基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节

摘要

基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节，包括闭环控制系统和用于机器人的转动关节，闭环控制系统包括单片机、电机驱动器、伺服电机、双向螺杆泵、摆动液压缸、以及检测摆动液压缸的输出轴的精确转动角度的电检测系统构成闭环控制系统，电检测系统包括在检测轴上安装的脉冲式旋转编码器和旋转电位器、以及细分角度检测电路，旋转电位器的转轴和脉冲式旋转编码器的动环通过弹性联轴器固定连接，通过单片机和细分角度电压检测电路检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度外的细分角度所对应的电位器电压，进而检测出脉冲式旋转编码器的整刻度角度之外的细分角度的精确角度值，从而可高精度地驱动机器人的转动关节的转动。

主权项

基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节，包括闭环控制系统和用于机器人的转动关节，所述闭环控制系统包括单片机、电机驱动器、伺服电机、双向螺杆泵、摆动液压缸、以及检测摆动液压缸的输出轴的精确转动角度的电检测系统；所述单片机通过所述电机驱动器控制伺服电机转动，所述伺服电机驱动所述双向螺杆泵内的螺杆正向或反向旋转，所述双向螺杆泵具有位于一侧的第一输出端和位于另一侧的第二输出端，所述摆动液压缸的内腔由叶片分隔成第一液压腔和第二液压腔，所述双向螺杆泵的第一输出端通过第一管路和摆动液压缸的第一液压腔连通，所述双向螺杆泵的第二输出端通过第二管路和摆动液压缸的第二液压腔连通，当双向螺杆泵的螺杆正向旋转时，双向螺杆泵从其第一输出端出油，推动摆动液压缸的叶片正向转动后从第二输出端回油，当双向螺杆泵的螺杆反向旋转时，双向螺杆泵从其第二输出端出油，推动摆动液压缸的叶片反向转动后从第一输出端回油，所述双向螺杆泵、第一管路、第二管路、摆动液压缸构成闭式液压系统；所述摆动液压缸的输出轴连接机器人的一个转动关节，摆动液压缸的输出轴还通过传动比为1:1的钢带传动机构连接一检测轴，该钢带传动机构的传动带采用没有伸缩弹性的钢材质以保证瞬时传动比为1:1，从而保证摆动液压缸的输出轴和所述检测轴的转角的瞬间一致；所述电检测系统包括套装在所述检测轴上的脉冲式旋转编码器、转轴与脉冲式旋转编码器的动环通过弹性联轴器固接的旋转电位器、用于检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度外的细分角度所对应电位器电压的细分角度电压检测电路，所述旋转电位器的电阻体两端连接标准电平，旋转电位器的滑动端由所述转轴带动在所述电阻体上转动滑行，旋转电位器的滑动端与电阻体的电压负极之间构成Vin，所述脉冲式旋转编码器可检测其分辨率内实际转角所对应的整刻度角度，整刻度角度外的细分角度由所述旋转电位器、细分角度电压检测电路、以及单片机获得，所述细分角度电压检测电路包括用于检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度所对应的电位器电压V(i)以及所述检测轴的实际转角所对应的电位器电压Vin的主检测电路、螺杆正向旋转时用于放大Vin与V(i)之间差值的第一差动电压放大电路、螺杆反向旋转时用于放大V(i)与Vin之间差值的第二差动电压放大电路；所述主检测电路包括电压比较器、第一电压跟随器、第二电压跟随器、第三电压跟随器、第四电压跟随器、第五电压跟随器，所述电压比较器的同向端连接由所述单片机通过D/A转换模块或PWM产生模块产生的V(i)，所述电压比较器的反相端连接第一电压跟随器的输出端，当该电压比较器的同相端电压大于反向端电压时，电压比较器的输出端输出高电平，当该电压比较器的同相端电压小于反向端电压时，电压比较器的输出端输出低电平，所述第一电压跟随器的正输入端连接所述旋转电位器的滑动端的输出电压Vin，第一电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，所述电压比较器的同相端还连接第二电压跟随器的正输入端，第二电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，第二电压跟随器的输出端连接第三电压跟随器的正输入端，第三电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，所述第一电压跟随器的输出端连接第四电压跟随器的正输入端，第四电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，第四电压跟随器的输出端连接第五电压跟随器的正输入端，第五电压跟随器的负输入端直接连接其输出端；所述脉冲式旋转编码器的每个整刻度角度对应的旋转电位器的电压值可以预先得到，并存储到所述单片机的RAM内的表格里面，具体做法是，使伺服电机驱动双向螺杆泵的螺杆转动，使摆动液压缸的输出轴转动到脉冲式旋转编码器的整刻度角度i时，使摆动液压缸停止转动，此时该整刻度角度对应的电位器电压值为Vin，然后通过单片机调节所述D/A转换模块的输入数字量或者所述PWM产生模块的占空比，产生逐渐增大的电压V(i)，所述电压比较器的输出端通过限流电阻R1连接所述单片机的普通I/O口，当单片机检测到该普通I/O口的输入端TEST从低电平0突变为高电平1时，单片机停止调节V(i)，该突变时刻的V(i)即为该整刻度角度所对应的电位器电压值，然后再将对应此整刻度角度的V(i)