專利名稱：：遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種控制
技術(shù)領(lǐng)域：
的控制器及控制方法，具體是一種適應(yīng)多障礙約束空間作業(yè)的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)及方法。技術(shù)背景在核工業(yè)、反恐排爆、救援、高電壓設(shè)備清掃、維護(hù)等危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境中的檢查、維修、搬運(yùn)、抓取、裝配等特種作業(yè)廣泛采用遙操作機(jī)械臂，目前的機(jī)械臂自由度大多小于或等于6，適用于無(wú)障礙環(huán)境；而對(duì)于某些特殊的多障礙約束環(huán)境作業(yè)，如排爆作業(yè)中從車底抓取爆炸物，救援作業(yè)中從窗戶進(jìn)入靠近地面的被困人員，高壓帶電清掃變電站中的絕緣子等作業(yè)，由于工作環(huán)境中存在較多障礙，需要機(jī)械臂提供冗余自由度。冗余自由度主要用來(lái)擴(kuò)大機(jī)械臂工作范圍、優(yōu)化機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能以及回避障礙。平面冗余度機(jī)械臂是指在一個(gè)平面內(nèi)機(jī)械臂自由度大于3的機(jī)械臂，是冗余度機(jī)械臂的一個(gè)重要組成部分。面向平面冗余度機(jī)械手的主端指令輸入和控制裝置主要包括按鈕、操縱桿、同構(gòu)主手以及和手臂相捆綁的隨動(dòng)主手等，其中同構(gòu)主手需要和從手完全相同的機(jī)械構(gòu)型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要位置傳感器獲取主手各關(guān)節(jié)位置信息，成本較高；采用和手臂隨動(dòng)的主手則同樣存在尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴的缺點(diǎn)。由于冗余度機(jī)械臂除了可以滿足操作者對(duì)末端位置和姿態(tài)的控制要求，還可以進(jìn)一步調(diào)整機(jī)械手各關(guān)節(jié)臂的相對(duì)位置關(guān)系即構(gòu)型以適應(yīng)多障礙環(huán)境，而目前以按鈕和操縱桿為主的指令輸入和控制器尚沒(méi)有相應(yīng)的指令輸入和處理方法。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利ZL200510042571.2研制了一種多關(guān)節(jié)操作桿，包括基座、尾擺動(dòng)桿、變向擺動(dòng)桿、同項(xiàng)擺動(dòng)桿、頭擺動(dòng)桿、回轉(zhuǎn)桿、按鈕依次首尾連接而成，各個(gè)擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的中心位置安裝中空薄膜電位器和空心軸，按鈕開(kāi)關(guān)則裝有薄膜開(kāi)關(guān)，用于控制機(jī)械臂基座回轉(zhuǎn)、擺動(dòng)關(guān)節(jié)l一3、手腕回轉(zhuǎn)和開(kāi)關(guān)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。此操作桿線纜內(nèi)藏，可根據(jù)從手形式組合，結(jié)構(gòu)緊湊；專利200610082456.2則提出一種主從機(jī)械手用于外科手術(shù)，其中主手采用與從手同構(gòu)的連桿串聯(lián)連接而成，各個(gè)連桿驅(qū)動(dòng)時(shí)采用雙向離合器用來(lái)防止操作者向錯(cuò)誤方向操作機(jī)械臂。上述機(jī)械臂指令輸入和控制器，在操作靈活性、安全性等方面有一定提高，但仍存在如下的缺點(diǎn)(1)控制的對(duì)象是非冗余度機(jī)械手。(2)控制器僅僅考慮末端的運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有專門針對(duì)機(jī)械臂構(gòu)型實(shí)施控制。而機(jī)械臂構(gòu)型調(diào)整則體現(xiàn)了對(duì)機(jī)械臂對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力；(3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。又發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利ZL200510042571.2結(jié)構(gòu)緊湊，但是沒(méi)有考慮機(jī)械臂構(gòu)型的調(diào)整方法，實(shí)質(zhì)上是一種集成的單軸運(yùn)動(dòng)控制器；專利200610082456.2是一種同構(gòu)主手，該方案可以用于冗余度機(jī)械臂構(gòu)型控制，但需要設(shè)計(jì)和從手同構(gòu)的主手機(jī)械結(jié)構(gòu)，并配備了位姿傳感器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，僅僅適合于重要的應(yīng)用場(chǎng)合。目前大多數(shù)機(jī)械臂的指令輸入和控制器仍然應(yīng)用通用操作桿(最大控制軸數(shù)為3)和按鈕組合的方式輸入指令，如何在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)冗余度機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)和構(gòu)型調(diào)整尚未見(jiàn)報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種冗余自由度小于或等于3的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)及方法，使得既可以直接控制機(jī)械臂的末端位姿，又可以障礙環(huán)境中調(diào)整機(jī)械臂的構(gòu)型，從而可實(shí)現(xiàn)在障礙環(huán)境中快速、高效接近目標(biāo)，簡(jiǎn)單實(shí)用，提高了平面冗余度機(jī)械臂的操作性能。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所涉及的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)，包括冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)、冗余度機(jī)械臂上位控制器、上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、冗余度機(jī)械臂下位機(jī)控制器以及冗余度機(jī)械臂組成，其中所述冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)提供人機(jī)交互，負(fù)責(zé)接收操作員的指令并顯示機(jī)械臂當(dāng)前位置、限位、報(bào)警等狀態(tài)信息；所述冗余度機(jī)械臂上位控制器安裝在冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)上，和冗余度機(jī)械臂上位控制器之間通過(guò)控制電路連接，冗余度機(jī)械臂上位控制器通過(guò)串行通訊接口與上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊連接與通訊，將編碼的控制命令發(fā)送到遠(yuǎn)端的下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊，并同時(shí)獲取遠(yuǎn)端機(jī)械臂的狀態(tài)信息。所述上位機(jī)和下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊提供冗余度機(jī)械臂上位控制器和冗余度機(jī)械臂下位控制器之間的通訊功能，由工作在同一工作頻率的一對(duì)模塊完成，其間的距離為100米。上位機(jī)和下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊和冗余度機(jī)械臂上、下位控制器之間均通過(guò)串行通訊接口交換數(shù)據(jù)；所述冗余度機(jī)械臂下位控制器安裝在冗余度機(jī)械臂上，接收冗余度機(jī)械臂上位控制器對(duì)冗余度機(jī)械臂各關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)指令，并輸出到冗余度機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)電機(jī)上，同時(shí)將冗余度機(jī)械臂的位置、速度、限位和報(bào)警等狀態(tài)信息發(fā)送給下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊。