带电作业用非力反馈液压机械臂的设计.pdf

第 9期 2 0 1 2年 9月 机 械 设计 与 制造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t ur e 1 1 7 文章 编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 9 一 O 1 1 7 0 3 带电作业用非力反馈液压机械臂的设计 I 赵 玉良 张 奇 戚 晖 李 健 李运厂 ’ 山东电力集团公司 电力科学研究院 ， 济南 2 5 0 0 0 2 z 深圳山东核电工程有限责任公司， 济南 2 5 0 0 0 2 De s i g n o f No n F o r c e F e e d b a c k Hy d r a u l i c Ar m f o r L i v e W o r k i n g Z HA O Y u l i a n g ， Z HA N G Q i ， Q I H u i ， L I J i a n ， L I Y u n c h a n g E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n d o n g E l e c t r i c P o w e r C o r p o r a t i o n ， J i ’ n a n 2 5 0 0 0 2 ， C h i n a 2 S h e n z h e n S h a n g d o n g Nu c l e a r P o w e r C o n s t r u c t i o n C o m p a n y L t d ， j i ’ N a n 2 5 0 0 0 2 ， C h i n a ； 【 A b s t r a c t 】 ／ n o r d e r t o m e e t t h e r e q u ir e men t s o f l iv e o p e r a t i o n w i t h l O k V d is t r i b u t i o n l i n e s ， 。 n 0 n l } f o r c e f e e d b a c k m a s t e r - s l a v e h y d r a u l i c m a n ip u l at o r is d e v e l o p e d t o m e e t l iv e o p e r a t in g e n v i r o n m e n t 一{ ； q u ir e m e n t s ． T h e h y d r a u l ic m a n ip u l at o r i s 0 m a s te r - s l a e h y d r a u l i c m a n ip u l at o r w i t h 7 d e g r e e s of f r e e d o m i }t h at V an b e r e m o t e c o n t r o l ， i n c l u d i n g t h e a r m b o ， t h e m a i n h and ， h a n d - h e l d t e r m i n a l ， th e m a s t e r c o n - l t r o l l e r , h y d r a u l ic s e r v o d r i v e s a n d h y d r a u l ic o i l s y s t e m s ． Th e p o s i t io n ofs e r v o - c o n t r o l m o d e i s u s e d ， w it h t h e i m a s t e r - s l a v e h and th e s a m e t y p e ofs t r u c t u r e ． The s l ave m a n ip u l at o r C an c o m p le t e ly f o l l o w t h e m as t e r h and l m o v e m e n t ． T h e m a n ip u l at o r is fl e x i b le ， s im p l e ， w i t h s ig n ifi c an t h o l d ， s m a l l w e ig h t ， an d s t a b l e an d r e l i ab l e { p e rfo r m , e ． T h e 1 0 k V d is t r i b u t i o n l i n e s t e s t e s t h e r at i o n a l i t y and f e as i b i l i ty o f t h e d e s Q 厂 e a r c h it e c - { 难与局限性， 因此研制具有更强的安全『 生 和适应性的高压带电作 ’ 一 一 ⋯ ⋯ ⋯⋯⋯ ～ ⋯ ⋯ ’ 电作业非常必要， 而且符合时代的要求。