿時產(chǎn)生身臨其境的力覺感受。理想的力覺臨場感系統(tǒng)能使操作者產(chǎn)生直接觸摸、移動、擠壓遠(yuǎn)地環(huán)境目標(biāo)物體的感覺,就好像在工作現(xiàn)場一樣。在沒有力反饋的遙控操作系統(tǒng)中，機器人嚴(yán)格按照操作者的指令運動,機械手的實際位置與指令位置的誤差會帶來較大的不必要的接觸力和力矩，因此這種系統(tǒng)很難保證機械手的安全和可靠性。研究表明具有力反饋的遙操作，使得操作人員能立即獲得作業(yè)現(xiàn)場的總體印象，將會極大地提高操作人員的感知能力，能夠更有效、更準(zhǔn)確地完成各種復(fù)雜任務(wù)，可以使作業(yè)時間減少40%。完美的力覺臨場感要求從機器人跟蹤主機器人的位置信息，主機器人跟蹤從機器人與環(huán)境的接觸力，即力覺臨場感系統(tǒng)是透明的。近年來，在遙操作機器人領(lǐng)域?qū)ατX臨場感相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者對各類操縱器進(jìn)行了大量研究，取得了很多成果，出現(xiàn)了一些商用的力反饋手套、力反饋操縱桿、力反饋筆、基于力反饋的鼠標(biāo)等具有力覺反饋的操縱操縱桿是遙操作系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是操作者感知環(huán)境并對遠(yuǎn)端從機器人進(jìn)行控制的重要媒介,起到人機接口的作用。如何提供有效的力覺反饋和位置控制是操縱桿研究的關(guān)鍵。
從操作者的角度來看，操縱桿是一種人機接口，它的作用可以歸結(jié)為：(1)操作者手臂運動的測量系統(tǒng)，對人手的測量結(jié)果作為控制從機械手的運動指令。(2)力覺臨場感中力的發(fā)生源，操作者根據(jù)感受到的力覺信息來理解、判斷從機械手與環(huán)境作用的狀況，決定下一步的工作方法?，F(xiàn)有的力反饋操縱器結(jié)構(gòu)大體可以分為串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式、并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式和復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，此外，根據(jù)主－從機器人的結(jié)構(gòu)是否相似可分為同構(gòu)式和異構(gòu)式，一般主要由操縱器本體、驅(qū)動系統(tǒng)、信息檢測與控制系統(tǒng)等幾部分組成。
迄今，絕大多數(shù)遙控機器人的主手和從手采用同構(gòu)方式。由于主手和從手的機械結(jié)構(gòu)相同，不需要作運動學(xué)和動力學(xué)的變換。因此，該系統(tǒng)并不需要計算機的運算和控制，只需要一些簡單的驅(qū)動電路。但該主手的適用范圍較小、只能對應(yīng)單一的同構(gòu)從手；在操作空間上，同構(gòu)形式的主手需要足夠的空間來覆蓋從手的操作空間，因此在操作靈活性上又暴露了其必然的缺陷。與具有“復(fù)制品”主手的傳統(tǒng)主-從機器人相比，異構(gòu)式機械手設(shè)計較為困難,主-從手的結(jié)構(gòu)及運動對應(yīng)關(guān)系不明確,控制算法比較復(fù)雜,但其運動形式靈活多樣,因而更適合于現(xiàn)代機器人智能化的需要。國內(nèi)外現(xiàn)有的操縱桿以同構(gòu)式為主。采用串聯(lián)機構(gòu)的力反饋主手各構(gòu)件關(guān)系明確，運動控制算法比較簡單；相比之下，并聯(lián)機構(gòu)可以對平動與轉(zhuǎn)動實行解耦，有利于提高運動精度，而且具有機構(gòu)剛度大，承載能力高的特點，因此，并聯(lián)操縱桿在機器人遙操作領(lǐng)域越來越受到重視。
通信時延是臨場感遙控作業(yè)系統(tǒng)的重要因素。遙控作業(yè)系統(tǒng)中由于時延的存在會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定并使其操作性能下降。因此，它一直是研究者致力解決的問題。近幾年的研究表明，通過構(gòu)建虛擬環(huán)境及仿真機器人，操作者面向圖形機器人進(jìn)行遙操作，可以較好地解決遙控作業(yè)系統(tǒng)中的時延問題。這方面以往研究焦點的一個主要方面是集中在虛擬環(huán)境和虛擬手的幾何學(xué)、動力學(xué)和運動學(xué)建模以及消除建模誤差上。當(dāng)然，這也是目前及今后研究的重要方面。但這有兩個不足：一是以往的虛擬模型與真實環(huán)境和機器人的各種特性相比過于簡化了，今后在方面還要做大量的工作；二是對于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境則無法精確建模。針對第二個問題，美國斯坦福大學(xué)的Rosenberg提出了所謂“虛擬夾具（Virtual Fixtures）”的方法，不需要對環(huán)境建立虛擬模型則可以解決遙作系統(tǒng)的時延及力反饋問題。這些“虛擬夾具”是一些加在遠(yuǎn)地工作空間各端面的抽象的傳感器數(shù)據(jù)，并且僅與操作者交互。它們可以與遠(yuǎn)地工作空間的被操作對象那樣占據(jù)同樣的物理空間，而又沒有幾何上或物理上的約束。后來，Rosenberg又把“虛擬夾具”用來提高“插銷入孔”遙控任務(wù)的性能。他把可塑性“夾具板”置于戴有頭盔式顯示器（HMD）的操作者的前面。操作者的位置輸入由外骨架裝置給定，而當(dāng)與“虛擬板（不可視）”交互時，操作者就會感覺到反饋力。
綜上所述，自二十世紀(jì)八十年代以來，遙操作機器人技術(shù)已逐步進(jìn)入廣泛的實用化階段，主要的研究方向從主-從遙控機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面轉(zhuǎn)向提高系統(tǒng)的人機交互能力。在目前的技術(shù)條件下，機器人要達(dá)到完全自主是困難的，因此在機器人與人的關(guān)系上，機器人系統(tǒng)不應(yīng)完全把人排斥在外，特別是那些操作過程難以預(yù)知的工作或?qū)ε及l(fā)事件的處理，需要借助于人的智能才能完成。由于有了臨場感的幫助，使人可直觀地參與現(xiàn)場活動，對機器人系統(tǒng)的自動化和智能化要求大為降低，從而可以勝任目前尚不易檢測和難以自動控制的作業(yè)，通過人機的合理分工，就可以極大地簡化系統(tǒng)和降低系統(tǒng)成本。另一方面在主-從遙控機器人控制策略方面的研究還不充分，力覺臨場感的保真度和系統(tǒng)的可操縱性一直未達(dá)到令人滿意程度的情況下。研制和開發(fā)具有臨場感的主-從遙控機器人系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。
