§01 自动上样机械臂

1.机械臂整体介绍

（1）设计目标

  四自由度自动上样机械臂是在高精度、多通道的光、热、电分析仪中完成把分析样品从样品阵列托盘移送到分析平台，实现多通道、宽量程、多维度均匀采样分析测量。提高分析设备的测试效率，增加分析的稳定性和高精度，降低测试人员劳动强度。

（2）结构特点

  四自由度上样机械臂具有高效机械臂机构设计，包括高精度机械结构、驱动电机、关节角度测量等。采用轻质优质复合材料建构机械臂主体，可以降低系统重量、减少运动惯性、降低运行噪声和消耗的功率。采用行星轮减速装置，提升输出扭矩与功率。在传动同轴安装高精度同步感应角度测量，精度优于15bit/周，为终端重复定位精度留足余量。采用大功率盘式永磁同步电机驱动，输出响应速度高，实现终端移动加速度平稳，输出机械响应频率带宽大。

  机械臂终端机械手的卡持结构设计，满足以下几个方面的特殊要求：
  1. 能够具有大的有效夹持宽度范围；
  2. 能够实现大的接触表面积和摩擦力；
  3. 具有恒定的握持压力。

  在此基础上，能够适应样品容器的体积、形状、结构的变化，稳定安全有效完成样品的拾取和释放。为此，在机械手关节中采用微型独立电机驱动控制，在输出轴中安装有输出力矩传感器和角度传感器，通过反馈实现终端输出压力的控制。

（3）柔性平滑控制

  为了保证广口容器中的液体样品在快捷移送中不遗撒，在机械臂运动中z需要对终端加速度进行精确控制。在利用机械臂运动逆解算进行前馈控制的基础上，结合机械臂管脚角度传感器信号的反馈，实现不同质量样品运动中的平滑柔顺运动控制。为了适应大范围运动中，机械臂各自由度之间的强耦合、非线性的特点，建立基于CMAC神经网络的自适应控制算法，实现控制器自学习功能，进一步抑制由于负载变化、机械损耗带来的控制不确定性。

2.机械臂机械结构

（1）整体结构

  上样机械臂，也称为样品抓送机械臂，在四通道化学滴定分析系统中完成将样品杯从样品框盒到滴定台之间的转运。它包括有四个自由度（关节），主要结构如下图所示：

  上样机械臂电子控制系统是对上样机械臂中各个运动关节进行控制，使机械臂整体完成准确移送测试样品的任务。机械臂移送样品是从样品盒到滴定台之间搬运试剂反应烧杯或者试管，动作包括对样品杯的抓取与释放、手臂的提升与下降、手臂关节的旋转与底座的旋转等。

（2）五个主要部件

• （1）基座 ：整个机械臂的支撑部件，容纳设备主要电路系统。与其它设备（样品框、滴定升降台、清洗蠕动泵等）尺寸一样，可以摆放在一起形成网格矩阵。

• （2）旋转升降塔 ：固定在基座上，能够支撑机械臂的固定臂上下直线运动。升降塔可以在底座旋转转盘驱动下左右进行旋转。

• （3）机械大臂 ：垂直固定在升降塔上上下运动。在前端通过旋转关节控制旋转臂的转动。

• （4）机械小臂 ：固定在固定臂前端，前端下方面安装有抓取器。

• （5）抓取器 ：抓取和释放样品杯。

（3）四个活动关节（自由度）

• 升降关节 : 控制机械臂上下运动；
• 肩关节 ： 控制机械臂与升降塔之间的旋转关节；
• 肘关节 ： 控制机械小臂与大臂之间的旋转关节；
• 机械爪 ：也称样品抓取关节，用于抓取试剂瓶；