所述的冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)上設(shè)有模式選擇開(kāi)關(guān)、單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組、構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組、單軸速度輸入旋鈕、速度指令輸入操縱桿、指示燈和液晶顯示模塊。通過(guò)模式選擇開(kāi)關(guān)可選擇機(jī)械臂的三種控制模式單軸運(yùn)動(dòng)模式，末端運(yùn)動(dòng)模式和構(gòu)型調(diào)整模式，在任一時(shí)刻只能選擇其中一種控制模式。在單軸運(yùn)動(dòng)模式下，單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組和單軸速度輸入旋鈕的輸入有效。單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組控制機(jī)械臂每個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，單軸速度輸入旋鈕表示軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，單軸運(yùn)動(dòng)指令由單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組和單軸速度輸入旋鈕組合實(shí)現(xiàn)。在末端運(yùn)動(dòng)模式下，速度指令輸入操縱桿和構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組有效。速度指令輸入操縱桿直接控制末端機(jī)械臂在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，操作直觀性強(qiáng)，所述的操縱桿為三維操縱桿，內(nèi)部包含三個(gè)獨(dú)立的電位計(jì)，可輸入三個(gè)軸的速度指令；構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組包括l一3個(gè)冗余軸選擇波段開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)于平面冗余度為1到3的情況。在此模式下構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)所選擇的軸表示該軸電機(jī)鎖定。在構(gòu)型調(diào)整模式下，速度指令輸入操縱桿和構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組有效。構(gòu)型調(diào)整模式指的是機(jī)械臂末端位置和姿態(tài)均保持不變的情況下，通過(guò)輸入冗余關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，調(diào)整機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間的相對(duì)位置關(guān)系。該功能是這樣實(shí)現(xiàn)的由構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組選擇要調(diào)整的關(guān)節(jié)軸，此時(shí)速度指令輸入操縱桿三個(gè)電位計(jì)的輸入表示由構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組設(shè)定的關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)速度。所述的指示燈，主要功能為顯示各關(guān)節(jié)軸的限位信息以及電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的報(bào)警信息。所述的液晶顯示模塊，主要功能為顯示關(guān)節(jié)軸電機(jī)的位置及報(bào)警的詳細(xì)信息。所述的冗余度機(jī)械臂上位控制器，主要由數(shù)字量輸入接口、濾波電路、模擬量輸入接口、數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊、數(shù)字量輸出接口、主控芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和串行通訊接口組成。其中，主控芯片通過(guò)通用1/0端口與數(shù)字量輸入接口、數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊連接，其中數(shù)字量輸入接口用于接入模式選擇開(kāi)關(guān)、單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組以及構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組的開(kāi)、合指令輸入；數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊用于擴(kuò)展輸出端口，經(jīng)數(shù)字量輸出接口完成光電隔離、電平轉(zhuǎn)換后與液晶顯示模塊以及指示燈連接；主控芯片通過(guò)A/D端口和模擬量輸入接口連接，經(jīng)濾波電路后采集冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)的單軸速度控制旋鈕和速度指令輸入操縱桿輸入的電壓量；主控芯片通過(guò)12(:總線與靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)上位機(jī)命令解析程序、機(jī)械臂系統(tǒng)的工作參數(shù)、遠(yuǎn)程通訊地址和通訊協(xié)議，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)掉電不丟失。所述的冗余度機(jī)械臂下位控制器，與機(jī)械臂固定安裝，包括串行通訊接口，數(shù)字信號(hào)處理器、高速脈沖輸入接口、數(shù)字量輸入接口、數(shù)字量輸出接口以及模擬量輸出接口。其中，數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)數(shù)據(jù)總線和高速脈沖輸入接口電路連接，用于接收電機(jī)的編碼器信號(hào)，反饋電機(jī)的位置、速度信息；數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)GPIO(通用輸入輸出)端口和數(shù)字量輸入接口以及數(shù)字量輸出接口連接，數(shù)字量輸入接口用于接入原點(diǎn)、限位以及驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)；數(shù)字量輸出接口用于接入驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)；數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)數(shù)據(jù)端口和模擬量輸出接口連接，用于向驅(qū)動(dòng)器提供速度指令。數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)串行通訊接口與無(wú)線數(shù)據(jù)模塊通訊，接收上位控制器的控制指令，并反饋電機(jī)的位置、速度以及報(bào)警等狀態(tài)信息。所述的冗余度機(jī)械臂由安裝在其關(guān)節(jié)處的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)附帶編碼器和驅(qū)動(dòng)器。編碼器通過(guò)高速脈沖輸入接口和數(shù)字信號(hào)處理器連接，提供任意時(shí)刻電機(jī)的位置和速度信息；驅(qū)動(dòng)器通過(guò)模擬量輸入接口和數(shù)字信號(hào)處理器連接，接收電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度指令；同時(shí)通過(guò)數(shù)字量輸入接口接收數(shù)字信號(hào)處理器的伺服使能等開(kāi)關(guān)指令，并反饋電機(jī)的狀態(tài)信息。