基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法技术

本发明专利技术提供一种基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法，机械助力臂包括：第一控制系统、提升系统、第二控制系统和机械助力臂本体；第1控制器，用于接收第2控制器上传的操作力信号，并根据操作力信号，通过伺服驱动器而控制交流伺服电机的输出转矩；由于交流伺服电机与提升系统的缠绕轮的缠绕轴相连，进而控制缠绕轮的缠绕状态，最终达到控制夹具紧锁装置进行上升、下降或悬停的动作。优点为：通过检测操作者通过末端操作器发送的操作指令，实现对负载进行上升、下降、悬停和定位；具有整体结构简单、占用体积小以及成本低的优点，为一种实现人机合作作业的特殊作业机器人，可满足各种装配生产线、物流传送作业等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械助力
，具体涉及一种基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法。
技术介绍
随着现代化工业生产的不断发展，工业机器人得到广泛应用，但受成本和功能限制，现有工业机器人还不能独立完成所有的物料搬运工作，大量的物料搬运工作仍需要人来完成。目前，操作工人主要依靠机械助力臂对物料进行搬运，其中，机械助力臂具有显著的人机互助特点。传统的机械助力臂，具有设备笨重、受场地限制和通用性差等不足，仍满足不了制造业的需求。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种基于交流伺服控制的机械助力臂及其操控方法，可有效解决上述问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种基于交流伺服控制的机械助力臂，包括：第一控制系统、提升系统、第二控制系统和机械助力臂本体(1)；其中，所述提升系统包括：缠绕轮(21)、钢丝绳(22)、导向轮(23)和夹具紧锁装置(24)；所述缠绕轮(21)设置于所述机械助力臂本体(1)的尾端，所述导向轮(23)设置于所述机械助力臂本体(1)的头端；所述钢丝绳(22)的尾端缠绕在所述缠绕轮(21)上后，沿水平设置的所述机械助力臂本体(1)的轴向方向延伸，其头端从所述导向轮(23)引出后，在所述钢丝绳(22)的头端固定安装所述夹具紧锁装置(24)，使所述夹具紧锁装置(24)悬挂于所述机械助力臂本体(1)的下方；所述夹具紧锁装置(24)用于与夹具连接；所述第二控制系统包括：末端操作器(31)和第2控制器(32)；所述末端操作器(31)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于感应操作者手指发出的操作力信号，并将所述操作力信号发送给所述第2控制器(32)；
其中，所述操作力信号为控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停信号；所述第2控制器(32)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于接收所述末端操作器(31)发送的所述操作力信号，并将所述操作力信号发送到所述第一控制系统；所述第一控制系统包括：第1控制器(41)、伺服驱动器和交流伺服电机(42)；所述第1控制器(41)，用于接收所述第2控制器(32)上传的所述操作力信号，并根据所述操作力信号，通过所述伺服驱动器而控制所述交流伺服电机(42)的输出转矩；由于所述交流伺服电机(42)与所述提升系统的所述缠绕轮(21)的缠绕轴相连，进而控制所述缠绕轮(21)的缠绕状态，最终达到控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停的动作。优选的，所述机械助力臂本体(1)为二自由度机械臂。优选的，所述二自由度机械臂包括机械大臂(11)、肩部旋转轴(12)、肘部旋转轴(13)和机械小臂(14)；所述机械大臂(11)的肩部安装所述肩部旋转轴(12)，通过操作者施加于所述末端操作器(31)的推拉动作，可控制所述机械大臂(11)沿所述肩部旋转轴(12)进行360°内自由旋转；在所述机械大臂(11)的肘部安装所述肘部旋转轴(13)，从所述肘部旋转轴(13)至所述机械大臂(11)的自由端形成所述机械小臂(14)；通过操作者施加于所述末端操作器(31)的推拉动作，可控制所述机械小臂(14)沿所述肘部旋转轴(13)进行360°内自由旋转。优选的，所述缠绕轮(21)为动力辊；所述导向轮(23)为钢丝滑辊。优选的，所述第一控制系统还包括限位开关和安全锁；所述限位开关和所述安全锁均与所述第1控制器(41)连接；所述限位开关，用于所述钢丝绳(22)上极限位置和下极限位置的检测和保护；所述安全锁，设置于所述缠绕轮(21)上，用于在异常停电和紧急情况下，对所述缠绕轮(21)制动。