可伸縮高空作業(yè)機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文/劉一澎

1 引言

隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域需要進(jìn)行高空作業(yè)，依賴于高空作業(yè)機(jī)械臂來(lái)完成的任務(wù)也越來(lái)越多。以往，在將關(guān)節(jié)和長(zhǎng)度固定的臂組合而對(duì)人類的手臂進(jìn)行仿真時(shí)，針對(duì)不同的任務(wù)需求，會(huì)設(shè)計(jì)出不同的長(zhǎng)度的機(jī)械臂。在高空作業(yè)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)完成時(shí)，機(jī)械臂的工作能力及其能夠工作的空間范圍也就已經(jīng)確定了。高空作業(yè)機(jī)械臂無(wú)法有效地?cái)U(kuò)展其能夠執(zhí)行的任務(wù)范圍，從而應(yīng)用領(lǐng)域被極大程度地制約。

本文提出一種可伸縮高空作業(yè)機(jī)械臂，其能夠適應(yīng)不同類型的高空任務(wù)，協(xié)助、代替高空作業(yè)人員工作，降低高空作業(yè)人員發(fā)生危險(xiǎn)的可能性。并且，在對(duì)整條機(jī)械臂進(jìn)行構(gòu)型時(shí)，合理考慮構(gòu)成機(jī)械臂的各個(gè)臂所要發(fā)揮的功能。以下，將對(duì)高空作業(yè)機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2 高空作業(yè)機(jī)械臂總述

2.1 高空作業(yè)機(jī)械臂的功能概述

高空作業(yè)機(jī)械臂的主要功能包括如下方面：

（1）機(jī)械臂整體為5自由度，即，旋轉(zhuǎn)臺(tái)具有1回轉(zhuǎn)自由度，肩部具有1回轉(zhuǎn)自由度，軸部具有1回轉(zhuǎn)自由度，長(zhǎng)臂和短臂分別具有1伸縮自由度。

（2）機(jī)械臂能夠進(jìn)行可靠且可重復(fù)的伸展與收縮運(yùn)動(dòng)。

（3）長(zhǎng)臂和短臂各自的內(nèi)外筒直徑相差盡量小，整體剛度大，以能夠承受作業(yè)過(guò)程中的沖擊。

2.2 高空作業(yè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)

高空作業(yè)機(jī)械臂如圖1所示。具體而言，高空作業(yè)機(jī)械臂包括：旋轉(zhuǎn)臺(tái)1，其可自由旋轉(zhuǎn)；肩部2，其裝設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)1上，能夠繞與旋轉(zhuǎn)臺(tái)1平行的第1軸線CL1旋轉(zhuǎn)；長(zhǎng)臂3，其一端安裝于肩部2，能夠沿長(zhǎng)臂3的長(zhǎng)度方向伸縮；肘部4，其設(shè)于長(zhǎng)臂3的另一端，能夠繞與第1軸線CL1平行的第2軸線CL2旋轉(zhuǎn)；短臂5，其一端安裝于肘部4，能夠沿短臂5的長(zhǎng)度方向伸縮；以及腕部6，其設(shè)于短臂5的另一端。任務(wù)操作部安裝于腕部6，用于執(zhí)行高空作業(yè)任務(wù)，其可根據(jù)高空作業(yè)機(jī)械臂所要執(zhí)行的任務(wù)而安裝不同的工具。

長(zhǎng)臂3能夠沿長(zhǎng)臂3的長(zhǎng)度方向伸縮，并且能夠多級(jí)伸縮，在高空作業(yè)機(jī)械臂的工作中用于解決工作距離問(wèn)題。短臂5能夠沿短臂5的長(zhǎng)度方向伸縮，并且能夠兩級(jí)伸縮，在高空作業(yè)機(jī)械臂的工作中用于執(zhí)行精細(xì)化操作。

由于長(zhǎng)臂3的作用在于確定高空作業(yè)的高度，因此長(zhǎng)臂3并不需要較高的定位精度。另一方面，由于短臂5主要進(jìn)行精細(xì)化作業(yè)，因此對(duì)精度要求較高。為了對(duì)構(gòu)成機(jī)械臂的各個(gè)臂進(jìn)行合理構(gòu)型，長(zhǎng)臂3采用直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)加上多級(jí)滑輪-排繩的方案，短臂5采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠組傳動(dòng)的方案，其具有傳動(dòng)效率高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕這樣的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 高空作業(yè)機(jī)械臂的短臂的結(jié)構(gòu)