本發(fā)明所涉及的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制方法，包括如下的步驟2001:讀取無(wú)線數(shù)據(jù)模塊發(fā)送的機(jī)械臂當(dāng)前位置和狀態(tài)。通過(guò)模式選擇按鈕，操作人員可選擇單軸運(yùn)動(dòng)模式，末端運(yùn)動(dòng)模式和構(gòu)型調(diào)整模式中的一種；2002:如果選擇單軸運(yùn)動(dòng)模式，則讀取單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組和單軸速度控制旋鈕的值，表示電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和速度指令輸入；從而確定機(jī)械臂全部關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度指令。以下轉(zhuǎn)20072003:如選擇末端運(yùn)動(dòng)模式，則讀取構(gòu)型指令控制開(kāi)關(guān)組的值，構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)的數(shù)目等于冗余自由度數(shù)目，通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組可選擇末端運(yùn)動(dòng)時(shí)不運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)電機(jī)；2004:讀取末端指令操縱桿的值，包括X軸電位計(jì)、Y軸電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的值，表示機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)指令，其中X軸電位計(jì)表示機(jī)械臂末端X軸的平動(dòng)，Y軸電位計(jì)表示機(jī)械臂末端Y軸的平動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電位計(jì)表示機(jī)械臂末端在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)2003，2004的步驟，可唯一確定冗余度機(jī)械臂的末端運(yùn)動(dòng)。并通過(guò)反解確定機(jī)械臂全部關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度指令。以下轉(zhuǎn)20072005:如選擇構(gòu)型調(diào)整模式，則讀取構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組的值，通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組選擇的軸表示將要實(shí)施構(gòu)型調(diào)整運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。構(gòu)型調(diào)整運(yùn)動(dòng)的電機(jī)數(shù)目等于冗余自由度數(shù)。2006:讀取末端指令操縱桿的值，包括X軸電位計(jì)、Y軸電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的值，表示構(gòu)型調(diào)整運(yùn)動(dòng)指令。其中X軸、Y軸和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)表示構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組設(shè)定的電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)2005，2006的步驟，可保證機(jī)械臂末端位置和姿態(tài)不變的情況下調(diào)整機(jī)械臂的構(gòu)型。并通過(guò)反解運(yùn)算確定機(jī)械臂全部關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度指令。2007:將機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度指令通過(guò)遠(yuǎn)程通訊發(fā)送到下位控制器。如果需要執(zhí)行新的控制命令，則需要重新重復(fù)步驟200卜2007。步驟2003、2004以及2005、2006中，冗余度機(jī)械臂電機(jī)速度反解算法如下設(shè)平面冗余度機(jī)械臂的末端位姿由(x,少,a)表示，其中(x,力表示在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)機(jī)械臂的末端位置，《則表示在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)機(jī)械臂的姿態(tài)。x=/t(6^2，...，《)"/2,...，《),""6"=厶(《,《，...,《)式中，y;、/y、厶分別表示末端位姿和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的函數(shù)關(guān)系。則末端速度計(jì)算如下步驟2003和2004中，設(shè)通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組選擇的軸為4n，n為平面冗余度機(jī)械臂的自由度數(shù)，末端速度指令由操縱桿指定，則軸13的速度反解如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>步驟2005和2006中，設(shè)通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組選擇的軸為4n，其構(gòu)型調(diào)整速度指令由操縱桿指定，其余13軸的速度計(jì)算如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(2)式(1)和式(2)中，《(/=1，...，")表示平面冗余度機(jī)械臂第1關(guān)節(jié)的位置，《々、1，...，w)表示平面冗余度機(jī)械臂第i關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度。所述的冗余度機(jī)械臂，是指在某一平面內(nèi)自由度數(shù)目大于3的冗余度機(jī)械臂，對(duì)機(jī)械臂在該平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制可采用單軸運(yùn)動(dòng)指令輸入、末端運(yùn)動(dòng)指令輸入和構(gòu)型調(diào)整指令輸入三種控制模式；除此之外，該機(jī)械臂還可具備多個(gè)自由度，在本發(fā)明中，這些自由度只能輸入單軸運(yùn)動(dòng)指令。本發(fā)明針對(duì)平面冗余度機(jī)械臂，提出了末端運(yùn)動(dòng)指令輸入和構(gòu)型控制方法其中機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)指令輸入采用三自由度商用操縱桿控制平面冗余度機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)，采用構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組選擇鎖定關(guān)節(jié)，并通過(guò)控制算法反解得到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)指令，簡(jiǎn)單直觀，適合于空曠無(wú)障礙環(huán)境；而基于末端位姿保持的構(gòu)型指令輸入采用通用操縱桿輸入待調(diào)整構(gòu)型的軸的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)控制算法解算得到機(jī)械臂構(gòu)型，該方法適合于障礙環(huán)境下機(jī)械臂構(gòu)型的調(diào)整。通過(guò)這兩種指令輸入裝置和控制算法的組合，使得既可以直接控制機(jī)械臂的末端運(yùn)動(dòng)，又可以在障礙環(huán)境下調(diào)整機(jī)械臂的構(gòu)型，簡(jiǎn)單實(shí)用，適用于大多數(shù)平面冗余度機(jī)械臂的控制指令輸入，如采用六維鼠標(biāo)等空間運(yùn)動(dòng)指令輸入裝置，還可應(yīng)用于空間冗余度機(jī)械臂的控制。