§02 机械臂电控系统

1.电控系统框架

  机械臂上有四个运动关节，每个关节包括有运动电机和位置传感器。不同的关节的功能不同，电机的种类、功率、传感器的型号和个数也各不相同。

  下面是电控系统内部的整体框架图：

  为了减少控制引线连接复杂程度，控制系统整体上分为两大单元：

  1. 基座控制单元：主要控制基座旋转运动和升降塔的上下运动；

  2. 手臂控制单元：主要控制机械臂肘关节的旋转和抓取器的张开与闭合；

  这两个单元通过局部异步通信总线相连接。基座控制单元提供与系统总控系统的控制连接端口。除此之外，系统还包括有工作电源，提供24V功率电源和5V的控制工作电源。

2.各关节驱动电机与传感器

（1）基座旋转关节

• 关节功能描述：

• 底座关节机械部分能够维持底座垂直，并能够在驱动步进电机驱动下左右自由转动。左右转动角度范围180度。

• 底座驱动采用大功率步进电机驱动。通过齿轮咬合传递到底座转盘。电机旋转力矩和转速能够满足驱动要求；

• 在底座安装有光电，或者HALL位置限位开关。左右各一个；

• 底座安装有绝对HALL角度传感器。8192线的输出。

• 关节驱动电机：

  关节驱动电机采用功率步进电机驱动，配有高效电机驱动器完成底座的运动。

• 关节传感器：

  基座关节是旋转运动，所以传感器采用磁感应角度传感器。包括有电子传感器和定位磁铁两部分。

（2）固定臂升降关节

  功能描述：

• 升降关节采用螺杆驱动方式，或者定时皮带拖动上下运动。

• 在上下按照两个光电，或者HALL位置限位开关；

• 安装有线性位置传感器。

• 驱动电机：

  驱动电机采用与基座旋转关节相同的步进电机和驱动器。由于升降关节采用丝杠滑轨结构，运动负载较大，所以驱动步进电机的功率比基座功率电机大。

• 关节传感器：

  在改关节安装有两个行程光电开关，检测手臂上下运动的绝对位置。手臂在之间的位置依靠步进电机计数给定。

（3）旋转臂肘关节

• 功能描述：

• 安装带有减速齿轮的微型步进电机驱动；

• 关节同轴按照有角度传感器；

（4）抓取器关节

• 功能描述：

• 微型步进电机驱动

• 在行程中间和两边按照有电子位置传感器；

• 在机械抓指底部安装有张力传感器。

§03 关节柔顺控制

1.柔顺控制目标

  在机械臂转移带有分析样品的烧杯、烧瓶的过程中，为了尽可能提高转移速度，同时减少样品因为运动产生摇晃溢出瓶口的危险，需要对样品移动过程中机械臂运动进行柔顺控制。

  柔顺控制包括两个目标：

  目标一： 试剂杯抓取柔顺。由于普通试剂瓶是由普通的透明玻璃或者硬质塑料制成，表面比较光滑，而且可能具有不同的外径尺寸。机械臂前爪抓取试剂杯时需要控制抓取的力量，使得试剂杯不容易脱落和松动。

  目标二： 机械臂转速的柔顺。由于上样机械臂工作角度和距离范围非常大，因此运动速度要求快。但为了避免试剂杯中的液体由于运动晃动而外溢，所以需要对于机械臂运动（主要是转动，上下移动影响不大）进行柔顺控制。

2.抓取柔顺控制

（1）柔顺控制条件

  抓取柔顺控制是在机械爪指尖部分增加薄膜压力传感器。通过该传感器获取机械爪抓取试剂杯的压力值，然后始终对控制机械爪的角度进行调整，实现对于不同直径试剂杯抓取力恒定控制的目标。

  下面给出了机械爪以及相应的压力传感器的图片。

（2）柔顺控制算法

  抓取柔顺控制算法框图如下图所示：

  首先根据系统设定，给出机械爪抓取试剂杯的压力值。通过机械爪指尖布置的薄膜压力传感器获取机械爪对于试剂杯的指尖压力。将压力设定中与测量压力值求差，或者误差值之后，再通过比例-积分（PI）调节算法给出机械爪角度控制舵机的指令。使其调整机械爪指尖距离，完成对于输出压力值的控制。达到对于不同直径的试剂杯的抓取力量。

3.运动柔顺控制

（1）柔顺控制条件

  实现机械臂转动柔顺控制的关键时对于肩部关节进行控制。这是由于肩部关节所带动的是整个机械臂，相对与该关节机械臂的转动惯量最大。

• 柔顺控制条件1 ： 驱动电机模块采用57HSXX闭环步进电机模块

  肩关节驱动电机采用了57HSXX系列的闭环步进电机模块。它内部具有机械角度传感器，能够对于步进转动失步数量进行计数，进而可以形成输出力矩。

  通过实际测量，步进电机模块的输出力矩与失步之间的关系如下图所示。它包括有两个阶段：

• 第一个阶段：基本线性阶段，长度为288。对应角度传感器读数：92。16（2.025°）
• 第二个阶段：饱和阶段，长度458。对应角度传感器读数：146.56（3.22°）

  柔顺控制主要应用到失步数量在300之前的线性部分，完成对于机械臂的柔顺控制。

  通过对于失步数量与转动力矩之间的数值，可以使用线性拟合获取它们之间近似的线性比例关系。

• 柔顺控制条件二 ：在肩关节采用角度传感器ST3808-15RS

  为了实现前面柔顺控制，利用闭合步进电机57HSXX的线性部分，需要计算出电机的失步数量。但该部件电机无法通过MODBUS反馈对应的失步计数，所以需要在步进电机输出机械轴同轴安装15bit的角度传感器，ST3808-15RS。由它获得步进电机实际运行转角，进而与57HSXX控制脉冲一起计算出步进电机失步数量，

（2）柔顺控制算法

  对于机械臂转动柔顺控制算法包括三个串激闭环控制。

• 位置闭环 : 根据上样机械臂转动角度要求，按照0.5秒（该事件可以修改）时间长度设计出“S曲线”-加速和减速对应固定时间间隔机械臂转动角度。根据实际测量肩关节的传感器角度进行角度位置PI调节。调节算法的输出为机械臂转动角速度值。

• 速度闭环 ：将测量关节角度进行微分，获得角度速度。然后与前级输出的角速度设定值进行PID调节。输出机械臂力矩设定值。

• 力矩柔性控制闭环 ：根据角度测量值以及57HSXX的步进脉冲给定值，按照步进电机力矩与失步数量之间的线性模型获得当前电机输出力矩的线性预测值。在与前级给定的力矩设定值进行PI调节，输出给57HSXX步进模块的步进脉冲数量以及方向控制的电平。

  在上述三级串联PID控制下，可以实现机械臂转动的柔顺控制，保证试剂杯移动过程中不会产生抖动。

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