带电抢修机器人用力反馈液压机械臂的设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

我国社会经济不断发展，人民生活质量不断提高，配电网络要实现不问断输电，就必须开展带电作业。

人工带电作业有其困难与局限性，因此研制具有更强的安全性和适应性的高压带电抢修机器人，克服人工带电作业的困难和局限性，代替人工进行带电作业非常必要，而且符合时代的要求。为提高带电作业的自动化水平和安全性，减轻操作人员的劳动强度和强电磁场对操作人员的人身威胁，从 80年代起许多国家都先后开展了带电抢修机器人的研究，如 日本 、西班牙、美国、加拿大、法国等国家都先后开展了此项工作的研究 。

国内山东电力研究院进行了三代带电抢修机器人的研究：(1)第-代带电抢修机器人，采用两台 MOTO-MAN机械臂，操作人员进行作业时通过键盘控制机械臂运动，由于控制系统不开放，不能实现主从控制，操作不方便。

(2)第二代带电抢修机器人，采用两台自主研发的电机机械臂，控制系统采用主从控制方式。操作人员进行作业时通过主手和键盘控制机械臂运动，实现了机器人系统的主从/自主控制。但由于自身重量大，不能适合绝缘斗臂车作业要求。

(3)第三代带电抢修机器人--山西长治带电抢修机器人项目，采用两个液压不带力反馈型机械臂，自重轻，持重大∩以完成带电断线、带电接线、带电更换绝缘子等作业内容，实现带电抢修机器人现场应用。

带电抢修机器人经过前三代样机的研究，已形成常规带电作业的能力，并投入现场应用。但是机械臂无力反馈功能，操作者无法感知作业环境，机器人的作业内容与作业效率受到很大限制。第四代机器人拟采用力反馈液压机械臂，具有对环境的感知能力，能极大提高操作的灵活性、准确性，大幅度提高作业效率，完成修补导线、更换横担、跌落保险等复杂作业项 目 J。

1 整体结构主从式力反馈液压机械臂可以进行远程邑，是采用主从式 7自由度液压机械臂；采用位置、力伺服控制方式，主手和从手是同构的，从手可以完全跟随主手来运动，同时主手也可以完全跟随从手运动；具有优良设计特点，包括其机械臂的重量分布通过四连杆结构收稿 日期 ：2013-02-20基金项目：863课题 ，面向电力带电抢修作业机器人研究开发与应用(2012AA041506)作者简介：赵玉良(1979-)，男，山东济南人，高级工程师，硕士，主要从事移动机器人、高压带电作业机器人、电动汽车换电池机器人领域的工作。

32 液压与气动 2013年第8期分配它的基座上、零泄漏支架，采用微型齿轮传动机构便于机械臂实现基座朝上或基座朝下安装。智能化的从手控制便于操作。机械臂从手带力反馈，能够极大地提高操作者意识，便于执行复杂运动。由于机械臂具有力反馈系统，能极大地减少对工作环境和机械臂本体的损害。机械臂仅仅需要-个电气连接和-个液压源连接。机械臂的阀门作为机械臂的集成部分，可以消除笨重的液压线路。-个四孔方形平台结构使机械臂容易安装 j，主从式力反馈液压机械臂系统结构如图 1所示图1 主从式力反馈液压机械臂系统2 系统拈设计力反历械臂系统结构包括下列部分：机械臂本体、力反馈主手、手持终端、KMC9100F主手控制器、RSD9100F液压伺服驱动器、液压系统。

