專利名稱：一種用于脆性材料的拾放控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物料輸送領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于脆性材料尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò) 散層的拾放控制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC,Proton Exchange Membrane Fuel Cell)的膜電極組件主要由質(zhì)子交換膜、催化劑與氣體擴(kuò)散層(⑶L, Gas Diffusion Layer)組成,是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心組件，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)中的CPU，決定著燃料電池的性能。GDL是一種疏松脆性的碳纖維材料，其機(jī)械強(qiáng)度低，極易破碎。當(dāng)拾放機(jī)構(gòu)以較高速度接觸像GDL這類脆性材料時(shí)，容易產(chǎn)生過大的接觸沖擊力造成材料的損壞，故在拾放過程中必須對(duì)其接觸力進(jìn)行嚴(yán)格控制，精確設(shè)定和控制接觸的大小以保證脆性材料拾放可靠。目前有采用彈簧對(duì)拾取過程中的壓力進(jìn)行控制的拾放裝置，如公開號(hào)為CN1533237A的專利申請(qǐng)中公開了一種貼片機(jī)的積木式貼裝頭，其中利用彈簧來控制壓力，該方案構(gòu)造簡(jiǎn)單，但壓力調(diào)節(jié)較粗略，精度不夠，針對(duì)脆性材料的拾放，容易發(fā)生拾取不到或者損壞脆性材料。其他一些方案中(如CN101707181A、CN102157351A)提出了在拾放過程中采用速度切換的方式來控制接觸力，但這些方法一般適合對(duì)強(qiáng)度較大的材料進(jìn)行拾放操作(如芯片的拾放)，而不適用對(duì)脆性材料的拾放，因?yàn)榇嘈圆牧系氖胺艑?duì)接觸力要求更高。同時(shí)，現(xiàn)有的制備工藝中對(duì)像GDL這類脆性材料的拾取主要是通過手工完成的，手工制作效率低、成本高、產(chǎn)品一致性無法保證，極大地限制了產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和技術(shù)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種用于脆性材料的拾放控制方法及系統(tǒng)，其能夠精確控制拾放的接觸力大小，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性材料尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層的可靠拾放。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層的拾放控制方法，該方法包括(I)為待拾取的氣體擴(kuò)散層設(shè)置力傳感器，并對(duì)該力傳感器執(zhí)行預(yù)標(biāo)定步驟以確立其輸出電壓與所檢測(cè)的力值之間的線性比例關(guān)系；(2)通過安裝在多自由度機(jī)械手上并由伺服電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的末端拾放機(jī)構(gòu)來執(zhí)行對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾取和釋放操作，同時(shí)利用所述力傳感器對(duì)末端拾放機(jī)構(gòu)在拾放過程中與氣體擴(kuò)散層之間接觸力的大小進(jìn)行檢測(cè)；(3)對(duì)力傳感器所檢測(cè)到的以電壓形式輸出的力信號(hào)執(zhí)行放大、濾波和去噪處理，并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過指令輸入裝置所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)來構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)；(4)通過所述伺服電機(jī)的編碼器獲得有關(guān)伺服電機(jī)實(shí)際位置的信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過所述指令輸入裝置所輸入的位置期望值作為控制信號(hào)來構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào)；(5)將通過步驟(3)所獲得的偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器處理后，作為位置補(bǔ)償信號(hào)與通過步驟(4) 所獲得的偏差信號(hào)相疊加，由此獲得有關(guān)伺服電機(jī)的綜合位置偏差信號(hào)，將該綜合位置偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器和速度控制器處理后輸出至伺服放大器，然后由該伺服放大器驅(qū)動(dòng)所述末端拾放機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾放控制過程。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率為IOkHZ以上，并且高于所述力閉環(huán)的更新頻率，也即在力閉環(huán)中所反饋的數(shù)字信號(hào)與力的期望值之間進(jìn)行比較的頻率。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述力傳感器的量程為20N，其精度高于O. OlN0作為進(jìn)一步優(yōu)選地，經(jīng)過所述信號(hào)調(diào)理裝置處理后的力信號(hào)的信噪比為SOdb以上。