圖l為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為上位控制器硬件連接框圖；圖3為下位控制器硬件連接框圖；圖4為機(jī)械臂指令輸入和構(gòu)型控制流程圖。圖5為實(shí)施例中的冗余度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。本實(shí)施例以平面四自由度機(jī)械臂的指令輸入和構(gòu)型控制為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)包括冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)1、冗余度機(jī)械臂上位控制器2、上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊3、下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊4、冗余度機(jī)械臂下位機(jī)控制器5以及冗余度機(jī)械臂6。冗余度上位控制器2和上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊3安裝在機(jī)械臂控制臺(tái)1上，與機(jī)械臂控制臺(tái)1通過(guò)控制電路連接；下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊4和冗余度機(jī)械臂下位控制器5安裝在冗余度機(jī)械臂6上，冗余度機(jī)械臂上位控制器2與上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊3通過(guò)串行通訊接口連接，冗余度機(jī)械臂下位控制器5和下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊4之間也通過(guò)串行通訊接口連接。如圖2所示，所述的冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)1，包括模式選擇開(kāi)關(guān)101、單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組102、構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組103、單軸速度輸入旋鈕104、速度指令輸入操縱桿105、指示燈106和液晶顯示模塊107。這些器件和上位機(jī)控制器通過(guò)控制電路連接。模式選擇開(kāi)關(guān)101為波段開(kāi)關(guān)，可選擇機(jī)械臂的三種控制模式單軸運(yùn)動(dòng)模式，末端運(yùn)動(dòng)模式和構(gòu)型調(diào)整模式。在任一時(shí)刻只能選擇其中一種控制模式；在單軸運(yùn)動(dòng)模式下，單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組102和單軸速度輸入旋鈕104的輸入有效；單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組101的作用是控制機(jī)械臂每個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，單軸速度輸入旋鈕103表示電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，單軸運(yùn)動(dòng)指令由單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組101和單軸速度輸入旋鈕103組合實(shí)現(xiàn)；在末端運(yùn)動(dòng)模式下，速度指令輸入操縱桿105和構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組102有效。速度指令輸入操縱桿103的功能是直接控制平面冗余度機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)速度，操作直觀性強(qiáng)，速度指令輸入操縱桿105為三維操縱桿，內(nèi)部包含三個(gè)獨(dú)立的電位計(jì)，可輸入三個(gè)軸的速度指令；本實(shí)施例中選擇的操縱桿為日本Sakae公司的30JHK-ZT-30R3G三維操縱桿；構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組102包括1個(gè)冗余軸選擇開(kāi)關(guān)，表示可用于構(gòu)型調(diào)整的自由度數(shù)為1，設(shè)在此模式下構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)所選擇的軸為1#軸，則表示在末端運(yùn)動(dòng)模式下該軸電機(jī)鎖定。在構(gòu)型調(diào)整模式下，速度指令輸入操縱桿105和構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組106有效。構(gòu)型調(diào)整模式指的是機(jī)械臂末端位置和姿態(tài)均保持不變的情況下，通過(guò)輸入冗余關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，調(diào)整機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間的相對(duì)位置關(guān)系。該功能是這樣實(shí)現(xiàn)的由構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組102選擇要調(diào)整的冗余關(guān)節(jié)，設(shè)選擇3#軸；此時(shí)速度指令輸入操縱桿105的三個(gè)電位計(jì)的輸入中，X軸電位計(jì)的輸入表示3#軸的運(yùn)動(dòng)速度，Y軸電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的輸入無(wú)效。指示燈106，主要功能為顯示各關(guān)節(jié)軸的限位信息以及電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的報(bào)警信息；液晶顯示模塊107，主要功能為顯示關(guān)節(jié)軸電機(jī)的位置及報(bào)警的詳細(xì)信息。冗余度機(jī)械臂上位控制器2，主要由數(shù)字量輸入接口201、濾波電路202、模擬量輸入接口203、數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊204、數(shù)字量輸出接口205、主控芯片206、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊207和串行通訊接口208組成。這些部件均采用常規(guī)的數(shù)字電路或電子元器件實(shí)現(xiàn)。主控芯片可以是ARM、DSP、FPGA等可編程芯片。本實(shí)施例中，主控芯片206為PHILIPS公司的LPC2131芯片，通過(guò)片上通用1/0端口與數(shù)字量輸入接口201、數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊205連接，其中數(shù)字量輸入接口201用于接入模式選擇開(kāi)關(guān)、單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組以及構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組的開(kāi)、合指令輸入；數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊205用于擴(kuò)展輸出端口，經(jīng)數(shù)字量輸出接口204完成光電隔離、電平轉(zhuǎn)換后與液晶顯示模塊107以及指示燈106連接；主控芯片206通過(guò)A/D端口和模擬量輸入接口203連接，經(jīng)濾波電路202后采集冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)的單軸速度控制旋鈕104和速度指令輸入操縱桿105輸入的電壓量；主控芯片206通過(guò)12(:總線與靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊207連接。