为了提高带电作业的自 ⋯ 一 。 ⋯ ⋯ 一 一 _⋯ ⋯～一⋯ ～一 ★来 稿 日期 2 0 1 l - 1 1 -1 3 ★基金项 目 山西长治 l O k Y带电作业机器人实用化研究 J R2 0 0 9 - 0 0 2 1 l 8 赵 玉良 等 带电 作业 用 非力 反 馈液 压 机 械 臂的 设计 箜 塑 机械臂本体 主手 图 1主从式液压机械臂系统 3系统模块设计 3 ． 1机械臂本体 机械臂是一个基于微控制器的、 电液设备。 机械臂本体采用 铝合金和不锈钢制造。 机械臂的主手便于左手或右手操作。 从手 可以分为上臂和前臂两个基本部分。上臂部分提供腰部回转、 大 臂俯仰和小臂俯仰的运动。前臂部分提供腕部俯仰、 腕部摇摆和 腕部旋转的运动。机械臂关节的运动通过 7个液压执行器来执 行。 每个执行器通过一个液压伺服阀来控制。 为了减少输油管线 和机械臂的复杂度， 所有液压伺服阀被集成到机械臂的内部。除 了液压伺服阀， 还增加了减压阀和电磁阀。电磁阀用来开关液压 源。由于增加了减压阀， 要求外部油液压力不能超过 3 0 0 O P S I 。 机 械臂本体， 如图 2 所示。 大 腰邵 刚转 轴 图 2机械臂本体 3 ． 2 主手 标准主手是一个结构紧凑， 带自平衡模块的设备。主手和从 手采用相同的结构。主手每个关节都安装一个电位器， 用来提供 主手的位置信息。主手放置在一个安全或方便的地方， 机械臂放 置在不宜接近的地方 ， 如有强辐射 、 高温 、 水下等环境。主手根据 传感器信息来操作机械臂，主手和机械臂之间存在着机械耦合 ， 并将主手运动传递给机械臂 ， 机械臂跟随主手的运动。为了增加 操作的视觉效果， 标准主手的底座面板上带 4个 L E D指示灯。 L E D指示灯表示机械臂液压的开／ 关， 手爪抓持锁定的开， 关， 腕部 旋转连续模式腕 部回转模式的选择和停止模式的开 。 标准主 手 ， 如图 3所示 。 液 压 开 关 图 3标准主手 3 ． 3手持终端 手持终端是一个低功耗的， 带液晶显示的模块。 手持终端与 主手通过 R S 2 3 2 通信， 用来显示一些系统信息和允许操作者选 择各种操作功能。 手持终端的液晶模块可以显示 4行、 每行 2 0个 字符。液晶模块自带白色的背景光， 可以应用在混暗或没有光的 环境。 背景光的强度可以有 7 种选择。 通过设置参数来选择光的 强度。 手持终端有 3 0 个按键 ， 呈 5 x 6 矩阵式排列。自带蜂鸣器提 供按键报警声。 可以知道是否正确地按下某个按键。 手持终端， 如 图 4 所示 。 键 屏 图 4手持终端 3 ． 4 K MC 9 1 O 0主手控制器 K MC 9 1 0 0是一个基于微控制器的， 可以提供主手控制和远 程通信功能的系统。 K MC 9 1 0 0用最小的复杂性提供最大的能力。 K MC 9 1 0 0系统特征包括 自动配置功能； 远程手持终端； 运行时 间汇总和自我测试能力； 自动校准模式； 编程任务执行； 可选择磁 带记录用户任务库； 带 R S D液压伺服控制单元通讯接口； 带主手 控制按口。K M C 9 1 0 0 主手控制器 ， 如图5 所示。 3 ． 5 R S D 9 1 0 0液压伺服驱动器 液压伺服驱动模块是机械臂的外部接口，为机械臂提供必 N o ． 9 S e p t ． 2 0 1 2 机 械 设 计 与 制 造 l 1 9 要的电源、 指令和测控信息。它可以通过双绞线、 同轴电缆、 光纤和 无线与 K MC 9 1 0 0 通信。R S D 9 1 0 0 液压伺服驱动器， 如图6 所示。 1 双绞线 R S - 4 8 5 是标准配置。K MC 9 1 0 0与 R S D - T之间 的通信方式是一根双绞线电缆。通讯距离超过4 0 0 O f t 。 2 K MC 9 1 0 0与 R S D C之间的通信方式是通过同轴电缆。 通讯距离超过 4 0 0 O f t 。 3 K MC 9 1 0 0与 R S D F之间的通信通过两根 S MA接口的 光纤。通信距离超过 1 3 0 0 0 fl 。 4 K MC 9 1 0 0与R S D之间的通信可以通过无线。先进的数 字无线通信技术提供了安全的数据连结。 能够抵抗任何类型的干 扰。 