1.2 設(shè)計任務(wù)及要求
1.2.1 設(shè)計要求
（1）設(shè)計4自由度電液伺服控制機械手力控制系統(tǒng)，最大抓取重量100㎏，最大回轉(zhuǎn)角度135°，俯仰和擺動角度60°；
（2）控制系統(tǒng)各組成元件選擇，參數(shù)的設(shè)定；
（3）分析簡歷被控對象的數(shù)學(xué)模型，以開環(huán)控制方法實現(xiàn)力反饋控制（使用位置－位置伺服控制實現(xiàn)力反饋，并區(qū)別被抓取物體的剛度）；
（4）分析雙向伺服控制系統(tǒng)算法。提出使用于本系統(tǒng)的雙向伺服力反饋控制算法；
（5）由控制算法編制控制程序，由計算機作為控制器實現(xiàn)力反饋。
1.2.2 工作內(nèi)容
（1）掌握液壓伺服控制遙操作工程機器人的力控制形式；
（2）掌握機器手的液壓伺服控制系統(tǒng)，放大控制單元、安裝各種傳感器；
（3）理解電氣部分元件，驅(qū)動電路及傳感器檢測電路。
第二章 四自由度機械手的運動學(xué)分析
新興的工業(yè)機器人都是以關(guān)節(jié)坐標(biāo)直接編制程序的。開發(fā)比較高級的機器人程序設(shè)計語言，要求具有按照笛卡爾坐標(biāo)系規(guī)定工作任務(wù)的能力。物體在工作空間內(nèi)的位置以及機器人手臂的位置，都是以某個確定的坐標(biāo)系來描述的；而工作任務(wù)則是以某個中間坐標(biāo)系（如附于手臂端部的坐標(biāo)系）來規(guī)定的。
由笛卡爾坐標(biāo)系來描述工作任務(wù)時，必須把上述規(guī)定變換為一系列能夠由手臂驅(qū)動的關(guān)節(jié)位置。確定手臂位置和姿態(tài)的各關(guān)節(jié)位置的解答，就是運動方程的求解。本章將研究利用坐標(biāo)變換的方法，通過設(shè)置主－從手各連桿坐標(biāo)系，確定各連桿的齊次變換矩陣D-H(Denavit-Hartenberg)坐標(biāo)變換矩陣，從而建立從手的運動學(xué)和動力學(xué)描述方程。這是進(jìn)一步研究遙操作機器人實時控制以及機械手三維圖形仿真的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
2.1 四自由度機械手連桿的幾何參數(shù)
機械手運動學(xué)研究的是手臂各連桿間的位移關(guān)系、速度關(guān)系和加速度關(guān)系。機器人操作臂可以看作為一個開式運動鏈，它由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的。開鏈的一端固定在基座上，另一端是自由的，安裝著末端執(zhí)行器，用以操作物體，完成各種作業(yè)。關(guān)節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動，關(guān)節(jié)的相對運動導(dǎo)致連桿的運動，使抓手到達(dá)所需的位姿。
四自由度機械手結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。
圖2-1 四自由度機械手
為了研究操作臂各連桿之間的位移關(guān)系，可在每個連桿上固接一個坐標(biāo)系，然后描述這些坐標(biāo)系間的關(guān)系。Denavit和Hartenberg提出一種通用的方法，用一個4×4的齊次變換矩陣來描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系，從而推導(dǎo)出“手抓坐標(biāo)系”相對“參考系”的等價齊次變換矩陣，建立操作臂的運動方程。
該機械手是由四個連桿和四個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成的，每個關(guān)節(jié)有一個自由度。基座稱為連桿0，不包含在這四個連桿之內(nèi)。連桿1與基座由關(guān)節(jié)1相連接；連桿2與連桿1通過關(guān)節(jié)2相連接，依此類推。如圖2-2所示，抓手與連桿4固接，基座固定不動。連桿的功能在于保持其兩端的關(guān)節(jié)軸線具有固定的幾何關(guān)系，連桿的特征也是由這兩條軸線規(guī)定的。如圖2所示，連桿是由關(guān)節(jié)軸線和i 的公法線長度和夾角所規(guī)定的。和分別稱為連桿的長度和扭角。的指向規(guī)定為從軸線繞公垂線轉(zhuǎn)至軸線i 。兩軸線平行時, ＝0°；兩軸線相交時，，這時指向不定。
除基座及末端桿件外，其余每個桿件均有兩個關(guān)節(jié)，i號桿件與號桿件相連接的關(guān)節(jié)稱為i號桿件的下關(guān)節(jié)，另一關(guān)節(jié)稱為i號桿件的上關(guān)節(jié)。下關(guān)節(jié)的編號為i，上關(guān)節(jié)的編號為。相鄰兩連桿i和由關(guān)節(jié)i相連，因此關(guān)節(jié)軸線i有兩條公法線和它垂直，每條公法線代表一條連桿，代表連桿；代表連桿i。兩條公法線和之間的距離稱為兩條連桿之間的偏置；和之間的夾角稱為兩條連桿之間的關(guān)節(jié)角。和都帶有正負(fù)號。表示與軸線i 的交點到與軸線i 的交點間的距離，沿軸線i測量；表示與之間夾角，繞軸線i由到測量。
圖2-2 連桿連接描述
圖2–1 所示機械手，其連桿參數(shù)見表2–1。
表2-1 四自由度連桿機器人的連桿參數(shù)
關(guān)節(jié)i
（°）
（㎜）
（°）
（㎜）
1
L1=350
90
0
2
L2=2014
0
0
3
L3=1400
0
0
4
L4=620
0
0
2.2 機械手的連桿坐標(biāo)系
為了確定機器人各桿件之間的相對運動關(guān)系，在各桿件上分別固接一個坐標(biāo)系。我們采用把桿件坐標(biāo)系固定在每個桿件的上關(guān)節(jié)處的辦法，與基座固接的坐標(biāo)系記為{0}，第i 桿件的坐標(biāo)系{i}設(shè)置于i+1號關(guān)節(jié)上，并固定與i 桿件上，坐標(biāo)系{i}與桿件i 無相對運動。如圖2-3所示，i 桿件坐標(biāo)系{i}的系固定在i 桿件的上關(guān)節(jié)i+1 處，它的原點在關(guān)節(jié)i+1 的軸線上；軸與關(guān)節(jié)i+1 的軸線重合；軸是桿件長度的延長線；軸的方向由右手坐標(biāo)系的原則決定。同樣，我們也將桿件i-1 的坐標(biāo)系{i-1}設(shè)置在桿件i-1的上關(guān)節(jié)i 的軸線處。