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊207用于存儲(chǔ)上位機(jī)命令解析程序、機(jī)械臂系統(tǒng)的工作參數(shù)、遠(yuǎn)程通訊地址和通訊協(xié)議，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)掉電不丟失。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊207用于存儲(chǔ)上位機(jī)命令解析程序、機(jī)械臂系統(tǒng)的工作參數(shù)、遠(yuǎn)程通訊地址和通訊協(xié)議，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)掉電不丟失；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊207采用電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM，EEPR0M207與LPC2131通過(guò)I2C總線連接。冗余度機(jī)械臂上位控制器2，通過(guò)串行通訊接口208與上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊3連接與通訊，將編碼的控制命令發(fā)送到遠(yuǎn)端的無(wú)線數(shù)據(jù)模塊，并同時(shí)獲取遠(yuǎn)端機(jī)械臂6的狀態(tài)信息。本例的上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊3和下位機(jī)無(wú)線模塊4，選用北京捷麥通信器材有限公司生產(chǎn)的F—49P無(wú)線模塊。如圖3所示，冗余度機(jī)械臂下位控制器4，與機(jī)械臂6固定安裝，包括串行通訊接口301，數(shù)字信號(hào)處理器302、高速脈沖輸入接口303、數(shù)字量輸入接口304、數(shù)字量輸出接口305以及模擬量輸出接口306。其中，數(shù)字信號(hào)處理器302通過(guò)串行通訊接口301與無(wú)線數(shù)據(jù)模塊通訊，數(shù)字信號(hào)處理器302通過(guò)數(shù)據(jù)總線和高速脈沖輸入接口303電路連接，用于接收電機(jī)的編碼器信號(hào)，反饋電機(jī)的位置、速度信息；其中高速脈沖輸入接口303的功能包括正交編碼信號(hào)處理、計(jì)數(shù)以及地址譯碼；可以由常規(guī)數(shù)字電路和分立器件組成，也可由CPLD/FPGA等集成電路組成；數(shù)字信號(hào)處理器302通過(guò)GPIO(通用輸入輸出)端口和數(shù)字量輸入接口304以及數(shù)字量輸出接口305連接，其中數(shù)字量輸入接口304的功能為光電隔離、端口擴(kuò)展以及電平轉(zhuǎn)換，由常規(guī)的數(shù)字電路和電子元器件組成；數(shù)字量輸出接口305的功能為信號(hào)放大、端口擴(kuò)展以及繼電器控制，也由常規(guī)的數(shù)字電路和電子原器件組成。數(shù)字量輸入接口304用于接入原點(diǎn)、限位以及驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)如報(bào)警等信號(hào)；數(shù)字量輸出接口305用于接入驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)如驅(qū)動(dòng)器使能以及報(bào)警清除等信號(hào)；數(shù)字信號(hào)處理器302通過(guò)數(shù)據(jù)端口和模擬量輸出接口306連接，模擬量輸出接口306的功能包括D/A轉(zhuǎn)換和電壓放大，由常規(guī)的數(shù)字電路和電子元器件組成。模擬量輸出端口用于向驅(qū)動(dòng)器提供速度指令。本實(shí)施例中，數(shù)字信號(hào)處理器302為TI公司的TMS320LF2407A芯片，通過(guò)串行通訊接口與無(wú)線數(shù)據(jù)模塊通訊，接收上位控制器的控制指令，并反饋電機(jī)的位置、速度以及報(bào)警等狀態(tài)信息。并通過(guò)擴(kuò)展端口與高速脈沖輸入接口303、數(shù)字量輸入接口304、數(shù)字量輸出接口305以及模擬量輸出接口306連接。本實(shí)施例中采用日本松下MINAS—A4系列交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。其中電機(jī)安裝在冗余度機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處，用于驅(qū)動(dòng)冗余度機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，并附帶驅(qū)動(dòng)器和編碼器。編碼器通過(guò)高速脈沖輸入接口303和數(shù)字信號(hào)處理器連接，提供任意時(shí)刻電機(jī)的位置和速度信息；驅(qū)動(dòng)器通過(guò)模擬量輸出接口306和數(shù)字信號(hào)處理器連接，接收電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度指令；同時(shí)通過(guò)數(shù)字量輸出接口304接收數(shù)字信號(hào)處理器302的伺服使能、報(bào)警清除，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的限位、原點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)信息如報(bào)警等通過(guò)數(shù)字量輸入接口與數(shù)字信號(hào)處理器302連接并反饋電機(jī)的狀態(tài)信息。實(shí)施例中的冗余度機(jī)械臂如圖5所示。冗余度機(jī)械臂6包括腰部機(jī)構(gòu)501、第一臂502、第一推桿503、第二臂504、第二推桿505、第三臂506、第三推桿507、連桿機(jī)構(gòu)508、手腕機(jī)構(gòu)509、第四推桿510、第四臂511(手抓)。第一臂502的一端采用銷釘方式連接腰部機(jī)構(gòu)501，第一推桿503采用銷釘方式連接腰部機(jī)構(gòu)501和第一臂502，第一臂502在第一推桿503的伸縮作用下可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于腰部機(jī)構(gòu)501的俯仰運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)角度范圍不小于110度。第二臂504的一端采用銷釘方式連接第一臂502的另一端，第二推桿505采用銷釘方式連接第一臂502和第二臂504，第二臂504在第二推桿505的伸縮作用下可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于第一臂502的俯仰運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)角度范圍不小于90度。第三臂506的一端采用銷釘方式連接第二臂504的另一端，連桿機(jī)構(gòu)508采用銷釘方式連接第三臂506和第二臂504，第三推桿507采用銷釘方式連接第二臂504和連桿機(jī)構(gòu)508，第三臂506在第三推桿507的伸縮作用和連桿機(jī)構(gòu)508的放大作用下可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于第二臂504的俯仰運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)角度范圍不小于145度。手腕機(jī)構(gòu)509采用銷釘方式連接第三臂506的另一端，第四推桿510采用銷釘方式連接第三臂506和手腕機(jī)構(gòu)509，手腕機(jī)構(gòu)509在第四推桿510的伸縮作用下可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于第三臂506的俯仰運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)角度范圍不小于90度。手爪511采用軸方式連接到手腕機(jī)構(gòu)509，手爪511為外配裝置，可以進(jìn)行開(kāi)合動(dòng)作，在手腕機(jī)構(gòu)509帶動(dòng)下相對(duì)于手腕機(jī)構(gòu)9進(jìn)行回轉(zhuǎn)。其回轉(zhuǎn)角度范圍為連續(xù)回轉(zhuǎn)，也可以設(shè)定為非連續(xù)回轉(zhuǎn)的某一角度范圍。在本實(shí)施例中，第一、二、三、四臂的構(gòu)成平面冗余度機(jī)械臂，其控制模式包括末端運(yùn)動(dòng)控制和構(gòu)型調(diào)整模式；而腰部回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)則僅具備單軸運(yùn)動(dòng)模式。