按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種相應(yīng)的用于對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層進(jìn)行拾放操作的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有末端拾放機(jī)構(gòu)的多自由度機(jī)械手，所述末端拾放機(jī)構(gòu)通過伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來執(zhí)行對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾取和釋放操作；力傳感器,該力傳感器被設(shè)置為與被拾取的氣體擴(kuò)散層相連，用于對(duì)所述末端拾放機(jī)構(gòu)在拾放過程中與氣體擴(kuò)散層之間接觸力的大小進(jìn)行檢測(cè)并以電壓形式予以輸出；信號(hào)調(diào)理裝置，該信號(hào)調(diào)理裝置與所述力傳感器相連，用于采集力傳感器所檢測(cè)的力信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大、濾波和去噪處理；指令輸入裝置，該指令輸入裝置用于根據(jù)工況來輸入有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)與氣體擴(kuò)散層之間接觸力的期望值、以及有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)的所述伺服電機(jī)的位置期望值；運(yùn)動(dòng)控制裝置，該運(yùn)動(dòng)控制裝置分別與信號(hào)調(diào)理裝置、指令輸入裝置相連，其作用在于從信號(hào)調(diào)理裝置接收調(diào)理后的力信號(hào)并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將所述指令輸入裝置所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)來建立閉環(huán)控制，通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)；此夕卜，該運(yùn)動(dòng)控制裝置通過所述伺服電機(jī)的編碼器獲得有關(guān)伺服電機(jī)實(shí)際位置的信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將所述指令輸入裝置所輸入的位置期望值作為控制信號(hào)由此構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào)；在此基礎(chǔ)上，該運(yùn)動(dòng)控制裝置將所獲得的有關(guān)力閉環(huán)的偏差信號(hào)作為位置補(bǔ)償信號(hào)與所述位置閉環(huán)的偏差信號(hào)相疊加，由此獲得有關(guān)所述伺服電機(jī)的綜合位置偏差；伺服放大器，該伺服放大器分別與所述運(yùn)動(dòng)控制裝置和末端拾放機(jī)構(gòu)的所述伺服電機(jī)相連，用于根據(jù)所述綜合位置偏差來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾放控制。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)控制裝置包括12位以上的A/D轉(zhuǎn)換模塊，并具備4軸以上的伺服控制能力且其伺服更新頻率在2kHZ以上。按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于脆性材料的拾放控制方法，該方法包括(I)為待拾取的脆性材料設(shè)置力傳感器，并對(duì)該力傳感器執(zhí)行預(yù)標(biāo)定步驟以確立其輸出電壓與所檢測(cè)的力值之間的線性比例關(guān)系；(2)通過安裝在多自由度機(jī)械手上并由伺服電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的末端拾放機(jī)構(gòu)來執(zhí)行對(duì)脆性材料的拾取和釋放操作，同時(shí)利用所述力傳感器對(duì)末端拾放機(jī)構(gòu)在拾放過程中與脆性材料之間接觸力的大小進(jìn)行檢測(cè)；(3)對(duì)力傳感器所檢測(cè)到的以電壓形式輸出的力信號(hào)執(zhí)行放大、濾波和去噪處理，并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過指令輸入裝置所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)由此構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)；(4)通過所述伺服電機(jī)的編碼器獲得有關(guān)伺服電機(jī) 實(shí)際位置的信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過所述指令輸入裝置所輸入的位置期望值作為控制信號(hào)由此構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào);(5)將通過步驟(3)所獲得的偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器處理后，作為位置補(bǔ)償信號(hào)與通過步驟(4)所獲得的偏差信號(hào)相疊加，由此獲得有關(guān)伺服電機(jī)的綜合位置偏差信號(hào)，將該綜合位置偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器和速度控制器處理后輸出至伺服放大器，然后由該伺服放大器驅(qū)動(dòng)所述末端拾放機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性材料的拾放控制過程。