水下作业机械手根关节行程限位电路的设计.docx
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水下作业机械手根关节行程限位电路的设计
水下作业机械手根关节行程限位电路的设计
第26卷第1期
2011
年
3月
文章编号:
167222477（2011）0120045204安 徽 工 程 大 学 学 报JournalofAnhuiPolytechnicUniversityVol.26.No.1Mar.,2011
许德章1,沈金灵2,汪步云1,裴九芳1,张 庆1,卫 然1
（1.安徽工程大学先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室,安徽芜湖 241000;
2.铜陵铜冠黄狮涝金矿有限责任公司,安徽铜陵 244100）
摘要:
研制了采用液压驱动的水下作业灵巧手,3个手指在一个液压马达驱动下,同时张开或收拢.为了限定3个手指跟关节的运动范围,需要设计3个手指行程限位控制电路.从液压马达正反转、内外侧行程限位开关等输入信号入手,依据手指运动规律,列出4个输入信号和两个输出信号间关系的真值表,推导出输入和输出信号间逻辑表达式,并在此基础上设计出行程限位电路.为了便于修改电路的逻辑功能,减少电路板上集成电路数量,控制电路的逻辑运算功能借助可编程逻辑电路实现.
关 键 词:
水下作业;液压驱动器;水下灵巧手;中图分类号:
TH137.7
文献标识码:
A
目前,Bauman’sMoscowStateTechnicalUni2versity[1].,通常为单关节、单自由度的开合型夹持器,.作业手的基本特征是多手指、多关节、多自由度,对目标的操纵性和适应性好[2].本课题在国家863项目“用于水下的智能化机器人手爪”的资助下,研制了一款6关节,3手指结构的水下作业灵巧手.为了满足水下大负荷、小体积的特殊需要,3个指关节采用3只液压缸驱动,3个根关节共用1只摆线马达驱动器[3].关于水下作业机械手控制问题,国内外专家一般针对关节运动和力控制展开研究[425].本课题研制的水下智能化机器人手爪（见图1）,根关节采用摆线马达驱动,存在行程限位控制问题.本文针对手爪行程限位的具体问题,阐述该控制电路的设计思路和工程实现方法.1 根关节结构和行程限位问题
根关节由根关节体和下盘丝两个部分组成,根关节体的结构如图2所示,指关节支架结构如图3所示,下盘丝的结构如图4所示.当下盘丝装入根关节体后,其端面齿3与指关节支架的齿2相互啮合.当液压马达通过连接轴4驱动下盘丝旋转时,3只指关节支架将在根关节体导向槽1内径向运动,3只手指做收拢和张开运动.很显然,下盘丝存在一定转角范围,当超出这个范围时,指关节支架将从下盘丝上脱落,即存在行程限位问题.实现行程限位有两种基本方法,一是限定下盘丝转角范围,二是借助行程开关限位.最可靠的方法是既限定下盘丝转角范围,又融合行程开关限位信号,实现综合控制.
图1 水下智能化手爪图2 根关节体图3 指关节支架图4 下盘丝液压马达正、反转控制通过三位四通双控电磁阀实现,图5的继电器K1的常开触点控制三位四通电磁阀左线包,K2控制右线包.当K1通电时,液压马达正转,3个手指收拢;当K2通电时,液压马达反转,3收稿日期:
2010207229
基金项目:
国家高技术研究发展计划（863计划）基金资助项目（2006aa04z244）
作者简介:
许德章（19642）,男,安徽芜湖人,教授,博士.
?
46?
安 徽 工 程 大 学 学 报第26卷
只手指张开.显然,K1和K2不能同时通电,即K1和K2存在互锁问题.当内、外侧两个行程开关G和H检
测到限位信号后,控制K1和K2的方法有两种,一是借助软件实现逻辑运算,二是通过硬件电路实现逻辑运算.因硬件电路具有运算速度快,控制直接,可靠性高的特点,比较理想的方法是借助硬件电路直接控制三位四通电磁阀两个线包.
2 电路设计
2.1 逻辑分析
行程限位控制电路输入信号有4个,分别为正转指令（A）、反转（B）指令,行程开关输出信号（H和
G）,其中A和B来自计算机多功能卡的I/O口输出,4个输入信号的含义见表1.
表1 4个输入信号的含义
（）
（）
（）
（）
要求3只手指要求3只手指要求3只手指要求3只手指3只手指到达3只手指未到33只手指未到作收拢运动
停止运动
作张开运动
停止运动
外侧极限位置
输入信号A和B反映3只手指两种基本状态,,1用C.运动标识C和输入信号A,CE.正转标识
DE和外侧限位信号G综合形成反转控制输
出信号Y.和表3,其物理含义分述如下.
（1）因有4,且4种组合存在状态重复,需要进一步整合.这里用手指运动标识C,反映3个手指运动状态.具体物理含义为:
当C=1表示要求3个手指处于运动状态;当C=0表示要求3个手指处于停止状态.因此,当输入指令信号A=1,且B=1时,指令的含义是要求3个手指在同一时刻既作张开又作收拢运动,显然存在运动干涉,属于错误指令,应该被排除.排除的方法是在此情况下C赋值为0,即手指不作任何运动,处于停止状态.当A或B等于1,表明手爪处于正常运动状态,此时D赋值为1.当A和B都为0,表明手指处于运动停止,此时D=0.