在機器人坐標(biāo)系中，機械手各桿件參數(shù)和關(guān)節(jié)變量描述如下：
是繞軸（按右手規(guī)則）由軸轉(zhuǎn)向軸的關(guān)節(jié)角；
是繞第（i-1）坐標(biāo)系的原點到軸和軸的交點沿軸的距離；
是從軸到軸沿軸的偏置距離；
是繞軸（按右手規(guī)則）由軸轉(zhuǎn)向軸的偏轉(zhuǎn)角。
圖2-3 異構(gòu)從手坐標(biāo)系
2.3 四自由度機械手的動力學(xué)
機器人操作臂系統(tǒng)裝置本質(zhì)上是由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的開式運動鏈。原則上機器人操作臂為復(fù)雜的動力學(xué)耦合系統(tǒng)。動力學(xué)研究的是物體的運動和受力之間的關(guān)系。機器人操作臂系統(tǒng)動力學(xué)有兩個問題需要解決，動力學(xué)正問題―根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩或力，計算操作臂的運動（關(guān)節(jié)位移、速度和加速度）；動力學(xué)逆問題―已知軌跡運動對應(yīng)的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度，求出所需的關(guān)節(jié)力矩或力。
研究機器人動力學(xué)的目的是多方面的。動力學(xué)正問題與操作臂的仿真研究有關(guān)，逆問題是為了實時控制的需要。要控制運動軌跡和動態(tài)模型仿真，都要以動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)最優(yōu)控制，以其達(dá)到良好的動態(tài)性能和最優(yōu)指標(biāo)。由于動力學(xué)實時計算的復(fù)雜性，在實時控制時，都要作某些簡化假設(shè)。
分析機器人操作的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，主要采用以下兩種理論：
（1）動力學(xué)基本理論，包括牛頓－歐拉方程
（2）拉格朗日力學(xué)，特別是二階拉格朗日方程
由于第一種分析方法較復(fù)雜，需求得加速度，并消去各內(nèi)作用力，適合較簡單的問題。而拉格朗日功能平衡法只需求得速度，不必求內(nèi)作用力，本研究中使用第二種方法求解機器臂的動力學(xué)問題。同時，由于機器人動力學(xué)研究的是機器人操作臂各關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩與關(guān)節(jié)位移、速度和加速度之間的關(guān)系，所以在實際問題中，我們一般不考慮機器人末端執(zhí)行自由度，對于本系統(tǒng)，即不考慮從機器人抓手自由度。
第三章 機械手電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 系統(tǒng)組成
該液壓控制系統(tǒng)主要有：油箱、手爪液壓缸、小臂液壓缸、大臂液壓缸、機座液壓缸、三位四通電液換向閥、單向閥、壓力表、蓄能器、伺服控制閥、直動式溢流閥、壓力開關(guān)、表用管接頭、濾油器等。
3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計
3.2.1 機械手液壓控制系統(tǒng)回路主要元件及其型號選擇
1.油箱：選用BEX-250型，a×b×c為1800×1100×800。
2.粗濾油器：在液壓系統(tǒng)中防止油中的雜質(zhì)顆粒進(jìn)入液壓元件中，防止堵塞單向閥，電磁換向閥等，起到保護(hù)作用。該液壓系統(tǒng)選用網(wǎng)式濾油器，型號為WU-630×180F，過濾精度180μ，流量630L/min，通徑80㎜，總高為302㎜，直徑為118㎜。這種濾油器結(jié)構(gòu)簡單，通過性能好，過濾精度較低。
3.變量泵：變量泵選用CB-D32型齒輪泵。額定排量33.6ml/r，額定壓力10MPa，最高140MPa，轉(zhuǎn)速1800rpm，最高2400rpm，驅(qū)動功率20.5kW，重 量13.5㎏。該泵屬于中高壓齒輪泵。它采用雙金屬固定側(cè)板，結(jié)構(gòu)簡單，對沖擊性負(fù)荷適應(yīng)性較好。適用于工程機械等液壓系統(tǒng)中。
4.電動機：該液壓系統(tǒng)選擇GB2-6D-5型。電壓380V，采用三相交流電。
5.直動式溢流閥選用DBD型，其最大壓力范圍2.5～63MPa，額定流量330L/min，公稱通徑6～30㎜。
6.單向閥：單向閥選用A-Ha32L型。公稱通徑32㎜，額定壓力32MPa，額定流量200L/min。主出油路單向閥保證液壓缸油不倒流，以保護(hù)液壓泵正常工作，保證液壓缸的壓力回路的壓力不變。在液壓缸超出額定壓力的情況下保證液壓泵不受到損壞。而回油路單向閥是保證液壓泵的油不會從回油路進(jìn)入液壓缸。從而保證液壓缸正常工作。
7.表用管接頭：選用擴(kuò)口式壓力表接頭GB5645.1-85標(biāo)準(zhǔn)。管接頭的參數(shù)根據(jù)液壓系統(tǒng)所用的油管來選擇。
8.壓力開關(guān)：選用KF-L8/20E型號，壓力表開關(guān)用于切斷油路和壓力表的連接，或者調(diào)節(jié)其開口大小起阻尼作用，減緩壓力表急劇抖動，防止損壞。 通 徑8㎜，壓力35MPa。
9.細(xì)濾油器：選用XU-J250×80F型，通徑50㎜，流量250L/min，壓力16MPa，過濾精度80μ。
10.蓄能器：蓄能器的作用是用來儲存和釋放液體壓力能的裝置，它能夠在短期內(nèi)大量供油，維持系統(tǒng)壓力，吸收沖擊壓力或液壓泵的脈動壓力。該液壓回路蓄能器選用活塞式蓄能器，型號為HXQ-B6.3D。氣體容積6.3L，最高工作壓力17.0MPa，耐壓25.5MPa，重量51㎏。
11.壓力表：壓力表選用YWZ-150T。