和对应的脉冲数i保存到单片机的RAM内的表格里，依此做法检测脉冲式旋转编码器的下一整刻度角度对应的电压V(i+1)，直到检测完脉冲式旋转编码器所有的整刻度角度对应的电压值，这样就在单片机的RAM内预先建立了脉冲式旋转编码器的所有整刻度角度对应的电压值和相应脉冲数i的表格；所述脉冲式旋转编码器的输出连接至单片机的计数器的外部输入端口，计数器采用边沿中断触发工作方式，可以捕捉正反转情况下脉冲式旋转编码器待检测相的脉冲个数，当计数器检测到第i个脉冲时，单片机从RAM内预存的表格中调出第i个脉冲对应的电位器电压V(i)，因此在计数器对脉冲的检测作用下，每当所述检测轴转到脉冲式旋转编码器的每个脉冲i的检测边沿，单片机都可以从RAM内预存的表格中调出每个脉冲i的检测边沿所对应的电位器电压V(i)；所述脉冲式旋转编码器的整刻度角度之外的细分角度所对应的电位器电压值通过所述第一差动电压放大电路和第二差动电压放大电路得到，所述第一差动电压放大电路包括第一运算放大器，所述第四电压跟随器的输出端通过R2连接第一运算放大器的同相端，第一运算放大器的同相端还通过R3接地，所述第二电压跟随器的输出端通过R2’连接第一运算放大器的反相端，此时使所述主检测电路的单片机输出的V(i)为已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，第一运算放大器的反相端和第一运算放大器的输出端之间连接R4，第一运算放大器的输出端通过R5连接所述单片机的第一A/D转换口，该第一差动电压放大电路的放大倍数为R4/R2’，所述第二差动电压放大电路包括第二运算放大器，所述第五电压跟随器的输出端通过R6连接第二运算放大器的同相端，此时使所述主检测电路的单片机的输出V(i)为已反转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，第二运算放大器的同相端还通过R7接地，所述第三电压跟随器的输出端通过R6’连接第二运算放大器的反相端，第二运算放大器的反相端和第二运算放大器的输出端之间连接R8，第二运算放大器的输出端通过R9连接所述单片机的第二A/D转换口，该第二差动电压放大电路的放大倍数为R8/R6’；当双向螺杆泵的螺杆正向旋转时，实际转角对应的电位器电压Vin大于或等于已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，通过单片机调用RAM内的表格里脉冲数i对应的电位器电压可获得V(i)，采用第一差动电压放大电路检测该Vin与V(i)的电压差并放大，再经过单片机的第一A/D转换口可得到该放大电压差对应的数字量，该数字量除以第一差动电压放大电路的放大倍数即为正转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量；当双向螺杆泵的螺杆反向旋转时，实际转角对应的电位器电压Vin小于或等于已反转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，通过单片机调用RAM内的表格里脉冲数i对应的电位器电压可获得V(i)，采用第二差动电压放大电路检测该V(i)与Vin的电压差并放大，再经过单片机的第二A/D转换口可得到该放大电压差对应的数字量，该数字量除以第二差动电压放大电路的放大倍数即为反转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量；如上，正转情况下和反转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量已获知，之后，单片机根据与所述细分角度最接近的两个整刻度角度间的电压差的数字量与该两个整刻度角度的角度差值的比值等于细分角度对应的电位器电压值的数字量与细分角度的角度值的比值的线性关系，计算出细分角度的精确角度值，其中，与所述细分角度最接近的两个整刻度角度分别的电压值由计数器计算脉冲数后从单片机的RAM内的表格中获取并取差值，这两个电压值的差值再连接单片机内的一A/D转换模块，该A/D转换模块的模数转换比和单片机的所述第一A/D转换口和第二A/D转换口相同，该A/D转换模块的输出端即为与所述细分角度最接近的两个整刻度角度间的电压差的数字量，于是，所述检测轴的实际转动角度值可精确获知，具体为，正转情况下的实际转动角度值等于已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的角度值加上细分角度值，反转情况下的实际转动角度值等于已正反角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的角度值减去细分角度值；当与摆动液压缸的输出轴固连的转动关节输出外力矩时，由于有力矩输出，摆动液压缸的第一液压腔和第二液压腔之间存在液压油的压力差，会使双向螺杆泵、第一管路、第二管路、摆动液压缸构成的闭式液压系统产生一定泄露，因此所述伺服电机使双向螺杆泵转动给定转角、同时液压油驱动摆动液压缸的输出轴发生转动的过程中，最终得到的摆动液压缸的输出轴的角度和预先期望的角度之间存在一定误差，由于检测轴的转角也即摆动液压缸的输出轴的转角如上所述可精确检测到，单片机会根据上述误差向所述电机驱动器发出使伺服电机继续转动的脉冲，从而使伺服电机带动双向螺杆泵的螺杆转动而向摆动液压缸继续供油，角度未达到时使摆动液压缸的输出轴继续正向转动，角度超出时使摆动液压缸的输出轴反向回转，直到检测到所述检测轴转动到指定转角位置，此时摆动液压缸的输出轴也转动到指定转角位置，误差消除，单片机停止向所述电机驱动器输送脉冲。