如圖4所示，本實(shí)施例的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制方法，包括如下步驟2001:讀取下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊4發(fā)送的機(jī)械臂當(dāng)前位置和狀態(tài)。通過(guò)模式選擇開(kāi)關(guān)101，操作人員可選擇單軸運(yùn)動(dòng)模式，末端運(yùn)動(dòng)模式和構(gòu)型調(diào)整模式2002:如果選擇單軸運(yùn)動(dòng)模式，則讀取單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組102和單軸速度控制旋鈕104的值，表示電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和速度指令輸入；從而確定機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度指令。以下轉(zhuǎn)20072003:如選擇末端運(yùn)動(dòng)模式，則讀取構(gòu)型指令控制開(kāi)關(guān)組103的值，本實(shí)施例中，構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)的數(shù)目為l，通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組可選擇末端運(yùn)動(dòng)時(shí)鎖定的關(guān)節(jié)電機(jī)，設(shè)選擇第一臂502為鎖定關(guān)節(jié)；2004:讀取速度指令操縱桿的值，包括X軸電位計(jì)、Y軸電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的值，表示機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)指令，其中X軸電位計(jì)表示機(jī)械臂末端X軸的平動(dòng)，Y軸電位計(jì)表示機(jī)械臂末端Y軸的平動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電位計(jì)表示機(jī)械臂末端在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)2003，2004的步驟，可通過(guò)式3唯一確定冗余度機(jī)械臂的末端運(yùn)動(dòng)。并通過(guò)反解確定機(jī)械臂全部關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度指令。以下轉(zhuǎn)20072005:如選擇構(gòu)型調(diào)整模式，則讀取構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組103的值，本實(shí)施例中，構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)的數(shù)目為1，設(shè)選擇第三臂506進(jìn)行構(gòu)型調(diào)整運(yùn)動(dòng)。2006:讀取末端指令操縱桿的值，本實(shí)施例中，僅需讀取X軸電位計(jì)的值，，表示對(duì)第三臂506的構(gòu)型調(diào)整速度指令，Y軸電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的輸入無(wú)效。通過(guò)2005，2006的步驟，可保證機(jī)械臂末端位置和姿態(tài)不變的情況下調(diào)整機(jī)械臂的構(gòu)型。并通過(guò)式4反解確定機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度指令。2007:將機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度指令通過(guò)遠(yuǎn)程通訊發(fā)送到下位控制器。如果需要執(zhí)行新的控制命令，則需要重新重復(fù)步驟2001-2007。步驟2003、2004以及2005、2006中，冗余度機(jī)械臂電機(jī)速度反解算法如下設(shè)平面冗余度機(jī)械臂的末端位姿由O,少，")表示，其中(;c,力表示在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)機(jī)械臂的末端位置，a則表示在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)機(jī)械臂的姿態(tài)。"=厶3，《)則末端速度計(jì)算如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>步驟2003和2004中，通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組選擇第一臂502為鎖定關(guān)節(jié)，0，則軸13的速度反解如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>(3)步驟2005和2006中，通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組選擇的軸為第三臂506，其構(gòu)型調(diào)整速度指令由操縱桿X軸電位計(jì)指定，其余13軸的速度計(jì)算如下本實(shí)施例針對(duì)平面4自由度機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了末端運(yùn)動(dòng)指令輸入和構(gòu)型控制，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單直觀，適合于空曠無(wú)障礙環(huán)境，既可以直接控制機(jī)械臂的末端運(yùn)動(dòng)，又可以在障礙環(huán)境下調(diào)整機(jī)械臂的構(gòu)型，簡(jiǎn)單實(shí)用。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>權(quán)利要求1、一種遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)，其特征在于包括冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)、冗余度機(jī)械臂上位控制器、上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、冗余度機(jī)械臂下位機(jī)控制器以及冗余度機(jī)械臂組成，其中所述冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)提供人機(jī)交互，負(fù)責(zé)接收操作員的指令并顯示機(jī)械臂當(dāng)前位置、限位、報(bào)警狀態(tài)信息，該冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)上設(shè)有模式選擇開(kāi)關(guān)、單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組、構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組、單軸速度輸入旋鈕、末端指令輸入操縱桿、指示燈和液晶顯示模塊，通過(guò)模式選擇開(kāi)關(guān)選擇機(jī)械臂的單軸運(yùn)動(dòng)模式、末端運(yùn)動(dòng)模式和構(gòu)型調(diào)整模式中一種控制模式；所述冗余度機(jī)械臂上位控制器安裝在冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)上，和冗余度機(jī)械臂上位控制器之間通過(guò)控制電路連接，冗余度機(jī)械臂上位控制器通過(guò)串行通訊接口與上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊連接與通訊，將編碼的控制命令發(fā)送到遠(yuǎn)端的下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊，并同時(shí)獲取遠(yuǎn)端機(jī)械臂的狀態(tài)信息；所述無(wú)線數(shù)據(jù)模塊提供冗余度機(jī)械臂上位控制器和冗余度機(jī)械臂下位控制器之間的通訊功能，由工作在同一工作頻率的一對(duì)模塊完成，其間的距離為