[發(fā)明專利]基于現(xiàn)實(shí)虛擬互動的模塊化液壓機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410240452.7
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103995478A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高煥兵;劉存根;隋首鋼;劉真娜;劉金存;韓佳林
• 申請（專利權(quán)）人: 山東建筑大學(xué)
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于現(xiàn)實(shí)虛擬互動的模塊化液壓機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺及方法。

背景技術(shù)

從近幾年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機(jī)械臂是目前在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的自動化機(jī)械裝置，主要用于汽車工業(yè)、電子、機(jī)械加工、塑料橡膠、食品飲料行業(yè)以及醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化，控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化，伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化，多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化，以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。

模塊化機(jī)械臂由大量分散的模塊組成。每個模塊都可以與另外一個或其它大量的模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械上的聯(lián)接。單個模塊可能只有一個自由度，極平常，但是結(jié)合后可以構(gòu)成一個隨心所欲的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不僅一個具備隨意復(fù)雜性的機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)，而且大量的極其不同的機(jī)械臂也可以由共同的模塊構(gòu)成。隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，個性化需求日益增多，模塊化機(jī)械臂的應(yīng)用空間將越來越廣。

目前國外正對其展開深入研究，國內(nèi)這方面的工作還處在探索階段，然而對模塊化機(jī)械臂的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用中的研究開發(fā)需要的開銷很大，特別是在由大量模塊(＝自由度)組成的情況下，電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械臂技術(shù)成熟、控制精度高，應(yīng)用廣泛。而液壓機(jī)械臂由于系統(tǒng)組成復(fù)雜，缺乏有力的液壓實(shí)驗(yàn)平臺，國際上應(yīng)用較少，但是一些特設(shè)場合對液壓機(jī)械臂有一定量的需求。根據(jù)主從控制機(jī)器人操作機(jī)械臂液壓伺服控制系統(tǒng)的需求，基于現(xiàn)實(shí)虛擬互動的模塊化液壓機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺為模塊化液壓機(jī)械臂的研究和開發(fā)做好預(yù)研準(zhǔn)備而研制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了基于現(xiàn)實(shí)虛擬互動的模塊化液壓機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺，包括電液伺服閥、液壓油缸和馬達(dá)、液壓油源、力/位移傳感器等液壓系統(tǒng)硬件部分以及多自由度機(jī)械臂三維虛擬仿真模型、虛擬實(shí)測模型、機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)正逆解模型等軟件部分，可以根據(jù)需求快速更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括液壓缸和伺服閥等，對不同組成的電液伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)特性分析和動態(tài)特性分析和對液壓機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，能夠?yàn)槎嘧杂啥纫簤簷C(jī)械臂的技術(shù)研究提供軟硬件試驗(yàn)平臺。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：

基于現(xiàn)實(shí)虛擬互動的模塊化液壓機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺，包括上位機(jī)主控系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)及液壓伺服控制試驗(yàn)臺，上位機(jī)主控系統(tǒng)用于控制安裝在液壓伺服控制試驗(yàn)臺上的運(yùn)動控制系統(tǒng)；

所述上位機(jī)主控系統(tǒng)包括觸摸屏及工控機(jī)，觸摸屏與工控機(jī)通信連接，工控機(jī)通過以太網(wǎng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)中的運(yùn)動控制器連接，運(yùn)動控制器通過CAN-bus總線與若干個數(shù)字量I/O接口及模擬量I/O接口連接，運(yùn)動控制器還通過電液伺服閥組控制多個液壓油缸和液壓馬達(dá)，液壓油缸和液壓馬達(dá)分別通過測量傳感器與對應(yīng)的模擬量I/O接口相連，數(shù)字量I/O接口與工作狀態(tài)及報(bào)警指示燈相連；

所述多個液壓油缸和一個液壓馬達(dá)的各執(zhí)行部件與實(shí)際機(jī)械臂各關(guān)節(jié)執(zhí)行器相吻合，所述各執(zhí)行部件接收運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，在運(yùn)動控制器中與液壓油缸或馬達(dá)通過傳感器反饋回來的實(shí)際位置信息相比較，成為誤差的電流信號經(jīng)放大后送入電液伺服閥，電液伺服閥按一定的比例將電流信號轉(zhuǎn)變成液壓油量推動液壓油缸運(yùn)動以達(dá)到模擬各機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動功能。

所述多個液壓油缸和一個液壓馬達(dá)的各關(guān)節(jié)執(zhí)行部件具體為多個液壓油缸對應(yīng)的腰部回轉(zhuǎn)執(zhí)行部件、大臂俯仰執(zhí)行部件、小臂俯仰執(zhí)行部件、腕部俯仰執(zhí)行部件及腕部搖擺執(zhí)行部件，液壓馬達(dá)對應(yīng)的腕部回轉(zhuǎn)執(zhí)行部件。

所述液壓伺服控制試驗(yàn)臺還包括用于各功能執(zhí)行部件、電液伺服閥組和測量傳感器的安裝固定的安裝臺架，安裝臺架的下部設(shè)有用于存放測試元件及測試工具并配有接油盤的工具箱。

所述液壓伺服控制試驗(yàn)臺還包括為液壓系統(tǒng)提供動力源的液壓站及用于伺服閥組之間的連接的液壓管路。

所述測量傳感器角位移傳感器、壓力傳感器、直線位移傳感器、速度傳感器和扭轉(zhuǎn)傳感器，所述測量傳感器安裝在關(guān)節(jié)執(zhí)行部件上。

所述電液伺服閥組安裝在各關(guān)節(jié)執(zhí)行部件的背面，包括腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰和小臂俯仰閥組，腕部俯仰、腕部搖擺和腕部回轉(zhuǎn)閥組及伺服閥性能測試閥組。

基于現(xiàn)實(shí)虛擬互動的模塊化液壓機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一：測試電液伺服閥組、液壓油缸及液壓馬達(dá)的性能，當(dāng)符合要求時，主控系統(tǒng)軟件主程序進(jìn)行初始化，啟動人機(jī)交互界面；