助力机械手提升系统及微操作力控制分析

吴觉士

（上海永乾机电有限公司，上海 201804）

助力机械手提升系统及微操作力控制分析

吴觉士

（上海永乾机电有限公司，上海 201804）

本文将详细分析助力机械手提升系统及微操作力控制。

助力机械手 提升系统 微操作力

进入21世纪，我国在科技技术方面获得了显著成绩，很多科技产物都相继诞生。在规模浩大的工业生产企业中，助力机械手的使用率十分高，因为它可以帮助工人搬运一些传统性的物料，既节省了工作时间，也提高了生产效率。但是，由于其功能有限，对于一些大型物件的搬运装配还是不能做到精确化，使得工人的劳动强度加大，对自身安全也构成了严重威胁。因此，需要相关部门利用先进的科学技术，提高机械助手的系统功能，使其可以在最短时间内完成搬运作业，体现微操作的信息性和科学性，为工业生产提供方便、快捷的运行途径。

1 助力机械手的结构

助力机械手是一种新兴的科技产物，对于工业生产企业有着很大的辅助作用，可以帮助操作工人进行物料搬运和零件装配等工作。它由三组转动关节和一组移动提升关节组合而成。转动关节主要用来体现物料在水平面内的具体位置和情况。提升关节主要用来承载物料的重量和对物料升降功能的控制。为了保证助力机械手适用于人机合作的场合，在其前两个关节上安装了带有被动约束特质的关节机构，使机械手可以随时受到人工的控制。另外，提升系统可通过带有反向自锁功能的蜗轮杆减速器及滚筒两种部件，实现重物的升降功能。当操作人员提升重物时，机械手可以辅助人工施加较小的操作力，并随着操作力的变化，重物的升降位置和速度也会随着增大或减小。同时，它的提升系统的手柄上还安装了力传感器，可以自动测量提升操作力，使机械手更加灵便、敏捷，完全符合生产工人的需求。

2 微操作力控制原理

提升系统可采用微操作力控制方式进行重物的升降，并从其升降位移和速度总结出微操作力控制原理，如图1所示。主要是根据末端操作器对操作人员施加的微操作力进行科学检测，并结合在线的实时处理，配合操作者的上下动作。这种合理的处理方式可极大降低操作力的惯性，避免系统失去控制，对操作人员的人身安全带来威胁；同时，也可利用系统的指尖调节模式，帮助操作人员延伸手臂，使其可以更好地完成重物搬运工作。此外，为了达到负载位置的精细化调节，可在提升系统设置微调模式，利用按钮开关实现负载位置的轻微移动，以便操作人员控制重物升降。

图1 微操作力控制原理

3 微操作力提升系统的控制策略

3.1 控制策略的仿真分析

为了将提升系统达到生产操作的标准，使其处在稳定的条件下，要利用设计控制器提高系统的快速性和准确性，然后再运用sisotool系统设计工具对系统进行校正和监测，看其控制器参数是否符合系统的调速需求，如图2所示。一般情况下，当Kp指数为20、刚度系数为40时，属于正常的标值。通过建立阻抗控制策略的仿真分析，可以得出准确的结论，即当操作力和刚度系数处在同一水平线的情况下，等效阻尼系数会快速增加，而重物位置不发生变化，但升降速度会急速下降。而在操作力和等效阻尼系数相同的情况下，等效刚度系数会大量增加，重物的升降位置和速度都会相对减少，如图3所示。由此可见，只要施加微小的提升力，就能影响重物的升降功能。它的升降位移和速度也会依据提升力的增加或减小而定。此外，尽量保持等效刚度系数和等效阻尼系数的参数，才能使提升系统达到一定的轻便性和灵活性，使其控制系统惯性的同时，保证操作人员的安全生产。同时，帮助助力机械手扩展了丰富的使用功能，使其不再受传统功效的制约，方便了操作人员的搬运工作，为满足当下生产企业的需求提供了有效途径。

图2 控制策略仿真模型

图3 仿真结果示意图

3.2 控制策略的实验研究

为了使仿真分析达到一定的科学性和时效性，设计师们可利用半物理仿真平台对其分析结果进行检测和实验。通过实验研究证明，当力传感器对操作力进行测量后，要选择科学的控制策略算法，将操作力转变成提升速度的修正量，如图3所示。由修正量可以看出，当提升速度为正，系统末端位置上升；当提升操作力为零时，提升速度为零，系统末端位置静止不变；而操作力为负数时，提升速度也为负，末端位置也会随之下降。经过这样一系列的实验，充分体现了提升系统的柔顺性和平稳性，从而证明了提升系统控制策略的重要作用。

4 结束语

通过上文描述助力机械手的结构可以得知，它在工业生产过程中的重要性，以帮助操作工人进行物料搬运及零件的装配，有效提高生产效率，降低工人的繁重任务。此外，通过阐述微操作力提升系统的控制策略和原理，分析出提升系统的速度、位移与操作者所施加的操作力有着直接的关系，即操作力增加，提升速度和位移就会增加；反之，则会减小。因此，微操作力提升系统可以满足当下生产力的平稳性和柔顺性，对助力机械手功能的提升和改进有着很大的促进作用。

[1]蒋赞.助力机械手提升系统及微操作力控制研究[J].哈尔滨工程大学，2015，（1）：29-30.

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[3]刘周林.微装配系统控制技术研究[J].沈阳理工大学，2015，（12）：12-13.

[4]张立勋，蒋赞.微操作力提升系统控制策略实验研究[J].哈尔滨工程大学学报，2015，（12）：15-17.

Hoisting System of Power Assist Manipulator and Micro Operation Force Control Analysis

WU Jueshi
(Shanghai wing dry mechanical & Electrical Co., Ltd., Shanghai 201804)

This paper will analyze the detailed hoisting system of power assist manipulator and micro operation force control.

power manipulator, lifting system, micro operation force