一种同构式主从液压机械手的设计.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０４１ 收稿日期 ２０１４－０６－１３ 作者简介 张丽 （１９７８）， 女， 硕士， 研究方向为机电一体化。 Ｅ－ｍａｉｌ ｃｔｌｓｔｔ５２０＠ １２６􀆱 ｃｏｍ。 一种同构式主从液压机械手的设计 张丽 （盐城工业职业技术学院机电工程学院， 江苏盐城 ２２４００５） 摘要 提出一种同构式主从液压机械手， 应用直线型光栅作为主手位置的检测装置、 应用步进式电动推杆驱动从手， 设计了新型液压传动装置并用此液压装置传递动力， 主手的直线型光栅发出的脉冲经硬件电路处理后， 直接作为步进式电 动推杆的驱动与控制脉冲， 步进式电动推杆经液压传动装置把运动传递给机械手的从手， 从手可完全、 实时重复主手的 动作。 关键词 同构主从式机械手； 直线型光栅； 步进式电动推杆； 实时再现 中图分类号 ＴＨ１３７􀆱 ５２ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－１２０－２ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ Ｉｓｏｍｏｒｐｈｉｓｍ Ｔｙｐｅ Ｍａｓｔｅｒ⁃ｓｌａｖｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ＺＨＡＮＧ Ｌｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｙａｎｃｈｅｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｙａｎｃｈｅｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２４００５， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｎ ｉｓｏｍｏｒｐｈｉｓｍ ｔｙｐｅ ｍａｓｔｅｒ⁃ｓｌａｖｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｌｉｎｅａｒ ｇｒａｔｉｎｇ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｈａｎｄ ｐｏｓｉ⁃ ｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ， ａｐｐｌｙｉｎｇ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｔｙｐｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｕｓｈ ｒｏｄ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ ｓｌａｖｅ ｈａｎｄ， ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｏｗｅｒ． Ｔｈｅ ｐｕｌｓｅｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｍａｓｔｅｒ ｈａｎｄ ｌｉｎｅａｒ ｇｒａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｔｈｅｎ ｔｈｅｙ ｗｅｒｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｕｌｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｕｓｈ ｒｏｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ， ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｕｓｈ ｒｏｄ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｌａｖｅ ｈａｎｄ， ｓｏ ｔｈｅ ｓｌａｖｅ ｈａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｒｅｐｅａｔ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｈａｎｄ ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｉｓｏｍｏｒｐｈｉｃ ｍａｓｔｅｒ⁃ｓｌａｖｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ； Ｌｉｎｅａｒ ｇｒａｔｉｎｇ； Ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｕｔｔｅｒ； Ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ ｒｅｐｅａｔｉｎｇ 主从式机械手研究始于 ２０ 世纪 ４０ 年代， 随着科 技的发展， 主从式机械手技术得到了长足的进步， 现 已是机器人的重要组成部分， 亦是目前日本、 美国等 多国竞相研究的一种操纵技术。 