100米，上位機(jī)、下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊和冗余度機(jī)械臂上、下位控制器之間均通過(guò)串行通訊接口交換數(shù)據(jù)；所述冗余度機(jī)械臂下位控制器安裝在冗余度機(jī)械臂上，接收冗余度機(jī)械臂上位控制器對(duì)冗余度機(jī)械臂各關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)指令，并輸出到冗余度機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)電機(jī)上，同時(shí)將冗余度機(jī)械臂的位置、速度、限位和報(bào)警狀態(tài)信息發(fā)送給下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)，其特征是，在所述單軸運(yùn)動(dòng)模式下，單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組和單軸速度輸入旋鈕的輸入有效，單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組控制機(jī)械臂每個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，單軸速度輸入旋鈕表示軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，單軸運(yùn)動(dòng)指令由單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組和單軸速度輸入旋鈕組合實(shí)現(xiàn)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)，其特征是，在所述木端運(yùn)動(dòng)模式下，速度指令輸入操縱桿和構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組有效，速度指令輸入操縱桿直接控制末端機(jī)械臂在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，操縱桿為三維操縱桿，內(nèi)部包含三個(gè)獨(dú)立的電位計(jì)，可輸入三個(gè)軸的速度指令；構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組包括1—3個(gè)冗余軸選擇波段開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)于平面冗余度為1到3的情況，在此模式下構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)所選擇的軸表示該軸電機(jī)鎖定。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)，其特征是，在所述構(gòu)型調(diào)整模式下，速度指令輸入操縱桿和構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組有效，由構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組選擇要調(diào)整的關(guān)節(jié)軸，此時(shí)速度指令輸入操縱桿三個(gè)電位計(jì)的輸入表示由構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組設(shè)定的關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端位置和姿態(tài)均保持不變的情況下，通過(guò)輸入冗余關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，調(diào)整機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間的相對(duì)位置關(guān)系。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)，其特征是，所述的冗余度機(jī)械臂上位控制器，主要由數(shù)字量輸入接口、濾波電路、模擬量輸入接口、數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊、數(shù)字量輸出接口、主控芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和串行通訊接口組成，其中主控芯片通過(guò)通用1/0端口與數(shù)字量輸入接口、數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊連接，數(shù)字量輸入接口用于接入模式選擇開(kāi)關(guān)、單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組以及構(gòu)型指令輸入開(kāi)關(guān)組的開(kāi)、合指令輸入；數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊用于擴(kuò)展輸出端口，經(jīng)數(shù)字量輸出接口完成光電隔離、電平轉(zhuǎn)換后與液晶顯示模塊以及指示燈連接；主控芯片通過(guò)A/D端口和模擬量輸入接口連接，經(jīng)濾波電路后采集冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)的單軸速度控制旋鈕和速度指令輸入操縱桿輸入的電壓量；主控芯片通過(guò)I2C總線與靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)上位機(jī)命令解析程序、機(jī)械臂系統(tǒng)的工作參數(shù)、遠(yuǎn)程通訊地址和通訊協(xié)議，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)掉電不丟失。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)，其特征是，所述的冗余度機(jī)械臂下位控制器，與機(jī)械臂固定安裝，包括串行通訊接口，數(shù)字信號(hào)處理器、高速脈沖輸入接口、數(shù)字量輸入接口、數(shù)字量輸出接口以及模擬量輸出接口，其中，數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)數(shù)據(jù)總線和高速脈沖輸入接口電路連接，用于接收電機(jī)的編碼器信號(hào)，反饋電機(jī)的位置、速度信息；數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)GPIO端口和數(shù)字量輸入接口以及數(shù)字量輸出接口連接，數(shù)字量輸入接口用于接入原點(diǎn)、限位以及驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)；數(shù)字量輸出接口用于接入驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)；數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)數(shù)據(jù)端口和模擬量輸出接口連接，用于向驅(qū)動(dòng)器提供速度指令，數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)串行通訊接口與無(wú)線數(shù)據(jù)模塊通訊，接收上位控制器的控制指令，并反饋電機(jī)的位置、速度以及報(bào)警信息。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)，其特征是，所述的冗余度機(jī)械臂由安裝在其關(guān)節(jié)處的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該電機(jī)附帶編碼器和驅(qū)動(dòng)器，編碼器通過(guò)高速脈沖輸入接口和數(shù)字信號(hào)處理器連接，提供任意時(shí)刻電機(jī)的位置和速度信息；驅(qū)動(dòng)器通過(guò)模擬量輸入接口和數(shù)字信號(hào)處理器連接，接收電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度指令，同時(shí)通過(guò)數(shù)字量輸入接口接收數(shù)字信號(hào)處理器的開(kāi)關(guān)指令，并反饋電機(jī)的狀態(tài)信息。8.