优选的，所述第1控制器(41)采用三环控制模式，通过所述伺服驱动器控制所述交流伺服电机(42)的输出转矩；所述三环控制模式具体包括：比较单元、延时单元、速度环调节器、电流环调节器、位置环调节器、电流检测器、制动器和编码器；所述比较单元和所述延时单元设置于所述第1控制器(41)的内部；所述速度环调节器、所述电流环调节器和所述位置环调节器设置于所述伺服驱动器的内部；所述电流检测器安装于所述交流伺服电机(42)的前部，用于检测所述伺服驱动器向所述交流伺服电机(42)输出的各相相电流；所述编码器和所述制动器安装于所述交流伺服电机(42)的尾部，所述编码器用于采集所述交流伺服电机(42)的转动速度信息和转动位置信息；所述制动器用于制动所述交流伺服电机(42)，所述制动器的输入端通过所述延时单元连接到所述比较单元；所述制动器的输出端与所述交流伺服电机(42)连接；所述电流环调节器为最内环，其输入端与所述速度环调节器的输出端连接，其反馈端与所述电流检测器的输出端连接，其输出端与所述交流伺服电机(42)的输入端连接；所述电流环调节器的输出即为所述交流伺服电机(42)的各相相电流，使所述交流伺服电机(42)的输入电流等于设定电流；所述速度环调节器为中间环，其输入端分别与所述比较器和所述位置环调节器连接；其反馈端与所述编码器连接，用于接收所述编码器采集到的所述交流伺服电机(42)的当前转动速度信息；其输出端与所述电流环调节器连接，用于向所述电流环调节器输出电流给定；所述位置环调节器为最外环，其输入端与所述比较器连接；其反馈端与所述编码器连接，用于接收所述编码器采集到的所述交流伺服电机(42)的当前转动位置信息；其输出端与所述速度环调节器连接，用于向所述速度环调节器输出速度给定。优选的，所述第二控制系统还包括：操作显示器(25)；所述操作显示器(25)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，与所述第2控制器(32)连接，用于设定控制参数、显示所述第二控制系统和所述第一控
制系统的运行状态以及记录故障；所述夹具锁紧装置(24)包括控制开关和执行电机；所述控制开关和所述执行电机均连接到所述第2控制器(32)；所述第2控制器(32)通过控制所述执行电机，进而控制所述夹具紧锁装置(24)，从而控制夹具对负载进行旋转、锁紧、释放和重心移动操作。本专利技术还提供一种基于交流伺服控制的机械助力臂操控方法，包括以下步骤：S1，当需要移动负载时，第2控制器(32)驱动执行电机动作，进而夹紧负载；S2，在一定范围内水平移动负载，包括：在肘部旋转轴(13)位置安装松紧调节装置，首先锁紧所述松紧调节装置，操作者向末端操作器(31)施加推拉力，进而控制机械大臂(11)沿肩部旋转轴(12)进行360°内自由旋转，直到旋转到第1水平位置点；然后，释放所述松紧调节装置，通过操作者向末端操作器(31)继续施加的推拉力，使机械小臂(14)沿肘部旋转轴(13)进行360°内自由旋转，直到旋转到最终的水平位置点；S3，在上述水平范围内移动负载的过程中，由于操作者同时向末端操作器(31)施加向上、向下或悬停的操作力F，还执行控制负载在垂直方向运动的过程，具体包括：S31，末端操作器(31)感应操作者手指发出的操作力信号；其中，所述操作力信号包括上升、下降或悬停信号；所述末端操作器(31)将所述操作力信号发送到第2控制器(32)；S32，所述第2控制器(32)通过通信线路将所述操作力信号发送到第1控制器(41)；S33，所述第1控制器(41)接收所述操作力信号，并根据所述操作力信号，通过伺服驱动器控制交流伺服电机(42)的输出转矩，进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，包括：第一控制系统、提升系统、第二控制系统和机械助力臂本体(1)；其中，所述提升系统包括：缠绕轮(21)、钢丝绳(22)、导向轮(23)和夹具紧锁装置(24)；所述缠绕轮(21)设置于所述机械助力臂本体(1)的尾端，所述导向轮(23)设置于所述机械助力臂本体(1)的头端；所述钢丝绳(22)的尾端缠绕在所述缠绕轮(21)上后，沿水平设置的所述机械助力臂本体(1)的轴向方向延伸，其头端从所述导向轮(23)引出后，在所述钢丝绳(22)的头端固定安装所述夹具紧锁装置(24)，使所述夹具紧锁装置(24)悬挂于所述机械助力臂本体(1)的下方；所述夹具紧锁装置(24)用于与夹具连接；所述第二控制系统包括：末端操作器(31)和第2控制器(32)；所述末端操作器(31)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于感应操作者手指发出的操作力信号，并将所述操作力信号发送给所述第2控制器(32)；其中，所述操作力信号为控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停信号；所述第2控制器(32)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于接收所述末端操作器(31)发送的所述操作力信号，并将所述操作力信号发送到所述第一控制系统；所述第一控制系统包括：第1控制器(41)、伺服驱动器和交流伺服电机(42)；所述第1控制器(41)，用于接收所述第2控制器(32)上传的所述操作力信号，并根据所述操作力信号，通过所述伺服驱动器而控制所述交流伺服电机(42)的输出转矩；由于所述交流伺服电机(42)与所述提升系统的所述缠绕轮(21)的缠绕轴相连，进而控制所述缠绕轮(21)的缠绕状态，最终达到控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停的动作。...