12.三位四通電液換向閥：從動端在抓取物體時，即機械手在動作過程當(dāng)中通過改變液壓油的流向來實現(xiàn)液壓缸的前后運動，該設(shè)計選用一個三位四通電液換向閥，該滑閥型號為4WEH32E50/OF6AW220-50型?；y額定流量1.0L/min，電源電壓220V，頻率50Hz，工作環(huán)境溫度50℃。滑閥的換向由伺服閥控制器來調(diào)節(jié)，通過滑閥的換向來改變機械手液壓缸的運動狀態(tài)，從而改變機械手的動作，進(jìn)而實現(xiàn)機械手預(yù)定的功能。
13.液壓缸的選擇：液壓缸選用工程用液壓缸。其型號為HSGL01-63/35BHEZ2。該液壓缸缸蓋聯(lián)接方式為外螺紋聯(lián)接，液壓缸直 徑 為63㎜，活塞桿直徑35㎜，活塞桿采用整體式活塞桿，壓力等級為H級，安裝方式采用耳環(huán)型安裝，緩沖裝置采用閥緩沖。該型號液壓缸的速度比，其中A1和A2為活塞兩側(cè)有效面積。其工作壓力為16MPa，推力為49.88kN，拉力為34.48kN。最大行程為800㎜。
3.2.2 四自由度遙操作機械手液壓回路
該系統(tǒng)為四自由度機械手，液壓系統(tǒng)采用四個工程用液壓缸表示四個自由度，其液壓原理圖如圖3-1所示。
圖3-1 機械手液壓回路
1-油箱 2-粗濾油器 3-變量泵 4-電動機 5-直動式溢流閥
6-單向閥 7-表用管接頭 8-壓力開關(guān) 9-細(xì)濾油器
10-蓄能器 11-壓力表 12-三位四通電液換向閥 13-液壓缸
該機械手操作系統(tǒng)均是液壓驅(qū)動。對于機械手分別用四個液壓缸來控制其四個自由度；整個機械手液壓系統(tǒng)由液壓站、油路、電液比例換向閥、閥控制器和液壓缸組成，具體如圖3-1所示。
系統(tǒng)中選用電液伺服閥作為主手的伺服控制元件，主要是因為伺服閥響應(yīng)比較快，控制精度較高，主手的動態(tài)反應(yīng)特性直接影響到遙操作性能的好壞。而從機械手則選用電液比例閥作為伺服控制元件，主要是考慮到從手的作業(yè)環(huán)境一般比較惡劣，在實際應(yīng)用中除了中位有死區(qū)外，其穩(wěn)態(tài)特性已與伺服閥不相上下，并且比例閥的制造成本和維護(hù)費用較低。電液比例控制系統(tǒng)的優(yōu)點是充分利用液壓控制與電器控制的長處。即在功率傳遞方面利用液壓傳動的大功率、響應(yīng)快的優(yōu)點，在信號處理方面利用電氣信號的處理運算方便的優(yōu)點。并且可以對被控液壓參數(shù)的大小進(jìn)行電氣遙控和無級轉(zhuǎn)換，從而使整個液壓系統(tǒng)的控制水平得以大大提高。
第四章 機械手齒輪與鍵的設(shè)計計算
4.1 齒輪的設(shè)計計算
機械手的主手和從手在抓取物體和釋放物體的時候會不斷的進(jìn)行閉合-張開-閉合-張開的過程。為了保證在這些過程當(dāng)中兩手張開的角度和大小一樣，我們選用支持圓柱齒輪傳動，并且傳動比為1。這樣就能充分保證兩手爪張開閉合的一致性。由于機械手在工作的過程中所抓取的重量哈物體的大小是隨機的，所以要對其進(jìn)行強度校核計算。
4.1.1 齒輪材料、熱處理、精度等級、齒輪齒數(shù)
考慮到兩個齒輪承受力比較大，傳遞功率較大，并且要求結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長，從而主、從手齒輪都選用40MnB，并進(jìn)行表面淬火，齒面硬度選48～55HRC。在此四自由度機械手當(dāng)中，由于齒輪采用的是對稱布置，對稱載荷分布較均勻，故齒輪精度選為8級精度。由于傳動比選兩個齒輪的齒數(shù)為。
4.1.2 按齒跟彎曲疲勞強度設(shè)計
在該機械手設(shè)計中由于齒輪轉(zhuǎn)速低，故采用開式齒輪傳動，開式齒輪傳動其主要失效形式是齒面磨損，由于對磨損尚無成熟的計算方法，故只能按彎曲強度準(zhǔn)則進(jìn)行計算。
有公式 ， （4-1）
確定式中個項數(shù)值：其中
式中：---使用系數(shù)，由于載荷均勻平穩(wěn)，故由機械設(shè)計手冊可查，
---動載系數(shù)，查機械設(shè)計手冊得，
---齒向載荷分布系數(shù)，查機械設(shè)計手冊得，
---齒間載荷分配系數(shù)，查機械設(shè)計手冊得，
---轉(zhuǎn)矩，；為單個機械手所承受的力，本設(shè)計中單個機械手所承受的最大力為；為力作用方向與齒輪軸線的垂直距離，此次取，
---端面重合度，，對于直齒圓柱齒輪，分度圓螺旋角，
---重合度系數(shù)，，
---尺寬系數(shù)，查機械設(shè)計手冊得，
---齒形系數(shù)，一個無量綱系數(shù)，只與輪齒的齒廓形狀有關(guān)，而與齒的大?。?shù)）無關(guān)，查機械設(shè)計手冊得，
---應(yīng)力修正系數(shù)，與齒數(shù)和變位系數(shù)有關(guān)，查機械設(shè)計手冊得，
---彎曲強度的壽命系數(shù)，查機械設(shè)計手冊得，
---齒輪的彎曲疲勞極限，查機械設(shè)計手冊得，
---彎曲疲勞強度計算的最小安全系數(shù)，對通用齒輪和多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用齒輪，（失效概率為），
---許用彎曲應(yīng)力，。
將確定后的各項數(shù)值代入設(shè)計公式（4-1）得
查機械設(shè)計手冊，選取第一系列標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
則有：齒輪的直徑；
中心矩；
齒輪寬度；即主、從爪齒輪齒寬為。
4.1.3 校核齒面接觸疲勞強度
（4-2）
式中：---彈性系數(shù)，查機械設(shè)計手冊得，
---節(jié)點區(qū)域系數(shù)，是考慮節(jié)點處齒廓曲率對接觸應(yīng)力影響的系數(shù)，
查機械設(shè)計手冊得，
---齒數(shù)比，此處，
---接觸疲勞強度重合度系數(shù)，按不允許出現(xiàn)點蝕，查機械設(shè)計手冊得，
---許用接觸應(yīng)力，為該齒輪的接觸疲勞極限，為接觸疲勞強度計算的最小安全系數(shù)，一般設(shè)計時，?。ㄊЦ怕蕿椋┌床辉试S出現(xiàn)點蝕查得,
從而，將確定的各項數(shù)值代入接觸強度校核公式（4-2）得：
。
從而可知該齒輪滿足接觸疲勞強度。
4.1.4 齒輪精度設(shè)計
選擇齒輪精度檢測指標(biāo)為：單個齒距偏差、齒距累積總偏差、齒廓總偏差、螺旋線總偏差和齒厚偏差。
齒輪材料為40MnB，線膨脹系數(shù)℃。按選擇的8級精度，查齒輪公差表可得：
，，，
齒厚偏差計算：
有機械原理得知，分度圓弦齒高公稱值：
分度圓弦齒厚公稱值：
計算齒厚上偏差：