表2 正转控制信号真值表
反转指令（输入）B
0011
转动指示信号形成
正转指令（输入）A运动标识C
00110110
正转标识D
0100
正转标识D
0101
控制信号形成
内侧限位H正转控制（输出）X
00101001
表3 反转控制信号形成真值表
反转指令（输入）B
001转动指示信号形成
正转指令（输入）A运动标识C
001101反转标识E
001反转标识E
010反转控制信号形成
外侧限位G反转控制（输出）Y
001010
（2）正转标识D=1,表明指令要求3个手指作收拢运动合法、有效;正转标识D=0,表明指令要求3
个手指作收拢运动无效.依据3个手指移动规律,只有当A=1,且C=1时,才会有D=1;当A和C其中一个为0,D应该赋值为0.
（3）正转输出信号X直接控制继电器K1,当X=1表明K1通电,液压马达正转,3个手指作收拢运
动.X的状态与D、H两个信号有关,当D=1且H=0（根关节3个手指没有到达内侧行程开关限位的位
置）,此时X才能输出为1;其它情况下X=0.反转控制信号Y形成过程与正转类似,不再赘述.2.2 逻辑表达式推导
依据表2和表
3列出的逻辑关系,可以列出下列逻辑表达式.
第1期许德章,等:
（1）运动标识C:
C=A?
B?
?
+A?
?
B=A?
B?
?
?
A?
?
?
B .
（2）正转标识D和反转标识E:
D=A?
C ,E=B?
C .
（3）电磁阀控制信号X和Y:
X=D?
H?
?
,Y=E?
G?
?
.
（4）（5）
（2）（3）
（1）
2.3 硬件电路设计
列出上述一组逻辑表达式后,可以很方便地绘制出K1、K2的控制电路,电路结构如图5.图5中标出
的A、B、H、G为式
（1）～（5）的输入信号,C、D、E、X和Y为式
（1）～（5）逻辑运算结果.为了有效实施光电隔离,选择5V、24V两组电源,分别用于控制和驱动电路供电.光耦合器件选用TL,UA2003集成电路驱动K1、K2两个继电器.因光电隔离电路改变了X和Y（因此,图5中X和Y信号需要再经非运算才能接到UA200312.4 逻辑功能实现
图5,如74LS00,构造硬件逻辑运算电路;,如,.为了减少器件数量,便于逻辑运算功能修改,本课,通过编程实现图5的逻辑功能,最终制成的电路板如图6,写入GAL16V8B器件的程序如下.
modulectlhand "手抓控制
title’GRIPPERHANDCONTROL’ctlhanddevice’p16v8s’;A,B,G,Hpin2,3,4,5; "引脚定义XX,YYpin12,13;
Input=[A,B,G,H]; "两个集合群定义Output=[XX,YY];equations
XX=!
（（!
A）&B&（!
G）&（!
H））;YY=!
（A&（!
B）&（!
G）&（!
H））;
test_vectors（[A,B,G,H]->Output） "写入芯片
以后编程器需要校验的内容
[0,0,0,0]->3;[0,0,0,1]->3;[0,0,1,0]->3;[0,0,1,1]->3;[0,1,0,0]->1;[0,1,0,1]->3;
[0,1,1,0]->3;[0,1,1,1]->3;[1,0,0,0]->2;[1,0,0,1]->3;[1,0,1,0]->3;[1,0,1,1]->3;
[1,1,0,0]->3;[1,1,0,1]->3;[1,1,1,0]->3;[1,1,1,1]->3;
endctlhand "
本模块程序结束
图5 电路原理图图6 控制电路PCB板
3 结论
当指关节支架从跟关节体内的导向槽上脱落后,不仅导致作业失败,而且必须停机检修,将3个指关
节支架重新装回到跟关节体的导向槽内.因此,跟关节行程限位控制要求响应速度快,工作可靠.本文基于逻辑关系的严密推导,获得输入、输出信号间的逻辑表达式,通过可编程逻辑器件实现逻辑表达式描述的
?
48?
安 徽 工 程 大 学 学 报第26
卷逻辑运算功能,设计出行程限位控制电路,并制作了实物样机.样机使用结果表明,控制电路结构简单,工作稳定、可靠.
参考文献:
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Circuitforhand
2,SENJin2ling2,WANGBu2yun1,
PEIJiu2fang1,ZHANGQing1,WEIRan1
（1.AnhuiKeyLaboratoryofAdvancedNumericalControl&ServoTechnology,
AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000,China;
2.TonglingHuangshilaoGoldMineLimitedLiabilityCompany,Tongling241000,China）
Abstract:
Underwaterdexterousgripperadoptinghydraulicdrivehasbeendevelopedbytheresearchgroup.Drivenbyahydraulicmotor,threefingersopenorcloseupatthesametime.Inordertolimittherangeofmotionofthreerootjoints,acontrolcircuitneedtobedesigntolimittherangeofmotionofthreerootjoints.Startingfromtheinputsignal,suchashydraulicmotor’sforwardrotationandreverserotation,internalandexternallimitswitch,inaccordancewiththelawsoffingermovement,thepaperliststhetruevaluetableabouttherelationshipbetweenfourinputsignalsandtwooutputsignals,de2rivesthelogicexpressionsofinputsignalsandoutputsignals,anddesignthetriplimitcircuitonthisba2sis.Inordertomodifythelogicfunctionofcircuitmoreeasily,reducethenumberofIConthecircuitboard,logicfunctionofcontrolcircuitcanberealizedbyprogrammablecircuit.
Keywords:
underwateroperation;hydraulicactuator;dexterousunderwatergripper;programmablelogicdevice
启
事
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