2.1 机械臂本体机械臂是7自由度机械臂，机械臂各关节的运动通过相应的液压执行器来执行；每个执行器由-个相应的液压伺服阀来控制；在每个伺服阀的进回油口安装有压力传感器，测量进油口和回油口的差压，反应出机械臂对环境压力的大型方向，除了液压伺服阀，还增加了减压阀和电磁阀；电磁阀用来开关液压源；外部油液压力不能超过 3000 psi；阀板上设有控制单元通过控制总线与液压伺服驱动器连接，上臂和前臂上的电位器通过位置信号总线与液压伺服驱动器连接，液压伺服驱动器通过电源总线供电，提供了-个带力反馈的平行手爪。由于平行手爪独特的控制方法，允许操作者改变手爪开合的速度和抓持力的大校机械臂用压力传感器安装在伺服阀的进回油 口上，精度：±2.5%，输出信号：-l0～10 V。压力传感器经过精密的温度补偿、不锈钢密封焊接结构和完善的装配工艺，使其具有高精度、高抗干扰、过载和抗冲击等特点。伺服阀为MOOG航空用射流管式电液流量伺服阀，型号：MOD21l-135，压力：1500 psi，驱动信号：-20～20 mA。

图 2 机械臂侧视图2.2 力反馈主手力反馈主手是-个结构紧凑，带 自平衡拈的设备(如图3所示)，与手采用相同的结构。主手每个关节都安装-个电位器和-个力矩马达，用来提供主手的位置、力信息。主手放置在-个安全或方便的地方，机械臂放置在不宜接近的地方，如有强辐射、高温、水下等环境。主手根据传感器信息来操作机械臂，主手和机械臂之间存在着机械耦合，并将主手运动传递给机械臂，机械臂跟随主手的运动。力反馈主手带 5个力矩电机，包括腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部亿。远端从手的静态或动态的力，通过这5个力矩电机反映到主手。在初始上电时，这些力矩电机自动地设置主手 。

电图 3 力反馈主手2.3 手持终端手持终端是-个低功耗的、带液晶显示的拈(如图4所示)，与主手通过 RS232通信，用来显示-些系统信息和允许操作者选择各种操作功能。手持终端的液晶拈可以显示4行、每行 20个字符。液晶模块自带白色的背景光，可以应用在混暗或没有光的环境。背景光的强度可以有 7种选择，通过设置参数来选择光的强度。手持终端有 30个按键，呈 5 X 6矩阵2013年第8期 液压与气动 33式排列。自带蜂鸣器提供按键报警声，可以知道是否正确地按下某个按键。

键屏图 4 手持终端2.4 KMC9100F主手控制器KMC9100F是-个基于微控制器可以提供主手控制和远程通信功能的系统(如图5所示)，用最小的复杂性提供最大的能力。KMC9100F系统特征包括：自动配置功能、力反馈性能、远程手持终端、运行时间汇总和自我测试能力、自动校准模式、编程任务执行、可选择磁带记录用户任务库、带 RSD液压伺服控制单元通讯接口、带主手控制接口。

图5 KMC9100F主手控制器2.5 RSD91OOF液压伺服驱动器液压伺服驱动拈是机械臂的外部接口，为机械臂提供必要的电源、指令和测控信息。它可以通过双绞线、同轴电缆、光纤和无线与 KMC91OOF通信，如图 6所示 。

)RSD9100F0口 GND A12C/DCvdOcR###DCl5A/DC .12VCo 1l25 vdvcdc######.5A 12VDC ) 5l 24 vdc国 lA图 6 RSD9100F液压伺服驱动 器(1)双绞线(RS-485)是标准配置，KMC91OOF与RSD-T之间的通信方式是-根双绞线电缆，通讯距离超过 4000英尺；(2)KMC9100F与RSD-C之间的通信方式是通过同轴电缆，通讯距离超过4000英尺；(3)KMC9100F与 RSD-F之间的通信通过两根SMA接口的光纤，通信距离超过 13000英尺；(4)KMC9100F与 RSD之间的通信可以通过无线，先进的数字无线通信技术提供了安全的数据连结，能够抵抗任何类型的干扰。

3 软件设计3.1 总程序总控程序是机器人软件系统顺序控制的核心，是整个机器人软件系统的起点。它工作在微处理器 II，用于控制整个机械臂软件系统工作，主要完成系统初始化、输入输出读入、系统状态监测等任务。总控程序在微处理器 II上电后便 自动开始运行，只有当电源断开才停止运行。采用循环检测的机制对各输入进行定时检测，根据输入控制信号来顺序控制和执行相应模块功能，如图7所示。