由公式
而 。（因）
則
查齒輪基節(jié)極限偏差，。
則 ，
查有關(guān)齒輪公查表，齒輪中心距極限偏差。
從而齒厚上偏差
查齒輪齒圈徑向跳動 ，
齒厚公差：
從而齒厚下偏差
該四自由度機械手齒輪建模圖型見附錄Ⅱ所示。
4.2 鍵聯(lián)接強度設(shè)計計算
在該四自由度機械手中齒輪與軸采用普通平鍵連接。尺寸鍵寬b×鍵高h(yuǎn)×鍵長L為12×8×50。對于平鍵連接其主要失效形式有：較弱零件工作面被壓潰（靜連接）、磨損（動連接）、鍵的剪斷（一般極少出現(xiàn)）。因此，對于普通平鍵連接只需進(jìn)行擠壓強度計算。擠壓強度條件公式
(4-3)
式中：---轉(zhuǎn)矩，；
---軸的直徑，；
---鍵與輪轂接觸高度，；
---鍵的工作長度，A型鍵；
---鍵的公稱長度；
b---鍵的寬度；
---鍵、軸、輪轂中較弱材料的許用擠壓應(yīng)力，查表得；
將各數(shù)值代入公式（5-3）中得：
故該軸采用單鍵連接其擠壓強度達(dá)不到要求。從而要采取措施來達(dá)到要求。
當(dāng)普通平鍵連接不能滿足強度要求時；可以采取下列措施：
1）采用兩個平鍵連接，相隔180°布置，考慮到載荷分布不均勻，按1.5倍單鍵鍵長計算連接的強度。
2）若輪轂允許加寬，可適當(dāng)增加鍵長。但應(yīng)注意當(dāng)鍵過長時，載荷沿鍵長分布不均勻性將加大，通常鍵長不宜超過（1.6～1.8）d 。
3）如有可能增大軸徑，則可另選剖面尺寸較大的鍵。
4）若承載能力相差太大或有其他要求時，可考慮采用花鍵連接。
對于該機械手，考慮到整體尺寸的大小和整個機械手的重量，對單鍵連接達(dá)不到要求我們采取第一條措施，在軸的相隔180°的兩個方向上安裝兩個普通平鍵。則進(jìn)一步校核：
經(jīng)計算后校核得到該措施滿足設(shè)計要求。
第五章 機械手力信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計
5.1 雙向伺服控制理論
雙向控制是指主手和從手間的運動和力覺信息的交互反饋控制。主－從手的位置控制是利用主手檢測人的操作動作，并把操作動作傳遞給從手系統(tǒng)。如果只是把主手的位置信息傳遞到從手進(jìn)行控制，而從手不向主手傳遞信息的伺服稱為單向伺服。如果同時把從手的力、位置信息傳遞到主手，讓操作員能感到從手與環(huán)境的交互作用，這種伺服稱為雙向伺服控制。單向伺服的方法，在從手不接觸被操作物體，僅在自由空間動作時工作得很好。當(dāng)從手因環(huán)境的約束不能自由動作，這時主－從手之間會產(chǎn)生很大位置偏差（通常主手在工作空間并不受環(huán)境約束），在從手一側(cè)將產(chǎn)生過大的作用力。顯然，在抓取易破損或其它不能承受很大作用力的物體時，不能采用這種單向伺服控制方法而必須采用雙向伺服控制的方法。因為它具有將從手側(cè)發(fā)生的力定性或定量地傳遞給主手側(cè)這種功能，使得操作者能夠感覺到從手與被操作物體之間相互作用力的大小，從而提高操作性能。雙向伺服控制原理圖可以用圖5-1表示。
在理想的情況下，雙向伺服控制應(yīng)使操作者感受到的力成比例等于從手受到被操作對象的作用力,同時從手位置Xs 成比例等于主手的位置。這就是所謂的力和位置完全透明。
圖5-1 雙向伺服控制原理圖
在雙向伺服控制理論的實際應(yīng)用中，往往是根據(jù)應(yīng)用的場合和力矩、位移的檢測條件進(jìn)行了一定的簡化。常用的有力直接反饋型、力偏差反饋型以及對稱型雙向伺服系統(tǒng)，同時，在此基礎(chǔ)上綜合考慮提高主－從遙操作位置跟隨反應(yīng)速度，改善操縱性能，提出了并列型和改進(jìn)并列型雙向伺服控制算法。
對于上面五種雙向伺服控制算法，其中力直接反饋型和對稱型主要針對可以自由操縱的主手（比如力反饋游戲操縱桿等）。我們所研究的主手，由于采用液壓驅(qū)動，伺服閥的結(jié)構(gòu)特性決定了主手若想產(chǎn)生動作，必須引入人手的操縱力信號，來驅(qū)動閥芯位移，從而能夠間接“推動”主手。因此我們將采用力偏差反饋型、并列型以及改進(jìn)并列型作為主－從雙向伺服控制策略。
由前面分析可知力偏差反饋型、并列型以及改進(jìn)并列型雙向控制策略比較適合主－從手均采用液壓驅(qū)動的遙操作機器人系統(tǒng)，其算法如下：
1、力偏差反饋型：，
。
2、并列型：
3、改進(jìn)并列型：
5.2 實驗方案
首先先測取機械手抓取物體和不抓取物體時的壓力信號,然后將該壓力信號進(jìn)行一系列的信號處理，最后經(jīng)由計算機校核之后傳達(dá)給操縱手柄,使人在遠(yuǎn)程控制的情況下能感知到機械手抓取物體時所需要的力,就像是在實際環(huán)境中工作一樣,使操作者能夠很清晰的感覺到觸摸、移動、擠壓等。有了力反饋的操縱系統(tǒng)，使得操作人員能立即獲得作業(yè)現(xiàn)場的總體印象，將會極大地提高操作人員的感知能力，能夠更有效、更準(zhǔn)確地完成各種復(fù)雜任務(wù)，可以使作業(yè)時間減少40%。力反饋系統(tǒng)主-從遙操作的總體實驗方案如圖5-2所示。
圖5-2 主-從遙操作實驗方案
考慮到臨場感遙操作機器人系統(tǒng)的主手是采用液壓驅(qū)動這一實際情況，首先采用傳統(tǒng)的力偏差型雙向伺服控制策略，對其控制效果進(jìn)行了試驗分析，然后在此基礎(chǔ)上為提高系統(tǒng)反應(yīng)速度，改善操縱性能，采用上文提出的并列型和改進(jìn)并列型算法，并通過試驗對上述算法進(jìn)行綜合比較，驗證了在采用液壓驅(qū)動主手的主－從遙操作系統(tǒng)中，改進(jìn)并列型算法是一種比較有效的雙向伺服控制策略。系統(tǒng)由一主手液壓伺服子系統(tǒng)和一從手液壓伺服子系統(tǒng)以及計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成。
5.3 力反饋控制系統(tǒng)
由于該設(shè)計只設(shè)計測量從手系統(tǒng)（即四自由度機械手）的力，所以對于主手系統(tǒng)的電路先暫時不處理。而四自由度機械手力反饋系統(tǒng)框圖如圖5-3所示。
圖5-3 四自由度機械手力反饋系統(tǒng)框圖
該設(shè)計要實現(xiàn)力測量，系統(tǒng)所需元件主要有：液壓泵站、機械手液壓缸、應(yīng)變式壓力傳感器、位移傳感器、儀用放大器、動態(tài)電阻應(yīng)變儀、濾波器，A/D轉(zhuǎn)換器、計算機、D/A轉(zhuǎn)換器等。
