EAST柔性機械手臂體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

梁世盛，魏曉陽，王海勇，袁茂強，敖飛平

(1.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200245；3.上海航天工藝裝備工程技術(shù)中心，上海 200245)

0　引言

全超導托卡馬克核聚變試驗裝置(experimental advanced superconducting tokamak,EAST)是中國科學院合肥物質(zhì)科學研究所研制的聚變反應(yīng)堆裝置，是通過磁約束和真空絕熱來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。該反應(yīng)堆裝置的設(shè)計目的在于進一步研究人類在核聚變能源利用過程中出現(xiàn)的問題[1-2]。

該試驗裝置內(nèi)部工況惡劣，以致其內(nèi)壁上的元器件極易出現(xiàn)損壞或故障，需要經(jīng)常維修。但裝置內(nèi)部的高溫、高輻射和強磁場使工作人員無法進入維修[3]。因此，在托卡馬克裝置腔體內(nèi)進行的各項維護作業(yè)必須依賴柔性機械手(由機械臂體和末端執(zhí)行器組成)。機械臂體是柔性機械手的主要組成部分，機械臂體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對其各種作業(yè)的性能起關(guān)鍵性作用，因此必須使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集精度和穩(wěn)定性處于較高水平。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計難點在于：它需在確保采集精度的同時，保證系統(tǒng)在較極端環(huán)境中的正常運行。托卡馬克腔為環(huán)形腔體，只有采用多關(guān)節(jié)機械臂體，才能到達腔體內(nèi)部的任意位置并進行維護。該柔性機械手由5節(jié)臂體和1個執(zhí)行末端組成。每個臂體都負責水平和垂直方向的運動，由2個傳感器模塊與1個數(shù)據(jù)采集控制模塊進行位姿態(tài)的精確獲取。本文著重對機械臂體的采集系統(tǒng)原理和測試情況進行說明。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

機械臂體主要的運動包括水平和垂直2個方向的偏擺。采集系統(tǒng)不僅要對臂體的位置信息進行監(jiān)控，還要對電機的工作溫度進行反饋，以實時監(jiān)測電機的工作狀態(tài)。同時，系統(tǒng)還需要對臂體的傾斜度進行測量，以供其他輔助設(shè)計使用。

采集系統(tǒng)主要由單片機、傾角傳感器、位姿傳感器和2個溫度傳感模塊組成。系統(tǒng)工作原理如下：單片機通過SPI通信，分別獲取傾角傳感器和位姿傳感器的信息；單片機A/D接口對溫度采集模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換讀??；所有數(shù)據(jù)通過CAN通信上傳至上位機。

采集系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　采集系統(tǒng)原理框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于裝置不處于工作狀態(tài)時，內(nèi)部溫度仍處于高溫狀態(tài)(80～115 ℃)，所以該電路系統(tǒng)的散熱和元器件耐高溫是設(shè)計難點。此外，為避免系統(tǒng)累加誤差，單個臂體位置和傾角的采集定位誤差均需控制在±0.1°以內(nèi)。

2.1　位姿傳感器

為確保在苛刻環(huán)境中得到臂體的位姿信息，并使其符合結(jié)構(gòu)要求，該設(shè)計使用AS5047D作為位姿傳感器。AS5047D是一款高精度、非接觸、絕對式的磁線性編碼器，可以準確檢測離軸旋轉(zhuǎn)運動，對光并不敏感，能夠承受高強震動以及濃細粉塵的工況；具有突破性技術(shù)的動態(tài)角度誤差補償(dynamic angle error compensation,DAEC)，能抵償傳感器處理磁場強度原始測量值時，因傳播延遲造成的角度動態(tài)誤差。該芯片與1個對磁極配合，在最高轉(zhuǎn)速(14 500 r/min)時，最大角度測量誤差不超過0.18°，工作電壓為3.3 VDC或5 VDC，正常工作溫度為-40～+125 ℃，并且能夠抵抗外部磁場帶來的干擾，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該芯片提供了SPI、PWM、UVW和ABI等多種通信接口。AS5047D芯片和磁鐵離軸運動感應(yīng)規(guī)定磁體需要在芯片的正上方，最優(yōu)距離為1.1 mm[3]。

