一種帶有柔順控制算法四自由度自動上樣機械臂

1.機械臂整體介紹

四自由度自動上樣機械臂是在高精度、多通道的光、熱、電分析儀中完成把分析樣品從樣品陣列托盤移送到分析平臺，實現多通道、寬量程、多維度均勻采樣分析測量。提高分析設備的測試效率，增加分析的穩定性和高精度，降低測試人員勞動強度。

四自由度上樣機械臂具有高效機械臂機構設計，包括高精度機械結構、驅動電機、關節角度測量等。采用輕質優質復合材料建構機械臂主體，可以降低系統重量、減少運動慣性、降低運行噪聲和消耗的功率。采用行星輪減速裝置，提升輸出扭矩與功率。在傳動同軸安裝高精度同步感應角度測量，精度優于15bit/周，為終端重復定位精度留足余量。采用大功率盤式永磁同步電機驅動，輸出響應速度高，實現終端移動加速度平穩，輸出機械響應頻率帶寬大。

機械臂終端機械手的卡持結構設計，滿足以下幾個方面的特殊要求：

1. 能夠具有大的有效夾持寬度范圍；

2. 能夠實現大的接觸表面積和摩擦力；

3. 具有恒定的握持壓力。

在此基礎上，能夠適應樣品容器的體積、形狀、結構的變化，穩定安全有效完成樣品的拾取和釋放。為此，在機械手關節中采用微型獨立電機驅動控制，在輸出軸中安裝有輸出力矩傳感器和角度傳感器，通過反饋實現終端輸出壓力的控制。

為了保證廣口容器中的液體樣品在快捷移送中不遺撒，在機械臂運動中z需要對終端加速度進行精確控制。在利用機械臂運動逆解算進行前饋控制的基礎上，結合機械臂管腳角度傳感器信號的反饋，實現不同質量樣品運動中的平滑柔順運動控制。為了適應大范圍運動中，機械臂各自由度之間的強耦合、非線性的特點，建立基于CMAC神經網絡的自適應控制算法，實現控制器自學習功能，進一步抑制由于負載變化、機械損耗帶來的控制不確定性。

2.機械臂機械結構

上樣機械臂，也稱為樣品抓送機械臂，在四通道化學滴定分析系統中完成將樣品杯從樣品框盒到滴定臺之間的轉運。它包括有四個自由度（關節），主要結構如下圖所示：

上樣機械臂電子控制系統是對上樣機械臂中各個運動關節進行控制，使機械臂整體完成準確移送測試樣品的任務。機械臂移送樣品是從樣品盒到滴定臺之間搬運試劑反應燒杯或者試管，動作包括對樣品杯的抓取與釋放、手臂的提升與下降、手臂關節的旋轉與底座的旋轉等。