由于短臂對(duì)精度要求較高，以下對(duì)短臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

短臂5包括直流馬達(dá)51、滾珠絲杠52以及絲杠螺母53。直流馬達(dá)51布置于第1筒56，通過(guò)聯(lián)軸器連接驅(qū)動(dòng)軸，再經(jīng)由安裝于驅(qū)動(dòng)軸的主動(dòng)齒輪54和從動(dòng)齒輪55連接于滾珠絲杠52，其中，從動(dòng)齒輪55與主動(dòng)齒輪54嚙合。第2筒57以能夠相對(duì)滑動(dòng)而不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式配置于第1筒56。絲杠螺母53與第2筒57固定連接。從直流馬達(dá)51以齒輪傳動(dòng)的方式將動(dòng)力傳遞至滾珠絲杠52，滾珠絲杠52相對(duì)于絲杠螺母53旋轉(zhuǎn)，從而短臂5進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)。

3 高空作業(yè)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的構(gòu)成和控制流程

以下將對(duì)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和控制流程進(jìn)行介紹。

3.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

高空作業(yè)機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)主要包括電源、上位機(jī)、主控制器、CAN總線通信模塊、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器這六大部分。驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。

電源包含用于將220V交流電轉(zhuǎn)換為24V/5V直流電的AC-DC模塊，以滿足主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)等的供電要求。AC-DC模塊的輸出電壓精度為±1%，并具有過(guò)流保護(hù)。

主控制器包括串口傳輸模塊、CAN傳輸模塊以及主芯片。主控制器通過(guò)CAN總線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，各驅(qū)動(dòng)器分別與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，串口傳輸模塊用于收發(fā)數(shù)據(jù)，CAN傳輸模塊用于與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)通信，主芯片實(shí)現(xiàn)控制邏輯與功能。

圖3：驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)控制指令由上位機(jī)通過(guò)串口傳輸方式發(fā)送給主控制器，主控制器解算控制指令并經(jīng)由CAN總線使電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。主控制器將當(dāng)前電機(jī)驅(qū)動(dòng)器速度、電流數(shù)據(jù)等通過(guò)串口傳輸方式反饋給上位機(jī)，發(fā)揮遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能。主控制器通過(guò)CAN總線對(duì)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別進(jìn)行控制。電機(jī)編碼器的輸出信號(hào)分別反饋給與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成速度閉環(huán)控制。

3.2 控制系統(tǒng)的控制流程

圖4：高空作業(yè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)的控制流程

圖5：機(jī)械臂工作流程圖

圖6：LPC1788最小系統(tǒng)

圖7：電源電路原理圖

在高空作業(yè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)由上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送給高空作業(yè)機(jī)械臂的主控制器，主控制器經(jīng)由CAN總線向各關(guān)節(jié)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令，從而電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)各電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。具體而言，首先進(jìn)行機(jī)械臂控制器初始化；然后對(duì)CAN口初始化，使能CAN中斷并設(shè)置CAN中斷優(yōu)先級(jí)；然后初始化串口，初始化外接，初始化系統(tǒng)時(shí)鐘；然后初始化CAN通信主機(jī)（控制器），初始化CAN通信從機(jī)（驅(qū)動(dòng)器），初始化CAN定時(shí)器。之后，每隔20ms檢測(cè)串口狀態(tài)，等待來(lái)自串口的指令，并且，每隔50ms更新驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)以及速度值等信息。控制流程如圖4所示。

3.3 高空作業(yè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)的控制方式

利用高空作業(yè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)，能夠控制機(jī)械臂執(zhí)行各種作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)所執(zhí)行的控制的流程圖如圖5。