【技术特征摘要】
1.一种基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，包括：第一控制系统、提升系统、第二控制系统和机械助力臂本体(1)；其中，所述提升系统包括：缠绕轮(21)、钢丝绳(22)、导向轮(23)和夹具紧锁装置(24)；所述缠绕轮(21)设置于所述机械助力臂本体(1)的尾端，所述导向轮(23)设置于所述机械助力臂本体(1)的头端；所述钢丝绳(22)的尾端缠绕在所述缠绕轮(21)上后，沿水平设置的所述机械助力臂本体(1)的轴向方向延伸，其头端从所述导向轮(23)引出后，在所述钢丝绳(22)的头端固定安装所述夹具紧锁装置(24)，使所述夹具紧锁装置(24)悬挂于所述机械助力臂本体(1)的下方；所述夹具紧锁装置(24)用于与夹具连接；所述第二控制系统包括：末端操作器(31)和第2控制器(32)；所述末端操作器(31)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于感应操作者手指发出的操作力信号，并将所述操作力信号发送给所述第2控制器(32)；其中，所述操作力信号为控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停信号；所述第2控制器(32)，固定安装于所述夹具紧锁装置(24)，用于接收所述末端操作器(31)发送的所述操作力信号，并将所述操作力信号发送到所述第一控制系统；所述第一控制系统包括：第1控制器(41)、伺服驱动器和交流伺服电机(42)；所述第1控制器(41)，用于接收所述第2控制器(32)上传的所述操作力信号，并根据所述操作力信号，通过所述伺服驱动器而控制所述交流伺服电机(42)的输出转矩；由于所述交流伺服电机(42)与所述提升系统的所述缠绕轮(21)的缠绕轴相连，进而控制所述缠绕轮(21)的缠绕状态，最终达到控制所述夹具紧锁装置(24)进行上升、下降或悬停的动作。2.根据权利要求1所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述机械助力臂本体(1)为二自由度机械臂。3.根据权利要求2所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述二自由度机械臂包括机械大臂(11)、肩部旋转轴(12)、肘部旋转轴(13)和机械小臂(14)；所述机械大臂(11)的肩部安装所述肩部旋转轴(12)，通过操作者施加于所述末端操作器(31)的推拉动作，可控制所述机械大臂(11)沿所述肩部旋转轴(12)进行360°内自由旋转；在所述机械大臂(11)的肘部安装所述肘部旋转轴(13)，从所述肘部旋转轴(13)至所述机械大臂(11)的自由端形成所述机械小臂(14)；通过操作者施加于所述末端操作器(31)的推拉动作，可控制所述机械小臂(14)沿所述肘部旋转轴(13)进行360°内自由旋转。4.根据权利要求1所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述缠绕轮(21)为动力辊；所述导向轮(23)为钢丝滑辊。5.根据权利要求1所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述第一控制系统还包括限位开关和安全锁；所述限位开关和所述安全锁均与所述第1控制器(41)连接；所述限位开关，用于所述钢丝绳(22)上极限位置和下极限位置的检测和保护；所述安全锁，设置于所述缠绕轮(21)上，用于在异常停电和紧急情况下，对所述缠绕轮(21)制动。6.根据权利要求1所述的基于交流伺服控制的机械助力臂，其特征在于，所述第1控制器(41)采用三环控制模式，通过所述伺服驱动器控制所述交流伺服电机(42)的输出转矩；所述三环控制模式具体包括：比较单元、延时单元、速度环调节器、电流环调节器、位置环调节器、电流检测器、制动器和编码器；所述比较单元和所述延时单元设置于所述第1控制器(41)的内部；所述速度环调节器、所述电流环调节器和所述位置环调节器设置于所述伺服驱动器的内部；所述电流检测器安装于所述交流伺服电机(42)的前部，用于检测所述伺服驱动器向所述交流伺服电机(42)输出的各相相电流；所述编码器和所述制动器安装于所述交流伺服电机(42)的尾部，所述编码器用于采集所述交流伺服电机(42)的转动速度信息和转动位置信息；所述
\t制动器用于制动所述交流伺服电机(42)，所述制动器的输入端通过所述延时单元连接到所述比较单元；所述制动器的输出端与所述交流伺服电机(42)连接；所述电流环调节器为最内环，其输入端与所述速度环调节器的输出端连接，其反馈端与所述电流检测器的输出端连接，其输出端与所述交流伺服电机(42)的输入端连接；所述电流环调节器的输出即为所述交流伺服电机(42)的各相相电流，使所述交流伺服电机(42)的输入电流等于设定电流；所述速度环调节器为中间环，其输入端分别与所述比较器和所述位置环调节器连接；其反馈端与所述编码器连接，用于接收所述编码器采集到的所述交流伺服电机(42)的当前转动速度信息；其输出端与所述电流环调节器连接，用于向所述电流环调节器输出电流给定；所述位置环调节器为最外环，其输入端与所述比较器连接；其反馈端与所述编码器连接，用于接收所述编码器采集到的所述交流伺服电机(42...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏淑萍，陈伟华，丁介平，黄三华，陈坤华，张锋，
申请(专利权)人：上海优汉实业发展有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31