图 7 总程序流程图3.2 主从手 自动对应程序进行定时检测，根据输入控制信号来顺序控制和执行相应拈功能。在主从式力反历械臂系统中，打开液压电源后，主手和从手必须恢复到-个确定的对应位置，才能进行主从控制运动。机械臂控制器采集关节位置信息，并发送给主手控制器。主手控制器根据主手的位置信息、从手的位置信息的差值驱动力矩电机，自动对应到机械臂的位置姿态，当差值为零时，对应完成，如图8所示。

3.3 主从控制程序主从式力反历械臂控制系统软件分为主端和从端两部分。操作者操作主手运动，主手控制器采集主34 液压与气动 2013年第8期初始化主、至墼 墨/.. ... .. .. ... .. l..- 主手位置检测- .J与主手位置对比，I是l驱动力矩马达i墨向手持终端信息发送准备好手持终端显示图 8 主从手 自动对应程序流程图手电位器的位置信息并实时地将位置信息发送给机械臂控制器，机械臂控制器通过对主手的位置跟踪来完成机械臂的运动；另-方面机械臂在运动过程中由电位器检测到的位置信息、压力传感器检测到的力信息也通过无线通信反馈给主手控制器，主手控制器再将该信息发送力矩电机控制器驱动力矩电机和发送给手持终端供显示，流程图如图9所示。

主端发送开始指令l位置检测- 向从端发位置指令丛堂初始化从机械臂、压力传感器和夹持器创建压力和加持力检测线程I早 lt.4 -L. q / 至 l 垦堡堡星创建从机械臂和夹持器位置控制线程二可～ I接收到主端的ll 位置指令l l从机械臂和夹持l器位置控制图 9 主从控制程序流程图4 关键技术(1)主从力反历械臂系统设计 主要包括力反历械臂机械设计、力反馈主手设计。

(2)液压伺服和控制技术 主从力反历械臂采用液压动力，通过同构主手实现主从控制，采用液压伺服技术实现主手与从手的精确跟随控制。

(3)具有力觉临场感的主从手控制技术 在主从操作机器人研究中，邑操作机器人手臂的位置控制和力觉临场感的实现是-项关键技术，这-问题的解决将直接影响机器人工作的准确性和效率。

(4)空间矢量力系与机械臂关节力反馈的重构/映射技术研究 即将操作机末端力、力矩进行分解，映射到机械臂各关节，反馈到机械臂主手进行重构，使操作者感知。

(5)碰撞冲击及稳定性研究 力控制中普遍存在响应速度和系统稳定的矛盾，因此提高系统响应速度和防止系统不稳定是力控制研究中亟待解决的问题之-。

(6)未知环境的约束判断 在未知环境中作业时实时确定力控方向和位控方向，是智能机器力控制的重要问题，对机械臂主从控制的灵活性有重要影响。

(7)力传感器及其力反兰术 力传感器性能影响着力控制性能，精度高、可靠性好和抗干扰能力强的力传感器选型与实验，以及力反馈系统的参数选择，算法设计直接关系到控制系统的品质。

5 结论本机械臂系统包括机械臂本体、力反馈主手、手持终端、主手控制器、液压伺服驱动器和液压供油系统。

采用位置、力双向伺服控制方式，主从手是同型结构，通过力反馈主手的力矩电机工作在堵转状态使操作者有-种受力感觉，这与用手直接感觉相似，能提高操作的灵活性、工作效率和安全性，避免对机械臂和周围环境的损害。该平台必将成为保证供电设备安全、可靠、运行，提高电网经济效益和用户服务质量的-个重要检修手段，该机器人的推广应用，必将大大提高带电作业的安全性及自动化水平，具有很大的社会意义和经济效益 。