圖8：JTAG原理圖

具體而言，首先，根據(jù)實(shí)際情況確定作業(yè)目標(biāo)相對(duì)于高空作業(yè)裝置的位置關(guān)系。然后，控制系統(tǒng)對(duì)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的朝向進(jìn)行調(diào)整，使得高空作業(yè)機(jī)械臂朝向作業(yè)目標(biāo)，并對(duì)肩部的角度進(jìn)行控制，使長(zhǎng)臂相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)的夾角處于初始角度。然后，調(diào)整長(zhǎng)臂的長(zhǎng)度從而調(diào)整長(zhǎng)臂的末端的高度，例如使肘部相對(duì)于作業(yè)目標(biāo)處于同一或大致同一高度。判斷作業(yè)目標(biāo)是否處于短臂的工作范圍內(nèi)，并修正肩部的角度。

在確定了長(zhǎng)臂的姿態(tài)之后，對(duì)短臂的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，從而使得作業(yè)目標(biāo)處于任務(wù)操作部的工作范圍內(nèi)。對(duì)肘部的角度進(jìn)行修正，從而執(zhí)行作業(yè)過(guò)程。

4 主控制器設(shè)計(jì)

以下，對(duì)可伸縮高空作業(yè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)的主控制器進(jìn)行介紹。主控制器是基于ARM微控制器LPC1788的最小系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器。

4.1 LPC1788最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)是指去除掉其中任何一部分，該最小系統(tǒng)都無(wú)法成為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。本文的最小系統(tǒng)包括LPC1788芯片及其外圍電路和接口，為滿足與PC通信的需要，進(jìn)一步添加了串口通信電路。具體而言，最小系統(tǒng)包括LPC1788芯片、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路和JTAG等。最小系統(tǒng)的框圖如6所示。

4.2 電源電路設(shè)計(jì)

LPC1788是一塊功耗比較小的芯片，I/O電壓為3.3V。本控制系統(tǒng)采用AMS公司的117M3穩(wěn)壓電源芯片。該芯片包括3.3V和5V這兩種電壓，能夠同時(shí)滿足LPC1788芯片和外圍電路的電力要求。電路原理圖如圖7所示。

具體而言，電源從DC接口接入，輸入的電源經(jīng)過(guò)開關(guān)K1后利用電容C1、C2進(jìn)行濾波，其中，電容C1濾除高頻雜波，電容C2濾除低頻雜波。濾波之后的電源在利用三端穩(wěn)壓器ASM1117進(jìn)行穩(wěn)壓之后再次利用電容C3、C4進(jìn)么濾波，最后輸出VCC電壓供電路使用。其中，電阻R1和LED構(gòu)成電源指示電路。

4.3 JTAG接口設(shè)計(jì)

ARM仿真器支持Flash存儲(chǔ)器的在線燒寫，并可以在線對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。在傳統(tǒng)電路仿真中，若線纜過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真、仿真插頭可靠性差等不良狀況。通過(guò)LPC1788芯片提供的掃描仿真消除了上述問(wèn)題。JTAG設(shè)計(jì)原理如圖8所示。另外，在調(diào)試程序時(shí)，須與IAR編譯環(huán)境以及仿真器配合使用。

4.4 CANopen通信

高空作業(yè)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)和伸縮驅(qū)動(dòng)電機(jī)與主控制器之間采用CANopen通信。

上位機(jī)和兩個(gè)子系統(tǒng)的控制器通過(guò)無(wú)線模塊傳輸，它們之間的通信協(xié)議為CANopen協(xié)議。本文選用PCA82C250。在進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，首先，與CAN控制器連接的處理器從其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)讀取要發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與主機(jī)的ID地址一起組成的信息幀按照CAN報(bào)文結(jié)構(gòu)向發(fā)送緩沖器發(fā)送。之后，對(duì)命令寄存器中的發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志置位，在接收到發(fā)送請(qǐng)求之后，CAN控制器自動(dòng)完成發(fā)送過(guò)程。當(dāng)檢測(cè)到接收緩沖器中存在有效報(bào)文之后，接收程序?qū)⒆x取接收緩沖器中的內(nèi)容。

5 結(jié)語(yǔ)

以上，介紹了一種可伸縮高空作業(yè)機(jī)械臂。結(jié)合可伸縮高空作業(yè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)以及研制要求，確定了其控制系統(tǒng)的構(gòu)成，并且對(duì)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)的控制流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。之后闡述了控制系統(tǒng)的主控制器的最小系統(tǒng)、電源電路以及JTAG接口的設(shè)計(jì)。該機(jī)械臂的控制系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間采用CANopen通信方式進(jìn)行通信。