—種遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制方法，其特征在于，包括如下的步驟2001:讀取無(wú)線數(shù)據(jù)模塊發(fā)送的機(jī)械臂當(dāng)前位置和狀態(tài)，通過(guò)模式選擇按鈕，操作人員選擇單軸運(yùn)動(dòng)模式、末端運(yùn)動(dòng)模式和構(gòu)型調(diào)整模式中的一種；2002:如果選擇單軸運(yùn)動(dòng)模式，則讀取單軸指令輸入開(kāi)關(guān)組和單軸速度控制旋鈕的值，表示電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和速度指令輸入，從而確定機(jī)械臂全部關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度指令，轉(zhuǎn)步驟2007;2003:如選擇末端運(yùn)動(dòng)模式，則讀取構(gòu)型指令控制開(kāi)關(guān)組的值，構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)的數(shù)目等于冗余自由度數(shù)目，通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組選擇末端運(yùn)動(dòng)時(shí)不運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)電機(jī)；2004:讀取末端指令操縱桿的值，包括X軸電位計(jì)、Y軸電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的值，表示機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)指令，其中X軸電位計(jì)表示機(jī)械臂末端X軸的平動(dòng)，Y軸電位計(jì)表示機(jī)械臂末端Y軸的平動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電位計(jì)表示機(jī)械臂末端在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)2003，2004的步驟，能唯一確定冗余度機(jī)械臂的末端運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)反解確定機(jī)械臂全部關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度指令，轉(zhuǎn)步驟2007;2005:如選擇構(gòu)型調(diào)整模式，則讀取構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組的值，通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組選擇的軸表示將要實(shí)施構(gòu)型調(diào)整運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，構(gòu)型調(diào)整運(yùn)動(dòng)的電機(jī)數(shù)目等于冗余自由度數(shù)；2006:讀取末端指令操縱桿的值，包括X軸電位計(jì)、Y軸電位計(jì)和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)的值，表示構(gòu)型調(diào)整運(yùn)動(dòng)指令，其中X軸、Y軸和旋轉(zhuǎn)電位計(jì)表示構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組設(shè)定的電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；通過(guò)2005，2006的步驟，保證機(jī)械臂末端位置和姿態(tài)不變的情況下調(diào)整機(jī)械臂的構(gòu)型，并通過(guò)反解運(yùn)算確定機(jī)械臂全部關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度指令；2007:將機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度指令通過(guò)遠(yuǎn)程通訊發(fā)送到下位控制器，如果需要執(zhí)行新的控制命令，則重新重復(fù)步驟2001-2007。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制方法，其特征是，所述步驟2003、2004以及2005、2006中，冗余度機(jī)械臂電機(jī)速度反解運(yùn)算如下-設(shè)平面冗余度機(jī)械臂的末端位姿由Oc，y,")表示，其中(x，力表示在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)機(jī)械臂的末端位置，"則表示在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)機(jī)械臂的姿態(tài)，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>則末端速度計(jì)算如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中，/;、/y、y;分別表示末端位姿和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的函數(shù)關(guān)系。10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制方法，其特征是，所述步驟2003和2004中，設(shè)通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組選擇的軸為4n，n為平面冗余度機(jī)械臂的自由度數(shù)，末端速度指令由操縱桿指定，則軸13的速度反解如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>步驟2005和2006中，設(shè)通過(guò)構(gòu)型指令開(kāi)關(guān)組選擇的軸為4n，其構(gòu)型調(diào)整速度指令由操縱桿指定，其余13軸的速度計(jì)算如下《(/=1，...,")表示平面冗余度機(jī)械臂第i關(guān)節(jié)的位置，《(/=1,...,")表示平面冗余度機(jī)械臂第i關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度。<table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table>全文摘要本發(fā)明公開(kāi)一種機(jī)械控制
技術(shù)領(lǐng)域：
的遙操作平面冗余度機(jī)械臂指令輸入及構(gòu)型控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明包括冗余度機(jī)械臂控制臺(tái)、冗余度機(jī)械臂上位控制器、上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、下位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、冗余度機(jī)械臂下位機(jī)控制器以及冗余度機(jī)械臂組成，通過(guò)機(jī)械臂控制臺(tái)向機(jī)械臂發(fā)出控制指令，選擇單軸運(yùn)動(dòng)模式、末端運(yùn)動(dòng)模式和構(gòu)型調(diào)整模式中的一種，其中通過(guò)單軸運(yùn)動(dòng)模式操作人員控制機(jī)械臂各軸的運(yùn)動(dòng)；通過(guò)末端運(yùn)動(dòng)模式，操作人員直接控制機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)；通過(guò)構(gòu)型調(diào)整模式，操作人員可在保持機(jī)械臂末端位置和姿態(tài)不變的情況下，調(diào)整機(jī)械臂的構(gòu)型，適用于障礙環(huán)境，提高了冗余度機(jī)械臂在復(fù)雜環(huán)境下的操作性能。文檔編號(hào)B25J9/18GK101327589SQ200810040450公開(kāi)日2008年12月24日申請(qǐng)日期2008年7月10日優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日發(fā)明者張偉軍,琰徐,強(qiáng)李,李建華,袁建軍申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)