一种水下机械臂及水下机械臂的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种水下机械臂及水下机械臂的控制方法，涉及机械臂领域，包括机械臂本体和控制机械臂运行的控制装置，机械臂本体包括：若干关节模组、若干连接臂、执行机构；控制装置包括：上位机、关节模组传感器、电机模块、制动模块、快换模块、多核实时控制器、反射内存机制和通讯模块。与现有技术相比，本发明专利技术的机械臂采用可以防水的关节模组，有多种优点包括：采用无框电机结合谐波减速机的主体控制结构，相比传统方式，体积更小，有效地减小水下动作的阻力面积，从而减小动作受到的阻力；外部的密封壳体采用不锈钢材质制成，防腐蚀防生锈，适用于各种液体环境，使用寿命相比其他机械臂寿命大大得到了提高。

An underwater manipulator and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种水下机械臂及水下机械臂的控制方法
本专利技术涉及机械臂领域，尤其涉及一种水下机械臂及水下机械臂的控制方法。
技术介绍
机械臂是高精度，高速点胶机器手，随着自动化、机械化的高速发展，机械臂越来越多的投入到生产中，一些需要水下作业的，对机械臂本身以及操作方法要求更高。目前市场上的水下机械臂多数为一体化定制的产品，有以下弊端：①结构复杂，高度集成，修理过程需要全部拆开费时费力；②由于多数为定制产品，设计周期长、价格昂贵。③功能单一，客户很难做二次开发。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种水下机械臂及水下机械臂的控制方法。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种水下机械臂，包括机械臂本体和控制机械臂运行的控制装置，所述机械臂本体包括：若干关节模组，所述关节模组包括关节输出法兰、关节输入法兰和关节模组；所述关节输出法兰和关节输入法兰之间设置有输出端密封盖，输出端密封盖的底部穿过关节输入法兰的中心穿孔；所述关节模组的外部套有密封壳体，密封壳体顶部边缘位置设置有螺孔，与关节输入法兰通过输入螺钉连接；所述关节模组纵切面顶部为阶梯状，包括第一阶梯平面和第二阶梯平面，第一阶梯平面和第二阶梯平面上均匀设置有若干螺孔，第一阶梯平面和输出端密封盖底面通过模组输出螺钉连接，第二阶梯平面和密封壳体通过模组固定螺钉固定连接；所述密封壳体的底部设有密封端盖，通过密封端盖密封；若干连接臂，将相邻两个关节模组连接，两端设有连接法兰，通过连接法兰与关节输出法兰、关节输入法兰可拆卸连接。执行机构，设置在机械臂本体末端，通过关节输出法兰或关节输入法兰接入；所述控制装置包括：上位机、关节模组传感器、电机模块、制动模块、快换模块、多核实时控制器、反射内存机制和通讯模块；所述上位机，为PC操作平台，发出控制信号，包括控制制动模块的制动任务信号、控制快换模块的快换任务信号和控制电机模块的运动任务信号；所述关节模组传感器，安装在各所述关节模组上，包括位置传感器、力矩传感器、速度传感器、绝对式编码器、增量式编码器和电流采样器；所述电机模块，包括FPGA芯片、数字模拟IO、驱动电路、基于FPGA开发的集成模块和若干安装在关节模组上的关节电机，FPGA芯片采集所述关节模组传感器的反馈信号，将反馈信号传递给多核实时控制器，并接收多核实时控制器的控制命令，将控制命令通过数字模拟IO给出控制信号到驱动电路，控制关节电机的运行；所述制动模块包括制动电磁阀，控制所述关节模组启动或关闭；所述快换模块包括快换机构，控制所述关节模组进行重构；所述反射内存机制，包括反射内存卡，接收电机模块的FPGA芯片所采集的信息，传递给多核实时控制器，实现电机模块和多核实时控制器的实时交互；所述多核实时控制器，包括主控模块和qnx操作系统，所述通讯模块接收所述上位机的操作命令，并将信号发送给主控模块，所述主控模块根据FPGA芯片所采集的信息、上位机发出的控制信号计算出空间矢量脉宽调制波，对电机模块、制动模块和快换模块下发实时控制命令。关节模组与连接臂可以快速可拆卸，自由组合，实现更多可能的变化，设计的关节模组结构简单，更加耐用，配合控制装置使用，可以自由灵活的水下操纵机械臂。进一步的，所述关节输出法兰整体为L型，两个平面上均设置有连接用的中心穿孔和若干螺孔，所述关节输入法兰和关节输出法兰的结构相同；所述输出端密封盖顶面边缘和底面边缘均设有连接用的螺孔，输出端密封盖顶面和关节输出法兰之间通过输出螺钉固定连接。