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述位置控制器為采用模糊PID算法的位置控制器，所述速度控制器為采用PI算法的速度控制器。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述多自由度機(jī)械手為3自由度以上的機(jī)械手，并且其用于驅(qū)動(dòng)其末端拾放機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)具有17位以上的相對(duì)編碼器。按照本發(fā)明的又一方面，提供了一種相應(yīng)的用于對(duì)脆性材料進(jìn)行拾放操作的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有末端拾放機(jī)構(gòu)的多自由度機(jī)械手，所述末端拾放機(jī)構(gòu)通過伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來執(zhí)行對(duì)脆性材料的拾取和釋放操作；力傳感器，該力傳感器被設(shè)置為與被拾取的脆性材料相連，用于對(duì)所述末端拾放機(jī)構(gòu)在拾放過程中與脆性材料之間接觸力的大小進(jìn)行檢測(cè)并以電壓形式予以輸出；信號(hào)調(diào)理裝置，該信號(hào)調(diào)理裝置與所述力傳感器相連，用于采集力傳感器所檢測(cè)的力信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大、濾波和去噪處理；指令輸入裝置，該指令輸入裝置用于根據(jù)工況來輸入有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)與脆性材料之間接觸力的期望值、以及有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)的所述伺服電機(jī)的位置期望值；運(yùn)動(dòng)控制裝置，該運(yùn)動(dòng)控制裝置分別與信號(hào)調(diào)理裝置、指令輸入裝置相連，其作用在于從信號(hào)調(diào)理裝置接收調(diào)理后的力信號(hào)并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將所述指令輸入裝置所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)來建立閉環(huán)控制，通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)；此夕卜，該運(yùn)動(dòng)控制裝置通過所述伺服電機(jī)的編碼器獲得有關(guān)伺服電機(jī)實(shí)際位置的信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將所述指令輸入裝置所輸入的位置期望值作為控制信號(hào)由此構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào)；在此基礎(chǔ)上，該運(yùn)動(dòng)控制裝置將所獲得的有關(guān)力閉環(huán)的偏差信號(hào)作為位置補(bǔ)償信號(hào)與所述位置閉環(huán)的偏差信號(hào)相疊加，由此獲得有關(guān)所述伺服電機(jī)的綜合位置偏差；
伺服放大器，該伺服放大器分別與所述運(yùn)動(dòng)控制裝置和末端拾放機(jī)構(gòu)的所述伺服電機(jī)相連，用于根據(jù)所述綜合位置偏差來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性材料的拾放控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，按照本發(fā)明的拾放控制方法及系統(tǒng)主要具備以下優(yōu)點(diǎn)I、通過以具有末端拾放機(jī)構(gòu)的多自由度機(jī)械手來執(zhí)行脆性材料的拾放過程，可以以更高精度和靈活性來執(zhí)行拾取和釋放操作，尤其是，通過設(shè)置高響應(yīng)和高精度的力傳感器，可以對(duì)脆性材料與末端拾放機(jī)構(gòu)之間的接觸力進(jìn)行精確檢測(cè)和控制，由此避免過大的沖擊造成脆性材料的損壞；2.較多的實(shí)踐表明，本發(fā)明尤其適用于質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層之類脆性材料的拾放操作，這是因?yàn)?，一方面氣體擴(kuò)散層的外貌特征呈多樣變化性且其表面較粗糙呈疏松狀，因此對(duì)它無法采取位置固定的拾放操作，客觀上需要對(duì)每次的拾取操作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整；另一方面，其由于氣體擴(kuò)散層自身的物理特性，脆性大，易碎，對(duì)拾放過程中的接觸力控制更為嚴(yán)格；而按照本發(fā)明可以較好地解決以上問題，相應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散 層的精確快速有效的拾放操作；3、通過采用力傳感器來實(shí)現(xiàn)力閉環(huán)控制，在兼顧拾放效率和保證拾放的脆性材料不被損壞前提下，能夠提高拾放機(jī)構(gòu)接觸脆性材料的速度，縮短整個(gè)拾放過程的時(shí)間，具有更高的拾放效率；4、通過采用力傳感器實(shí)現(xiàn)力和位置雙閉環(huán)的控制方法，能夠更進(jìn)一步地精確控制末端拾放機(jī)構(gòu)的位置和拾放機(jī)構(gòu)與被拾放材料之間接觸力的大小，能夠適應(yīng)被拾放的材料表面外貌特征不一致，材料強(qiáng)度不一致，以及材料被拾放的位置不一致等拾放工況；5、此外，由于在力和位置閉環(huán)控制的過程中采用了模糊PID算法和PI算法，這些算法對(duì)于不同的拾取對(duì)象都具備較高的適用能力，并能夠提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，減小系統(tǒng)的跟隨誤差，相應(yīng)地，提高對(duì)脆性材料與拾放機(jī)構(gòu)之間接觸力控制精度并增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。