此系統(tǒng)框圖原理：由壓力傳感器測量出來的電流信號（表示的是壓力值），經(jīng)過儀用放大器將信號放大，再由濾波電路進(jìn)行低通濾波，得到的是頻率和幅值較穩(wěn)定的信號，但是此時信號仍是壓力信號，而該實驗是為了得到機械手力的信號，所以需要經(jīng)過動態(tài)電阻應(yīng)變儀把壓力信號轉(zhuǎn)換成力信號，并且此時輸出的力信號為比較穩(wěn)定的電壓信號。最后再把此電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、計算機校核、D/A轉(zhuǎn)換，最后輸入操縱手柄由操作者控制機械手動作。
5.4 信號采集與處理
5.4.1 壓力傳感器型號選擇
該設(shè)計所選用的壓力傳感器為擰在液壓缸頭部側(cè)面的應(yīng)變式壓力傳感器。該傳感器選用中國航天科技集團(tuán)公司第七零一研究所生產(chǎn)的PTF-2型防爆壓力傳感器。其主要技術(shù)指標(biāo)如表5-1。
表5-1 PTF-2 型壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)
測量范圍
0～0.6,1,1.6,2,5,10,15,20,25,30,35,40
MPa
輸出信號
0～10mA、4～20mA
基本誤差
±0.2、±0.3、±0.5
%F.S
線性誤差L
±0.2、±0.3、±0.5
%F.S
回程誤差H
±0.2、±0.3、±0.5
%F.S
重復(fù)性R
±0.2、±0.3、±0.5
%F.S
工作溫度
-30～+60
℃
溫度補償范圍
-30～+60
℃
零點溫度影響
±0.3
%F.S/10℃
輸出溫度影響
±0.3
%F.S/10℃
激勵電壓
24
VDC
絕緣電阻
1000
MΩ/100VDC
零點輸出
< 0.1mA、4±0.1mA
安全過負(fù)荷率
120
%F.S
該應(yīng)變式壓力傳感器如圖5-4所示。
圖5-4 應(yīng)變式壓力傳感器外形圖
5.4.2 應(yīng)變式壓力傳感器電橋電路分析
如圖5-5所示為該應(yīng)變式壓力傳感器電橋電路。
圖5-5 力傳感器電橋電路
橋臂電阻R1、R2、R3、R4分別表示粘貼在彈性體上應(yīng)變片的等效電阻，RD表示連接在對角線ab間的負(fù)載（此處為放大器）等效輸入電阻，在對角線cd間連接的是供橋電源電壓U。因此流經(jīng)負(fù)載電阻RD的電流ID為
負(fù)載電阻RD兩端電壓,
當(dāng)時，,橋路平衡。若橋路等效輸入電阻極大，即可認(rèn)為,則有,取,當(dāng)電阻變化很小，即，則上式可簡化為,
靈，（i=1～４），則上式可表示為，即橋路輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。
由應(yīng)變片構(gòu)成的力測量電路在無作用力時橋路應(yīng)處于平衡狀態(tài)。但是實際電阻應(yīng)變片的阻值不可避免地存在誤差，導(dǎo)線電阻、接觸電阻等因素都會造成電橋測量電路處于非平衡狀態(tài)，產(chǎn)生非線性誤差。因而需要有預(yù)調(diào)平衡電路，使測量橋路在無力作用時輸出為零。
5.4.3 儀用放大器
由于應(yīng)變片橋路輸出的電流信號在毫伏級的水平上，十分微弱（該應(yīng)變式壓力傳感器輸出電流為0～10mA）。無法直接供給計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理；同時微弱模擬信號在傳輸過程中，容易受到干擾，引起信號失真。為此，引入前置放大電路及穩(wěn)壓電源作為力信號采集電路。力信號前置放大電路的放大器采用儀用放大器INA114，在一般應(yīng)用時只需外接一只普通電阻Rg就可得到任意增益。一般增益根據(jù)外接電阻的阻值可達(dá)到1000。該儀用放大器具有高輸入阻抗，高共模抑制比等優(yōu)點。該放大器的供電電源為18V直流電源。本系統(tǒng)的信號放大倍數(shù)約為1000倍。如圖5-6所示為INA114的基本接法。圖5-7為INA114的電路結(jié)構(gòu)。
圖5-6 INA114電路基本接法 圖5-7 INA114的電路結(jié)構(gòu)
5.4.4 濾波電路
由于各種不確定外界干擾（如電網(wǎng)電壓波動、阻間電容耦合等）的存在，使得放大后的力信號中極易摻雜進(jìn)高頻噪聲信號；同時，當(dāng)從手抓取大剛度物體時，力信號瞬間變化沖擊很劇烈，容易導(dǎo)致從手甚至主手發(fā)生振蕩，成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素。因此，有必要將采集回來的力傳感器信號經(jīng)過二階系統(tǒng)進(jìn)行低通濾波處理。
該系統(tǒng)所選用的低通濾波電路如圖5-8所示。
圖5-8 低通濾波電路
低通濾波器允許在其截止頻率以下的頻率成分通過，而高于此頻率的頻率成分被衰減。此低通濾波電路的截止頻率為66HZ。計算過程如下。
，
，
則，
經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù),
則由截止頻率對應(yīng)于幅值衰減-3dB的點，即幅頻特性值等于，并把，代入傳遞函數(shù)H(S)可得，從而計算出。
5.4.5 動態(tài)電阻應(yīng)變儀
動態(tài)電阻應(yīng)變儀的作用是把由濾波器出來的穩(wěn)定壓力信號轉(zhuǎn)換成力信號，并把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。由于該實驗是四自由度的，故選用6通道的應(yīng)變儀就足夠了。該實驗所選的動態(tài)電阻應(yīng)變儀為北戴河電子儀器廠生產(chǎn)的CS-1A信號動態(tài)電阻應(yīng)變儀。
5.4.6 集成穩(wěn)壓電源
該設(shè)計的集成穩(wěn)壓電源是為應(yīng)變式壓力傳感器提供輸入電壓而設(shè)計的。PTF-2型壓力傳感器要求的輸入電壓是24V直流電源。故該穩(wěn)壓電源必須能滿足壓力傳感器的電壓要求。該實驗設(shè)計的電路圖如圖5-9所示。
圖5-9 集成穩(wěn)壓電源
變壓器的選擇：
由于該集成穩(wěn)壓電路所輸出的最大電壓為30V，所以集成穩(wěn)壓電源需要的供電電壓要比最大輸出電壓大3V以上，但是也不能太大。在該設(shè)計中選用的供W7805使用的電壓為35V。即。而變壓器降壓后的電壓經(jīng)過單相橋式全波整流電路后電壓進(jìn)一步降為，與的關(guān)系為：，從而,則取=40V，而，從而變壓器主副線圈匝數(shù)之比。根據(jù)此線圈匝數(shù)之比選取變壓器型號。因此該變壓器選用SG系列的，其主要技術(shù)指標(biāo)如表5-2。