进一步的，所述连接臂为不锈钢圆管状，内部填充聚氨酯发泡剂；所述执行机构包括带补光灯的水下摄影机或清洗设备。进一步的，所述输出端密封盖和关节输出法兰之间设置有关节输出O型圈密封；所述密封壳体和关节输入法兰的连接位置设置有弹簧蓄能密封圈；所述密封端盖与密封壳体通过端盖螺钉固定连接，密封端盖与密封壳体的连接位置设置有端盖O型圈密封。进一步的，所述密封壳体上设有控制内部电源和线路的水密连接头。进一步的，还包括基座，基座包括安装在水下导轨上的滑动基座和与滑动基座固定连接的旋转基座，旋转基座与机械臂的一端法兰连接。水下机械臂的控制方法，包括以下步骤：S1，所述通讯模块接收上位机的控制信号，将控制信号发送给所述多核实时控制器的主控模块；S2，所述主控模块接收并判断所述控制信号；S3,如果是制动任务信号，所述主控模块驱动所述制动模块进行工作；如果是是快换任务信号，所述主控模块驱动所述快换模块进行工作；如果是运动任务信号，所述主控模块驱动所述电机模块进行工作。进一步的，所述S3中所述主控模块驱动所述电机模块进行工作的步骤包括：S31,所述关节模组传感器采集关节模组的信息；S32，所述电机模块将采集的信息通过FPGA芯片传输给多核实时控制器的主控模块；S33，所述主控模块根据接收的传感信息、上位机发出的控制信号计算出空间矢量脉宽调制波，并传输给所述电机模块的驱动电路；S34，所述驱动电路根据空间矢量脉宽调制波对所述关节电机进行驱动以驱动所述关节模组进行运动。进一步的，所述S33中计算出空间矢量脉宽调制波的具体步骤为：S331,所述主控模块根据所述绝对式编码器采集的所述关节电机的绝对位置信息对接收到的控制信号中的预定位置进行位置环PID运算，得到期望速度值；S332：所述主控模块根据所述增量式编码器采集的所述关节电机的速度信息对步骤S331得到的期望速度值进行速度环PID运算，得到期望电流值；S333：所述主控模块将所述电流采样器采集的所述关节电机的相电流信息进行Clark变换得到两相电流；S334：所述主控模块根据所述增量式编码器采集的所述关节电机的电角度信息对步骤S333得到的两相电流进行Park变换得到dq轴电流值；S335：所述主控模块根据步骤S334得到的dq轴电流值对步骤S332得到的期望电流值进行电流环PID运算，得到dq轴电压值；S336：所述主控模块根据所述增量式编码器采集的电角度信息对步骤S335得到的dq轴电压值进行Park反变换得到两相电压；S337：所述主控模块对步骤S336得到的两相电压进行空间矢量变换，得到所述空间矢量脉宽调制波。与现有技术相比，本专利技术的机械臂采用可以防水的关节模组，有以下几个优点：①采用无框电机结合谐波减速机的主体控制结构，相比传统方式，体积更小，有效地减小水下动作的阻力面积，从而减小动作受到的阻力；②外部的密封壳体采用不锈钢材质制成，防腐蚀防生锈，适用于各种液体环境，使用寿命相比其他机械臂寿命大大得到了提高；③密封壳体和关节输入法兰之间的旋转密封采用聚四氟乙烯材质的弹簧蓄能密封圈，可以承受高压，适用于深水作业，且弹簧蓄能密封圈滑动摩擦力小，耐热，磨损小，使用寿命得到了很大的提升；④两端的关节输出法兰和输出端密封盖、密封端盖和密封壳体直接的静密封采用O型圈密封，有利于适用于各种复杂的液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下机械臂，其特征在于，包括机械臂本体和控制机械臂运行的控制装置，/n所述机械臂本体包括：/n若干关节模组，所述关节模组包括关节输出法兰、关节输入法兰和关节模组；所述关节输出法兰和关节输入法兰之间设置有输出端密封盖，输出端密封盖的底部穿过关节输入法兰的中心穿孔；所述关节模组的外部套有密封壳体，密封壳体顶部边缘位置设置有螺孔，与关节输入法兰通过输入螺钉连接；所述关节模组纵切面顶部为阶梯状，包括第一阶梯平面和第二阶梯平面，第一阶梯平面和第二阶梯平面上均匀设置有若干螺孔，第一阶梯平面和输出端密封盖底面通过模组输出螺钉连接，第二阶梯平面和密封壳体通过模组固定螺钉固定连接；所述密封壳体的底部设有密封端盖，通过密封端盖密封；/n若干连接臂，将相邻两个关节模组连接，两端设有连接法兰，通过连接法兰与关节输出法兰、关节输入法兰可拆卸连接。