现有的同构主从机械手的操控模式是 主手作为 控制端， 主手的关节位置处安装有检测主手的主要部 件空间相对位置的角位移传感器 （如编码器或电位 计等）， 传感器把主手的主要部件的空间相对位置信 息以二进制编码的形式发送给主控制器， 主控制器把 这个二进制代码发送给从手的控制器， 从手控制器根 据这个二进制代码按着一定算法 （如 ＰＩＤ 算法） 控 制从手动作， 使从手 “复现” 主手的动作。 这种控制模式有着明显的不足（１） 主手的主 要部件空间相对位置信息经历信号的采集、 传感器到 主控器的传输、 主控器到从手控制器的传输、 从手控 制器按着一定算法计算后， 发送控制指令控制从手电 机、 从手的电机转动使从手 “复现” 主手的空间位 置等过程， 信号传输和运算都要消耗一定时间， 从手 “复现” 主手的空间位置也要消耗一定时间， 这必然 导致从手 “复现” 主手动作的实时性不高。 （２） 现 有的主从机械手的控制方式多是位置控制， 从手只能 “复现” 主手的空间位置， 而无法 “复现” 主手移动 速度， 这会导致从手无法高质量地 “复现” 主手的 动作。 （３） 从手的驱动元多为电动机， 电动机的功 率质量比小， 从手带负载能力有限， 如要增大驱动力 矩就要选用大功率电机， 选用大功率电机又会增大从 手的尺寸、 体积和质量， 增大了系统的惯性， 降低了 系统的响应速度和从手动作的灵活性。（４） 即使有 的从手用液压伺服系统控制与驱动， 从手只能 “复 现” 主手的位置， 无法 “复现” 主手的移动速度， 从手 “复现” 主手运动质量较差。 文中提出一种新型主从式液压机械手， 该机械手 的从手可实时 “复现” 主手动作， 响应极为迅速， 刚度好、 带负载能力强， 极大程度上提高主从机械手 的操控质量， 可用于抢险、 救灾、 军事及各种工农业 生产中。 １ 系统组成及工作原理 主手的主要组成部分和从手的主要组成部分有相 似的结构形式， 主手的结构形式如图 １ 所示， 从手的 结构形式如图 ２ 所示。 主手的检测装置置于主手手臂 的外侧， 主手的这种结构形式便于操控人员操控， 主手可依附于操控人员的手臂上， 操控人员移动手臂 会带动主手运动， 即主手会实时复现操控人员手臂的 动作。 图 １ 主手的结构形式 图 ２ 从手的结构形式 主手由连杆 Ａ、 连杆 Ｂ、 连杆 Ｃ、 光栅尺 Ａ、 光 栅尺 Ａ 的信号处理电路、 光栅尺 Ｂ、 光栅尺 Ｂ 的信号 处理电路、 光栅尺 Ｃ、 光栅尺 Ｃ 的信号处理电路等主 要部分组成， 从手由连杆 Ａ１、 连杆 Ｂ１、 连杆 Ｃ１、 液 压传动装置 Ａ、 液压传动装置 Ｂ、 液压传动装置 Ｃ、 步进式电动推杆 Ａ、 步进式电动推杆 Ｂ、 步进式电动 推杆 Ｃ、 步进电机驱动器 Ａ、 步进电机驱动器 Ｂ、 步 进电机驱动器 Ｃ 等主要部分组成。 其中， 液压传动 装置 Ａ 由液压缸 Ａ、 液压缸 Ａ１ 组成， 液压传动装置 Ｂ 由液压缸 Ｂ、 液压缸 Ｂ１ 组成， 液压传动装置 Ｃ 由 液压缸 Ｃ、 液压缸 Ｃ１ 组成。 光栅尺 Ａ、 光栅尺 Ａ 的信号处理电路、 步进电机 驱动器 Ａ、 步进式电动推杆 Ａ、 液压传动装置 Ａ 组成 一个基本控制单元， 光栅尺 Ｂ、 光栅尺 Ｂ 的信号处理 电路、 步进电机驱动器 Ｂ、 步进式电动推杆 Ｂ、 液压 传动装置 Ｂ 组成一个基本控制单元， 光栅尺 Ｃ、 光栅 尺 Ｃ 的信号处理电路、 步进电机驱动器 Ｃ、 步进式电 动推杆 Ｃ、 液压传动装置 Ｃ 组成一个基本控制单元， 这 ３ 个基本控制单元有相同的工作原理。 文中以光栅尺 Ａ、 光栅尺 Ａ 的信号处理电路、 步 进电机驱动器 Ａ、 步进式电动推杆 Ａ、 液压传动装置 Ａ 组成的基本控制单元为例， 阐述机械手控制原理。 步进式电动推杆 Ａ、 液压传动装置 Ａ 的机械部分连接 方式如图 ３ 所示， 当电动推杆进行伸缩运动时， 会带 动液压缸 Ａ 的活塞杆运动， 液压缸 Ａ 的活塞杆通过 液压油会带动液压缸 Ａ１ 的活塞杆运动， 这样即可把 步进式电动推杆的运动传递至液压缸 Ａ１。 利用液压 缸 Ａ１ 来驱动从手， 可不必把电动推杆 Ａ 安装在从手 上， 这样可有效减小从手的尺寸和质量， 可提高从手 的响应速度和扩大从手的运动空间。 图 ３ 步进式电动推杆 Ａ、 液压传动 装置 Ａ 的机械部分连接方式 光栅尺 Ａ、 光栅尺 Ａ 的信号处理电路、 步进电机 驱动器 Ａ 的电气连接图如图 ４ 所示。 