該電路采用的是把直流電先由整流電路變成直流電，然后在經(jīng)過一系列變壓，是得輸出電壓U0滿足壓力傳感器的電壓。穩(wěn)壓電源選用W7805，中間經(jīng)放大器F007變壓。由電路圖可求出輸出電壓U0變化范圍。
表5-2 SG系列變壓器主要技術(shù)指標(biāo)
單相
三相
輸入輸出電壓
<500V
容量
0.5～100kVA
1～500kVA
溫升
<60℃
耐壓
絕緣電阻
由電路圖可知該電路是輸出電壓可調(diào)的電路，圖中的運算放大器起電壓跟隨作用，采用單電源運算放大器，起電源電壓就是穩(wěn)定電路的輸入電壓。運算放大器具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻，當(dāng)電位器Rp滑動端處于最上端時，,而滑動端處于最下端時，。因此穩(wěn)壓電路輸出電壓的范圍是：
從而代入電路圖中的電阻阻值可得：
即
由計算可知該電路電壓滿足該設(shè)計所用應(yīng)變式壓力傳感器的輸入電壓。
5.5 壓力傳感器完整電路
將以上所有電路及電器元件聯(lián)接起來便可以組成測量機械手抓取物體時壓力的電路圖。其電路圖如圖5-10所示。
圖5-10 壓力傳感器測力電路
由圖5-2及圖5-10可得該壓力傳感器測量力電路為開環(huán)控制電路。通過電路圖可以看出，由集成穩(wěn)壓電源構(gòu)成的穩(wěn)壓電路為應(yīng)變式壓力傳感器PTF-2型提供24V直流電源，從壓力傳感器出來的壓力電流信號經(jīng)過INA114儀用放大器進(jìn)行放大處理，放大的壓力電流信號再經(jīng)過濾波電路的低通濾波濾去過高的頻率信號，最后出來的壓力電流信號經(jīng)過動態(tài)電阻應(yīng)變儀CS-1A轉(zhuǎn)換成力的電壓信號。將此穩(wěn)定的力電壓信號和位移模擬信號相加送入A/D傳感器、計算機、D/A轉(zhuǎn)換器。最后出來的控制信號送入操縱手柄進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。
第六章 機械手力信號電氣電路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計
6.1 電氣原理方案設(shè)計
在該系統(tǒng)中，主要由單片機控制整個電路來控制伺服裝置進(jìn)而控制機械手液壓系統(tǒng)，最終控制機械手手爪的運動。其主要問題是整個芯片的選擇。
控制圖中用8031作為主控制器，電氣圖的四個輸出端分別與四個伺服閥控制器相連，當(dāng)伺服閥控制器接到信號后，電磁換向閥通電導(dǎo)通，從而使液壓油進(jìn)入油缸，推動液壓缸運動，最終實現(xiàn)機械手的閉合。在液壓缸上裝壓力傳感器，用來檢測液壓缸進(jìn)出油時的壓力，反饋給操作者，最后由操作者對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行機械手的下一個動作。
6.2 電氣元件的選擇
（1）單片機：在該系統(tǒng)中選用由Inter公司生產(chǎn)的8031單片機。它由微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、4個并行8位I/O接口、一個串行口、2個16位定時器/計數(shù)器、終端系統(tǒng)、特殊功能寄存器（SFR）組成。微處理器（CPU）由運算器和控制器兩大部分組成。
（2）A/D轉(zhuǎn)換器：該設(shè)計為四自由度機械手，系統(tǒng)實時性要求和精度要求較高，且由應(yīng)變式壓力傳感器采集信號并處理后傳來的是±5V的雙極性模擬輸入信號。故選用AD574轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為25μs，轉(zhuǎn)換精度0.05%，轉(zhuǎn)換位數(shù)12位，可直接與各種典型的8位或16位微處理器相連，支持±5V模擬輸入，片內(nèi)有時鐘電路、基準(zhǔn)電源電路和雙片雙極性電路，無需附加邏輯接口電路就可獨立完成A/D轉(zhuǎn)換功能；內(nèi)部設(shè)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器和各種輸入輸出控制電路，很容易與微處理器配接，故選用AD574A作為A/D轉(zhuǎn)換器。
（3）采樣保持器：選用LF398采樣/保持器。
（4）多路模擬輸入開關(guān)：由于該系統(tǒng)力有4條力信號輸入，而每次只能有一個信號被送入8031單片機，故選用八選一模擬輸入開關(guān)4051。
其功能如表6-1所示。
（5）D/A轉(zhuǎn)換器：選用具有雙向緩沖輸入寄存器和有關(guān)聯(lián)的控制線的DAC1230，可與8位微處理器直接連線，無需添加任何接口。DAC1230內(nèi)部具有8位輸入鎖存器和4位輸入鎖存器，所以在與8031連接時不用外接擴(kuò)展芯片，直接將8031的數(shù)據(jù)輸出線接到DAC1230的8根數(shù)據(jù)線上即可。
表6-1 4051功能表
輸入
開關(guān)導(dǎo)通位置
INH
1
0
0
0
0X?XCOM
0
0
0
1
1X?XCOM
0
0
1
0
2X?XCOM
0
0
1
1
3X?XCOM
0
1
0
0
4X?XCOM
0
1
0
1
5X?XCOM
0
1
1
0
6X?XCOM
0
1
1
1
7X?XCOM
1
×
×
×
高阻狀態(tài)
（6）運算放大器：由參考電壓源和輸出運算放大電路組成。為了滿足D/A轉(zhuǎn)換器對于參考電壓的高要求和方便地改變輸出模擬電壓范圍，需要配置相應(yīng)的參考電壓源。參考電壓源電路如圖6-1所示，其中主要由2DW7C型溫度補償穩(wěn)壓二極管保證參考電壓的穩(wěn)定，參考電壓。D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量為電流量，需要通過一個反相輸入的運算放大器才能轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，如圖6-2所示，LF356即起到這種作用。在這種情況下，模擬輸出電壓與輸入數(shù)字量A和參考電壓的關(guān)系為：
（0A<1） （6-1）
且要使電壓輸出為雙極性，還需后接一個反相輸入加法運算電路，其電路圖如圖6-2所示，如前所述，參考電壓，故該電路輸出的模擬電壓為：
（0A<1） （6-2）