2.2　控制芯片和溫度傳感器

該采集系統(tǒng)的控制芯片使用Microchip公司的單片機DSPIC33FJ128MC804。該芯片為性能強大的16位數(shù)字信號控制器(digital signal controller，DSC)，具有擴展的數(shù)字信號處理(digital signal processing,DSP)功能和16位微控制器(microcontroller unit，MCU)架構(gòu)，工作電壓為3.0～3.6 V，每秒處理的百萬級機器指令數(shù)(million instructions per second,MIPS)最大為40，并采用精簡指令來提高執(zhí)行效率。該芯片具有12位ADC、大量數(shù)字I/O、UART、SPI、CAN等接口，能夠滿足用戶設(shè)計需求。由于該電路需運行于高溫環(huán)境，所以選擇擴展級(E級)芯片。該級別芯片的正常運行溫度為-40～+125 ℃，比工業(yè)級(-40～+85 ℃)更具耐高溫能力。系統(tǒng)在運行中芯片自身的溫升也需要著重考慮，所以在選擇封裝時，需要選擇溫升最小的封裝。因此，本設(shè)計選擇44引腳進行方形扁平無引腳(quad flat no-lead，QFN)封裝，其熱阻值僅為24.5 ℃/W[4]。

為了檢測電機外殼的溫度，需要將溫度傳感器貼于電機外殼，所以該系統(tǒng)采用Pt100鉑電阻作為溫度感應(yīng)器。由于鉑電阻的阻值會隨著溫度的變化而變化，故需要將阻值的改變量轉(zhuǎn)化為電壓的變化量，以推算出溫度值。

溫度信號轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2　溫度信號轉(zhuǎn)換電路

電路中，使用可控電流源LT3092產(chǎn)生定值電流。該芯片只需利用2個外部電阻器的阻值比，即可得到一個定值電流(范圍為0.5～200 mA)，比其他構(gòu)造電流源方式更簡便。

LT3092電流源產(chǎn)生的電流計算公式為：

(1)

式中：Isource為輸出電流，μA；Rset為芯片引腳1上的電阻，Ω；Rout為芯片引腳2、4上的電阻，Ω。

該電路采用100 kΩ和1 kΩ的電阻配合LT3092芯片，產(chǎn)生1 mA電流，經(jīng)過Pt100鉑電阻產(chǎn)生相應(yīng)電壓后，將電壓放大34.3倍(根據(jù)極限工作溫度-30～+150 ℃，對應(yīng)的電阻值設(shè)置放大倍數(shù))。第一個OPA2211運放的輸出端電壓范圍約為3～5.1 V，超出了采集范圍。所以，加入減法電路，使AD1的電壓減小為0.5～2.6 V，符合采用要求。

圖2所示的電路中，Pt100電阻與輸出電壓轉(zhuǎn)換的公式為：

(2)

式中：UAD1為AD1端的電壓，V；RPt100為Pt100的阻值，Ω。

根據(jù)Pt100電阻和溫度的關(guān)系，可以得出溫度與電壓的關(guān)系為：

(3)

2.3　傾角傳感器

在機械手系統(tǒng)中，多臂體串聯(lián)所造成的誤差累積會對系統(tǒng)的安全性造成極大的危害；而位置傳感器自身精度問題所帶來的電機旋轉(zhuǎn)微小誤差(表現(xiàn)為擺臂誤差)，在機械臂末端亦將造成非常大的累積誤差。所以，該系統(tǒng)通過高精度雙軸傾角傳感器采集每個臂體的實際傾角信息，使得該系統(tǒng)的構(gòu)成閉環(huán)控制，以矯正位姿信息。

傾角傳感器外圍電路如圖3所示。

圖3　傾角傳感器外圍電路

該系統(tǒng)中的傾角傳感器采用ADI公司的ADIS16209芯片。該芯片內(nèi)部含有1個嵌入式控制器，使用出廠時安裝的校正系數(shù)動態(tài)地檢測系統(tǒng)環(huán)境，并補償直接數(shù)字角度輸出，校正溫度、電壓、角度等參數(shù)變化導致的誤差。ADIS16209由12位輔助ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和警報器組成，具備數(shù)字自動檢測以及可程控的狀態(tài)監(jiān)視功能。該器件采用SPI通信方式，單電源3～3.6 V供電，能夠抵抗3 500g(重力加速度)沖擊，工作溫度為-40～+125 ℃[5-6]。

本設(shè)計采用電阻和電容組成充電電路，實現(xiàn)上電后芯片的自動復位。電容為10 μF，電阻為100 kΩ。根據(jù)電容充放電公式(4)，可以得到充放電時間。

(4)

(5)