/n执行机构，设置在机械臂本体末端，通过关节输出法兰或关节输入法兰接入；所述控制装置包括：/n上位机、关节模组传感器、电机模块、制动模块、快换模块、多核实时控制器、反射内存机制和通讯模块；/n所述上位机，为PC操作平台，发出控制信号，包括控制制动模块的制动任务信号、控制快换模块的快换任务信号和控制电机模块的运动任务信号；/n所述关节模组传感器，安装在各所述关节模组上，包括位置传感器、力矩传感器、速度传感器、绝对式编码器、增量式编码器和电流采样器；/n所述电机模块，包括FPGA芯片、数字模拟IO、驱动电路、基于FPGA开发的集成模块和若干安装在关节模组上的关节电机，FPGA芯片采集所述关节模组传感器的反馈信号，将反馈信号传递给多核实时控制器，并接收多核实时控制器的控制命令，将控制命令通过数字模拟IO给出控制信号到驱动电路，控制关节电机的运行；/n所述制动模块包括制动电磁阀，控制所述关节模组启动或关闭；所述快换模块包括快换机构，控制所述关节模组进行重构；/n所述反射内存机制，包括反射内存卡，接收电机模块的FPGA芯片所采集的信息，传递给多核实时控制器，实现电机模块和多核实时控制器的实时交互所述多核实时控制器，包括主控模块和qnx操作系统，所述通讯模块接收所述上位机的操作命令，并将信号发送给主控模块，所述主控模块根据FPGA芯片所采集的信息、上位机发出的控制信号计算出空间矢量脉宽调制波，对电机模块、制动模块和快换模块下发实时控制命令。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水下机械臂，其特征在于，包括机械臂本体和控制机械臂运行的控制装置，
所述机械臂本体包括：
若干关节模组，所述关节模组包括关节输出法兰、关节输入法兰和关节模组；所述关节输出法兰和关节输入法兰之间设置有输出端密封盖，输出端密封盖的底部穿过关节输入法兰的中心穿孔；所述关节模组的外部套有密封壳体，密封壳体顶部边缘位置设置有螺孔，与关节输入法兰通过输入螺钉连接；所述关节模组纵切面顶部为阶梯状，包括第一阶梯平面和第二阶梯平面，第一阶梯平面和第二阶梯平面上均匀设置有若干螺孔，第一阶梯平面和输出端密封盖底面通过模组输出螺钉连接，第二阶梯平面和密封壳体通过模组固定螺钉固定连接；所述密封壳体的底部设有密封端盖，通过密封端盖密封；
若干连接臂，将相邻两个关节模组连接，两端设有连接法兰，通过连接法兰与关节输出法兰、关节输入法兰可拆卸连接。
执行机构，设置在机械臂本体末端，通过关节输出法兰或关节输入法兰接入；所述控制装置包括：
上位机、关节模组传感器、电机模块、制动模块、快换模块、多核实时控制器、反射内存机制和通讯模块；
所述上位机，为PC操作平台，发出控制信号，包括控制制动模块的制动任务信号、控制快换模块的快换任务信号和控制电机模块的运动任务信号；
所述关节模组传感器，安装在各所述关节模组上，包括位置传感器、力矩传感器、速度传感器、绝对式编码器、增量式编码器和电流采样器；
所述电机模块，包括FPGA芯片、数字模拟IO、驱动电路、基于FPGA开发的集成模块和若干安装在关节模组上的关节电机，FPGA芯片采集所述关节模组传感器的反馈信号，将反馈信号传递给多核实时控制器，并接收多核实时控制器的控制命令，将控制命令通过数字模拟IO给出控制信号到驱动电路，控制关节电机的运行；
所述制动模块包括制动电磁阀，控制所述关节模组启动或关闭；所述快换模块包括快换机构，控制所述关节模组进行重构；
所述反射内存机制，包括反射内存卡，接收电机模块的FPGA芯片所采集的信息，传递给多核实时控制器，实现电机模块和多核实时控制器的实时交互所述多核实时控制器，包括主控模块和qnx操作系统，所述通讯模块接收所述上位机的操作命令，并将信号发送给主控模块，所述主控模块根据FPGA芯片所采集的信息、上位机发出的控制信号计算出空间矢量脉宽调制波，对电机模块、制动模块和快换模块下发实时控制命令。


2.根据权利要求1所述的一种水下机械臂，其特征在于，所述关节输出法兰整体为L型，两个平面上均设置有连接用的中心穿孔和若干螺孔，所述关节输入法兰和关节输出法兰的结构相同；所述输出端密封盖顶面边缘和底面边缘均设有连接用的螺孔，输出端密封盖顶面和关节输出法兰之间通过输出螺钉固定连接。


3.根据权利要求1所述的一种水下机械臂，其特征在于，所述连接臂为不锈钢圆管状，内部填充聚氨酯发泡剂；所述执行机构包括带补光灯的水下摄影机或清洗设备。


4.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡正兵，吴伟，
申请(专利权)人：杭州崑鼎信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33