所以可以得到V的模擬輸出電壓。
圖6-1 參考電源電壓
圖6-2 運算放大器電路
（7）地址鎖存器：選用74LS373。74LS373是一種帶有三態(tài)門的8D鎖存器。其功能如表6-2所示。74LS373用作地址鎖存器時，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號為低電平，這時，當(dāng)G端輸入為高電平時，鎖存器輸出狀態(tài)和輸入端狀態(tài)相同；當(dāng)G端從高電平返回到低電平時，輸入端的數(shù)據(jù)鎖入Q0~Q7的８位鎖存器中。
表6-2 74LS373功能表
G
D
Q
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
×
不變
1
×
×
高阻態(tài)
（8）譯碼器：由于該系統(tǒng)有多片芯片，所以選用74LS138型譯碼器。它有8根地址選擇信號線輸出，可同時連接8個芯片。
（9）靜態(tài)RAM：選用6264型SRAM，它有28個引腳，具有13位的地址輸入線，有8位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。其管腳圖如圖6-3。
圖6-3 6264管腳圖
其中A0～A12即為13位的地址輸入線，D0～D7為8位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。其操作方式如表6-3。
表6-3 6264操作方式
D0～D7
讀
0
0
1
數(shù)據(jù)輸出
寫
0
1
0
數(shù)據(jù)輸入
維持
1
任意
任意
高阻態(tài)
(10)程序存儲器EPROM：該系統(tǒng)選用2764型EPROM程序存儲器。2764管腳圖如圖6-4所示。
圖6-4 2764管腳圖
A0～A12為13根地址線，可尋址8K字節(jié)；D0～D7為數(shù)據(jù)輸出線；為片選線；為數(shù)據(jù)輸出選通線；為編程脈沖輸入端；是編程電源；是主電源。2764EPROM芯片是8K字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35mA，讀出時間最大為250ns。
6.3 PID控制算法
PID控制器是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一種調(diào)節(jié)器，它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于整定，并在長期應(yīng)用中已積累了豐富的參數(shù)整定經(jīng)驗。由于控制對象精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費很大代價進(jìn)行模型辯識，而且往往不能得到預(yù)期的效果，而采用PID控制并根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行在線參數(shù)整定，可得到較為滿意的控制效果。另外隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，PID數(shù)字控制算法可以在計算機上很簡單地得到實現(xiàn)，而且由于軟件實現(xiàn)的靈活性，PID數(shù)字算法可以引入各種參數(shù)整定算法而更加完善。所以盡管現(xiàn)代控制理論已經(jīng)得到長足發(fā)展，但在目前PID控制由于它自身的優(yōu)點仍然是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。PID控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示。
式中：比例控制系數(shù)，積分控制常數(shù)，微分控制常數(shù)。
參數(shù)、、 的大小對系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定特性有很大的影響。比例控制常數(shù)加大，使系統(tǒng)動作靈敏，速度加快。偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間變長，當(dāng)太大時，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，加大，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制常數(shù)偏小系統(tǒng)將不穩(wěn)定，振蕩次數(shù)較多，太大積分作用對系統(tǒng)性能影響減小。積分控制能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。微分控制常數(shù)可以改善系統(tǒng)動態(tài)特性，但其偏大、偏小時，超調(diào)量都較大，調(diào)節(jié)時間較長。所以只有參數(shù)、、合適時，系統(tǒng)才可以得到滿意的動態(tài)特性和穩(wěn)定特性。表6-5列出P、I、D 參數(shù)增大對系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響。
表6–1 各調(diào)節(jié)器對性能指標(biāo)的影響
調(diào)節(jié)器
上升時間
超調(diào)量
過渡時間
靜差
P增大
減小
增大
上升時間
減小
I增大
減小
增大
減小
消除
D增大
影響不大
減小
減小
影響不大
隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步和計算機成本的下降，越來越多的控制系統(tǒng)采用計算機作為控制器使用。采用計算機構(gòu)成的數(shù)字校正裝置，效果比連續(xù)式校正裝置好，且由軟件實現(xiàn)的控制規(guī)律易于改變，控制靈活。采樣信號，特別是數(shù)字信號的傳遞可以有效地抵制噪聲，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。采用計算機作為控制核心的自動控制系統(tǒng)是由計算機通過A/D數(shù)據(jù)采集卡采樣反饋變量，并計算誤差和控制量，再通過D/A 變換后輸出，使被控對象輸出量跟隨設(shè)定值。數(shù)字PID 控制算式有位置型、增量型、速度型等形式，其共同點是比例、積分和微分
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