式中：Ut為t時刻的電壓，V；U1為最后充滿的電壓，V；U0為初始電壓，V；C為電容，F(xiàn)；R為電阻，Ω。

當電量充滿時，電壓為3.3 V，t時刻電壓為0.8 V，初始值為0。由此可以計算出t=278 ms，滿足芯片復位需求。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序流程如圖4所示。由于溫度在該系統(tǒng)中只作為輔助信息，其精度在0.5 ℃即可。對于2個溫度采集的結(jié)果，取其高8位數(shù)據(jù)上傳至上位機，有利于節(jié)省傳輸時間[7]。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

4　測試結(jié)果和電路改進

對系統(tǒng)的各個模塊和性能進行測試，主要包括耐高溫、位姿模塊誤差和傾角模塊誤差等試驗。

4.1　耐高溫測試

采用蘇州德瑞普DRP-8802型恒溫鼓風干燥箱，對該采集系統(tǒng)進行了多次耐高溫試驗，并通過實時監(jiān)控該采集系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)來判定其是否正常工作。多次的耐高溫試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的平均耐高溫約為104 ℃。依據(jù)測試結(jié)果，對電路上的芯片進行了耐高溫測試。采用排除法(將芯片逐個斷電)，發(fā)現(xiàn)單片機的耐高溫性能最差。通過紅外儀測得電路工作時的紅外圖像，單片機的溫度比其周圍高約20 ℃。經(jīng)分析，其原因可能為：芯片自身功耗的溫升、芯片分布過于密集。所以，必須通過一些舉措提高電路板的耐高溫性能[8-9]。

①將單片機的封裝由薄型四邊引腳扁平封裝(thin profile guad flat packet,TFQP)(封裝熱阻45.8 ℃/W)改為44引腳QFN(封裝熱阻24.5 ℃/W)，可降低46.5%的溫升。

②高耗能芯片的印刷電路板(printed circuit board,PCB)兩面鋪銅和過孔，增強熱散能力。

③分散芯片布局，使元件熱散面積最優(yōu)化[10]。

對改進后的電路進行了耐高溫試驗，在溫度達到123 ℃時，位置傳感器AS5047D停止工作，電路上其他芯片仍能正常運作。而后將電路置于115 ℃下進行5次重復試驗，每次測驗1 h，電路系統(tǒng)均正常工作，表明對電路板的修改改善了其耐高溫性能。表1即為電路改進前后的耐高溫測量結(jié)果對比。

表1　耐高溫測量結(jié)果對比

4.2　位置和傾角數(shù)據(jù)準確性試驗

為了對系統(tǒng)的精確性進行測試，搭建了由上位機、單軸機械臂、2個擺臂電機、采集板和激光跟蹤儀組成的測試臺。采集板和電機都位于機械臂末端，通過上位機控制電機運動。機械臂可以實現(xiàn)水平和垂直的擺臂運動。

上位機對電機進行控制，機械臂擺動角度由激光跟蹤儀進行測定，并與采集系統(tǒng)得到的結(jié)果進行對比，誤差曲線如圖5所示。

當機械臂水平運動以2°為間隔量對-90°～+90°進行測定，所得誤差如圖5(a)所示。從圖5(a)中看出，測定誤差基本在±0.1°以內(nèi)。接著，對傾角的定位精度進行測試。由于系統(tǒng)設(shè)計要求機械臂上下擺動幅度在±45°以內(nèi)即可，所以在測試過程中就以極限值作為試驗范圍。從圖5(b)的測試結(jié)果中看出，在±45°內(nèi)，垂直擺動的誤差保持在±0.1°內(nèi)，符合系統(tǒng)要求。

圖5　誤差曲線

經(jīng)過分析，產(chǎn)生角度誤差的因素主要為：磁體的均勻性、磁體與芯片的空間位置精度、電機的步進精度。為提升機械臂控制精度，采用磁極分布更勻稱的磁體，提升機械安裝精度和采用步進精度更高的電機，使得控制效果更佳。

5　結(jié)束語

針對試驗型先進超導托卡馬克裝置的內(nèi)窺機械手臂高精度定位和耐高溫的要求，提出了一種基于高精度磁編碼傳感器AS5047D和傾角傳感器ADIS16209相結(jié)合的位姿采集系統(tǒng)，并采用多種輔助傳感器對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測。

針對電路設(shè)計中易出現(xiàn)的一些問題，采用多項優(yōu)化措施，使電路采集系統(tǒng)能夠在保證穩(wěn)定性的前提下適應(yīng)115 ℃高溫環(huán)境。通過大量的試驗，驗證了該采集系統(tǒng)具備耐高溫和高精度定位的性能，達到了機械臂體的設(shè)計要求。

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