（1）基座 ：整個機械臂的支撐部件，容納設備主要電路系統。與其它設備（樣品框、滴定升降臺、清洗蠕動泵等）尺寸一樣，可以擺放在一起形成網格矩陣。

（2）旋轉升降塔 ：固定在基座上，能夠支撐機械臂的固定臂上下直線運動。升降塔可以在底座旋轉轉盤驅動下左右進行旋轉。

（3）機械大臂 ：垂直固定在升降塔上上下運動。在前端通過旋轉關節控制旋轉臂的轉動。

（4）機械小臂 ：固定在固定臂前端，前端下方面安裝有抓取器。

（5）抓取器 ：抓取和釋放樣品杯。

升降關節 : 控制機械臂上下運動；

肩關節 ： 控制機械臂與升降塔之間的旋轉關節；

肘關節 ： 控制機械小臂與大臂之間的旋轉關節；

機械爪 ：也稱樣品抓取關節，用于抓取試劑瓶；

1.電控系統框架

機械臂上有四個運動關節，每個關節包括有運動電機和位置傳感器。不同的關節的功能不同，電機的種類、功率、傳感器的型號和個數也各不相同。

下面是電控系統內部的整體框架圖：

為了減少控制引線連接復雜程度，控制系統整體上分為兩大單元：

1. 基座控制單元：主要控制基座旋轉運動和升降塔的上下運動；

2. 手臂控制單元：主要控制機械臂肘關節的旋轉和抓取器的張開與閉合；

這兩個單元通過局部異步通信總線相連接。基座控制單元提供與系統總控系統的控制連接端口。除此之外，系統還包括有工作電源，提供24V功率電源和5V的控制工作電源。

2.各關節驅動電機與傳感器

關節功能描述：

底座關節機械部分能夠維持底座垂直，并能夠在驅動步進電機驅動下左右自由轉動。左右轉動角度范圍180度。

底座驅動采用大功率步進電機驅動。通過齒輪咬合傳遞到底座轉盤。電機旋轉力矩和轉速能夠滿足驅動要求；

在底座安裝有光電，或者HALL位置限位開關。左右各一個；

底座安裝有絕對HALL角度傳感器。8192線的輸出。

關節驅動電機：

關節驅動電機采用功率步進電機驅動，配有高效電機驅動器完成底座的運動。

關節傳感器：

基座關節是旋轉運動，所以傳感器采用磁感應角度傳感器。包括有電子傳感器和定位磁鐵兩部分。

（2）固定臂升降關節

功能描述：

升降關節采用螺桿驅動方式，或者定時皮帶拖動上下運動。

在上下按照兩個光電，或者HALL位置限位開關；

安裝有線性位置傳感器。

驅動電機：

驅動電機采用與基座旋轉關節相同的步進電機和驅動器。由于升降關節采用絲杠滑軌結構，運動負載較大，所以驅動步進電機的功率比基座功率電機大。

關節傳感器：

在改關節安裝有兩個行程光電開關，檢測手臂上下運動的絕對位置。手臂在之間的位置依靠步進電機計數給定。

（3）旋轉臂肘關節

功能描述：

安裝帶有減速齒輪的微型步進電機驅動；

關節同軸按照有角度傳感器；

（4）抓取器關節

功能描述：

微型步進電機驅動

在行程中間和兩邊按照有電子位置傳感器；

在機械抓指底部安裝有張力傳感器。

1.柔順控制目標

在機械臂轉移帶有分析樣品的燒杯、-過程中，為了盡可能提高轉移速度，同時減少樣品因為運動產生搖晃溢出瓶口的危險，需要對樣品移動過程中機械臂運動進行柔順控制。

柔順控制包括兩個目標：

目標一：

試劑杯抓取柔順。由于普通試劑瓶是由普通的透明玻璃或者硬質塑料制成，表面比較光滑，而且可能具有不同的外徑尺寸。機械臂前爪抓取試劑杯時需要控制抓取的力量，使得試劑杯不容易脫落和松動。

目標二：

機械臂轉速的柔順。由于上樣機械臂工作角度和距離范圍非常大，因此運動速度要求快。但為了避免試劑杯中的液體由于運動晃動而外溢，所以需要對于機械臂運動（主要是轉動，上下移動影響不大）進行柔順控制。

2.抓取柔順控制

抓取柔順控制是在機械爪指尖部分增加薄膜壓力傳感器。通過該傳感器獲取機械爪抓取試劑杯的壓力值，然后始終對控制機械爪的角度進行調整，實現對于不同直徑試劑杯抓取力恒定控制的目標。

下面給出了機械爪以及相應的壓力傳感器的圖片。

抓取柔順控制算法框圖如下圖所示：

首先根據系統設定，給出機械爪抓取試劑杯的壓力值。通過機械爪指尖布置的薄膜壓力傳感器獲取機械爪對于試劑杯的指尖壓力。將壓力設定中與測量壓力值求差，或者誤差值之后，再通過比例-積分（PI）調節算法給出機械爪角度控制舵機的指令。使其調整機械爪指尖距離，完成對于輸出壓力值的控制。達到對于不同直徑的試劑杯的抓取力量。

3.運動柔順控制

實現機械臂轉動柔順控制的關鍵時對于肩部關節進行控制。這是由于肩部關節所帶動的是整個機械臂，相對與該關節機械臂的轉動慣量最大。

柔順控制條件1 ： 驅動電機模塊采用57HSXX閉環步進電機模塊

肩關節驅動電機采用了57HSXX系列的閉環步進電機模塊。它內部具有機械角度傳感器，能夠對于步進轉動失步數量進行計數，進而可以形成輸出力矩。

通過實際測量，步進電機模塊的輸出力矩與失步之間的關系如下圖所示。它包括有兩個階段：

第一個階段：基本線性階段，長度為288。對應角度傳感器讀數：92。16（2.025°）

第二個階段：飽和階段，長度458。對應角度傳感器讀數：146.56（3.22°）

柔順控制主要應用到失步數量在300之前的線性部分，完成對于機械臂的柔順控制。

通過對于失步數量與轉動力矩之間的數值，可以使用線性擬合獲取它們之間近似的線性比例關系。

柔順控制條件二 ：在肩關節采用角度傳感器ST3808-15RS

為了實現前面柔順控制，利用閉合步進電機57HSXX的線性部分，需要計算出電機的失步數量。但該部件電機無法通過MODBUS反饋對應的失步計數，所以需要在步進電機輸出機械軸同軸安裝15bit的角度傳感器，ST3808-15RS。由它獲得步進電機實際運行轉角，進而與57HSXX控制脈沖一起計算出步進電機失步數量，

對于機械臂轉動柔順控制算法包括三個串激閉環控制。

位置閉環 : 根據上樣機械臂轉動角度要求，按照0.5秒（該事件可以修改）時間長度設計出“S曲線”-加速和減速對應固定時間間隔機械臂轉動角度。根據實際測量肩關節的傳感器角度進行角度位置PI調節。調節算法的輸出為機械臂轉動角速度值。

速度閉環 ：將測量關節角度進行微分，獲得角度速度。然后與前級輸出的角速度設定值進行PID調節。輸出機械臂力矩設定值。

力矩柔性控制閉環 ：根據角度測量值以及57HSXX的步進脈沖給定值，按照步進電機力矩與失步數量之間的線性模型獲得當前電機輸出力矩的線性預測值。在與前級給定的力矩設定值進行PI調節，輸出給57HSXX步進模塊的步進脈沖數量以及方向控制的電平。

在上述三級串聯PID控制下，可以實現機械臂轉動的柔順控制，保證試劑杯移動過程中不會產生抖動。

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