图 ４ 光栅尺 Ａ、 光栅尺 Ａ 的信号处理电路、 步进电机驱动器 Ａ 的电气连接图 光栅尺是通过摩尔条纹原理， 通过光电转换， 以 数字方式表示线性位移量的高精度位移传感器。 光栅 尺由读数头、 主尺和接口组成。 当栅线为 ５０ 线对／ ｍｍ 时， 其光栅的栅 ０􀆱 ０２ ｍｍ。 当操控人员移动手臂 时， 会带动主手运动， 主手上的光栅尺 Ａ 的主尺和 读数头就会有相对的移动， 光栅尺 Ａ 的接口会有相 位相差 ９０的 Ａ 相脉冲和 Ｂ 相脉冲输出， 光栅尺 Ａ 输 出 Ａ 相脉冲和 Ｂ 相脉冲的数量正比于光栅的主尺和 读数头的相对移动距离， 光栅尺输出 Ａ 相脉冲和 Ｂ 相脉冲的频率正比于主尺和读数头相对移动速度， 可 根据 Ａ、 Ｂ 相脉冲的相位关系判断读数头相对主尺的 移动方向， 此设计选用支持 ＴＴＬ 电平输出的光栅尺。 光栅尺 Ａ 的处理电路选用下降沿触发的 Ｄ 触发器 （如 ＩＮ７４ＨＣ２７３Ａ）、 把光栅尺 Ａ 的 Ａ 相脉冲作为 Ｄ 触发器的时钟信号， 光栅尺的 Ｂ 相脉冲作为 Ｄ 触发 （下转第 １２４ 页） １２１第 ２２ 期张丽 一种同构式主从液压机械手的设计 当工件所需加工孔较深时， 可将系统设计成如 图 ３ 所示钻头 ３ 次进给的状态， 仿真曲线如图 ５ 所 示。 图 ５ 中的气缸 Ｂ 行程曲线表明 钻头钻孔的过 程中有 ３ 次进退以排铁屑保证工件的加工质量和加 工精度。 图 ５ 钻头三次进给气缸行程仿真曲线 ４ 结论 利用双压阀的与门功能和双气动二位三通阀的记 忆功能， 组建了一种新的步进模块， 构成自动钻床气 控回路的核心， 再与其他元件共同组成气动控制回 路。 最后对气控回路原理图进行 ＦｌｕｉｄＳＩＭ 仿真并进 行分析， 实验结果与工作要求完全吻合， 从而验证了 在钻头需要多次进给的场合使用这种步进模块的可行 性与有效性。 参考文献 ［１］ 李建国．基于 ＰＬＣ 的气动机械手的改装设计［Ｊ］．液压与 气动，２０１１（８）２１－２３． ［２］ 马晓明．基于 Ｘ⁃Ｄ 线图的多缸多往复气动回路设计［Ｊ］． 制造技术与机床，２０１１（５）７５－７８． ［３］ 吴倩，陆春元．纯气动步进控制回路的设计及应用［Ｊ］． 煤矿机械，２００７，２８（７）２８－３０． ［４］ 许福玲，陈尧明．液压与气压传动［Ｍ］．北京机械工业 出版社，２００７． ［５］ 郭津津，王晓兰，袁旭．ＦｌｕｉｄＳＩＭ 软件在液压传动教学 中的应用［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（２）８０－８２． ［６］ 丁时锋，李清香，王力群，等．基于 ＦｌｕｉｄＳＩＭ⁃Ｐ 软件的膨 胀管开槽机气控系统设计［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１ （２２）１０３－１０５． ［７］ 齐继阳，鲁鼎，吴倩．ＦｌｕｉｄＳＩＭ 在气动装置设计中的应用 ［Ｊ］．液压与气动，２０１２（８）９９－１０２． ［８］ 机械设计手册编委会．机械设计手册单行本气压传动与 控制［Ｍ］．北京机械工业出版社，２００７． （上接第 １２１ 页） 器的输入信号。 当 Ａ 相脉冲的相位超前 Ｂ 相脉冲的 相位 ９０高电平； Ｂ 相脉冲相位超前 Ａ 相脉冲相位 ９０时， Ｄ 触发器输出端输出低电平。 时， Ｄ 触发器 输出端输出当光栅 Ａ 和读数头的相对移动方向发生 改变时， Ｄ 触发器的输出端信号会有高低电平的转 换。 光栅尺输出的 Ａ 相脉冲同时接入步进电机驱动 器 Ａ 的 ＣＰ 端， Ｄ 触发器信号输出端和步进电机驱动 器 Ａ 方向控制端相连接， 光栅发出的 Ａ 相脉冲通过 步进电机驱动器 Ａ 控制步进电机的角位移和角速度， 即控制步进式电动推杆 Ａ 的轴向移动距离和速度， Ｄ 触发器输出端的信号控制步进电机的转向， 即控制电 动推杆 Ａ 的移动方向。 下文以该主从机械手其中一对对应关节为例， 阐 述主从机械手运动原理， 其他对应关节的工作原理与 此相同。 主从机械手其中一对对应关节如图 ５ 所示， 设主手上的光栅尺移动 Ｌ 会发出 １ 个脉冲， 步进式电 动推杆的脉冲当量为 ａ， 液压传动装置中液压缸有相 同的尺寸结构， 那么主手和从手的结构上使 Ｌ１／ Ａ１＝ Ｌ２／ Ａ２ ＝Ｌ ３／ Ａ３＝ Ｌ／ ａ 即可保证从手可完整复现主手的 动作。 图 ５ 主从机械手其中一对对应关节 ２ 结束语 文中所设计的一种主从机械手， 响应迅速， 刚度 好、 带负载能力强， 极大程度上提高主从机械手的操控 质量， 可用于抢险、 救灾、 军事及各种工农业生产中。 参考文献 ［１］ 阎石，数字电子技术基础［Ｍ］．北京高等教育出版社， １９９８． ［２］ 张佳帆，陈鹰，杨灿军．柔性外骨骼人机智能系统［Ｍ］． 北京科学出版社，２０１１． ［３］ 王更，王晓雷．控制电机及其应用［Ｍ］．北京电子工业 出版社，２０１２． ［４］ 周长城．液压技术基础［Ｍ］．北京机械工业出版社， ２０１１． ４２１机床与液压第 ４３ 卷