图 5 K MC 9 1 0 0主手控制器 图 6 R S D9 1 O 0液压伺服驱 动器 3 ． 6液压系统 机械臂液压伺服接口， 如图 7 所示。 液压系统的动力源是一 个恒定压力的液压源。为了防止污染的油损坏灵敏的电液伺服 阀、 液压缸和液压马达， 对油必须过滤。液压油的要求， 如表 1 所 示 图7机械臂液压伺服接口 4机械臂的应用 机械臂系统已经在某地高压带电作业机器人实用化研究项 目中得到了应用， 如图 8 所示。结果表明 机械臂在控制精度、 稳 定性 、 机械性能、 带电作业效率、 可靠性、 抗干扰能力等方面均已 达到或超过预期目标。 机器人可以代替人工完成作业频率较高的 带电断线、 带电接线、 带电更换跌落保险等作业任务 ， 极大缩短高 空带电作业时间， 提高带电作业效率， 减轻作业人员的劳动强度， 使作业人员与高压电场完全隔离， 最大限度的保证作业人员的安 全。 表 1液压源参数 液压源 操作压力 需要流量 过滤 输油管连接 回油管连接 1 0 ． 4 2 0 ．7 MP a 1 9 Umi n 2 5 mi c r o n a b s o l u t e No ．6J I C No ．8 J I C 图 8机械臂的应用示意图 5结论 为了适应 1 0 k V配电线路带电作业的要求 ， 研制了一种能够 最大限度的满足现场作业环境要求的主从式液压机械臂系统， 包 括机械臂本体 、 主手 、 手持终端 、 主手控制器 、 液压伺服驱动器和 液压供油系统。 采用位置伺服控制方式， 主从手是同型结构， 控制 精度高、 实时性好 、 持重大、 自重小、 性能稳定可靠、 操作也更加方 便， 满足了高压带电机器人作业任务的要求。可以代替人工完成 作业频率较高的带电断线、 带电接线等作业任务， 减轻作业人员 的劳动强度 ， 使作业人员与高压电场完全隔离 ， 最大限度的保证 作业人员的安全。具有很大的实用价值。 参考文献 [ 1 ] 孙迪生． 机器人控制技术[ M] ．北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 7 4 ． [ 2 ]Y ． K i m a a n d J ． F u k u d a a n d S ． K u r a m o t o a n d Y．S a n o a n d N ． A k i b a ． “ R e m o t e C o n t r o l T y p e E x c a v a t i n g R o b o t f o r D e e p F o u n d a t i o n ” [ J ] ． F u j i k u r a T e c h n i c a l R e v i e w， 1 9 9 0 4 1 1 1 - 1 1 5 ． [ 3 ] AB a r r i e n t o s a n dR ． A r a c i l andO ． L u e n g o ． “ T h e T e l e o p e r a t i o n o f a B a c k h o e E x c a v a t o r t h r o u g h F o r c e Me a s u r e me n t s ” [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e S e c o n d I n t e r n a t i o n al Wo r k s h o p o n S e r v i c e a n d P e r s o n a l Ro b o t s ， Ge n o v a ， I t a l y ， 1 9 9 7 1 0 1 1 8 1 2 3 ． [ 4 ] 赵晓军 ， 李 云飞 ， 苏海霞 ．基 于 A R M核 处理器 的机 器人遥操作 系统 [ J ] ． 计算机工程， 2 0 0 9 ， 3 5 6 2 1 6 - - 2 1 8 ． [ 5 ] 赵灿 ， 林华， 孟偶．七自由度数据臂实现主从控制研究与仿真实验[ J ] ． 计算机测量与控制 ， 2 0 0 5 ， 1 3 1 0 1 0 7 7 - 1 0 7 9 ． [ 6 ] H a Q P， R e y D C ， D u r r a n t - Wh y t e H F ． F u z z y mo v i n g s l i d i n g m o d e c o n t rol w i t a p p l i c a t i o n t 0 r o b i t i c ．mani p u l a t o r s [ J ] ．A u t o ma t i c a ， 1 9 9 9 3 5 6 0 7 -- 6 1 6 ．