圖I為按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施的用于氣體擴(kuò)散層的拾放系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為按照本發(fā)明的用于氣體擴(kuò)散層的拾放控制原理圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖I是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施的用于氣體擴(kuò)散層的拾放系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖中所示，按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的拾放系統(tǒng)主要包括多自由度機(jī)械手7、設(shè)置在機(jī)械手7上的末端拾放機(jī)構(gòu)8、力傳感器3、信號(hào)調(diào)理裝置4、運(yùn)動(dòng)控制裝置2、指令輸入裝置I和伺服放大器6。多自由度機(jī)械手7譬如為3自由度、優(yōu)選為3自由度以上的機(jī)械手，由此可以實(shí)現(xiàn)手臂末端在X軸、Y軸和Z軸等多個(gè)方向上的自由靈活移動(dòng)。末端拾放裝置8安裝在機(jī)械手上，并由譬如為伺服電機(jī)的動(dòng)力裝置所驅(qū)動(dòng)，由此執(zhí)行對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層執(zhí)行拾取和釋放操作，其在未進(jìn)行相應(yīng)操作時(shí)，可以譬如正好位于待拾取的氣體擴(kuò)散層5的正上方。為了對(duì)整個(gè)拾放操作過程中，對(duì)末端拾放機(jī)構(gòu)8與氣體擴(kuò)散層5之間的接觸力進(jìn)行精確控制和調(diào)節(jié)，在本發(fā)明中譬如可以在氣體擴(kuò)散層的下方位置或其他適當(dāng)位置設(shè)置高響應(yīng)高精度的力傳感器。力傳感器3在拾放過程中與氣體擴(kuò)散層直接相接觸，由此對(duì)接觸力的大小進(jìn)行傳感檢測(cè)，并與電壓形式予以反映輸出，相應(yīng)地，可以根據(jù)所檢測(cè)的力值來獲知并精確調(diào)節(jié)末端拾放機(jī)構(gòu)8與被夾持的氣體擴(kuò)散層5之間的接觸壓力。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)拾放過程中接觸力的精確檢測(cè)，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將力傳感器3的量程設(shè)定為20N，其精度高于O. OlN0較多的實(shí)踐證明，這樣即便對(duì)氣體擴(kuò)散層這類的疏松易破損的脆性材料，也能夠在保證不會(huì)造成檢測(cè)對(duì)象破損的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸力的精確檢測(cè)，并適于后續(xù)過程的高精度反饋調(diào)節(jié)。在力傳感器3獲得末端拾放機(jī)構(gòu)8與氣體擴(kuò)散層5之間的接觸力的大小之后，通過將譬如為信號(hào)調(diào)理儀的信號(hào)調(diào)理裝置4與力傳感器3信號(hào)相連，由此采集所檢測(cè)到的力信號(hào)，并對(duì)該力原始信號(hào)執(zhí)行放大、濾波和去噪等處理，由此獲得具備較高信噪比的力信號(hào)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理儀處理后的力信號(hào)的信噪比為SOdb以上，由此能夠保證被采集的力信號(hào)質(zhì)量。

為了保證在拾放操作中不會(huì)造成被拾取的氣體擴(kuò)散層的破損及精確控制拾放機(jī)構(gòu)與氣體擴(kuò)散層的接觸力大小，需要將力傳感器所檢測(cè)的接觸力值作為力反饋信號(hào)進(jìn)行力閉環(huán)控制。此外，在實(shí)際拾放過程中，末端拾放機(jī)構(gòu)與被拾取的氣體擴(kuò)散層接觸力的大小是由末端拾放機(jī)構(gòu)與被拾取的氣體擴(kuò)散層擠壓變形的位置產(chǎn)生的，與末端拾放機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整有很大關(guān)系。為此，在本發(fā)明中，考慮將接觸力和末端拾放機(jī)構(gòu)的位置共同作為反饋對(duì)象，形成力和位置雙閉環(huán)控制，并以適當(dāng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)末端拾放機(jī)構(gòu)的調(diào)整。如圖I中所示，譬如為計(jì)算機(jī)的指令輸入裝置I可以根據(jù)工況等條件輸入有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)8與氣體擴(kuò)散層5之間接觸力的期望值，以及有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)8的伺服電機(jī)的位置期望值。譬如為運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制裝置2會(huì)將力信號(hào)與伺服電機(jī)位置信號(hào)分別構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)末端拾放機(jī)構(gòu)的高精度位置調(diào)節(jié)。其中如圖2中所示，關(guān)于力的閉環(huán)控制系統(tǒng)是將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理儀處理后力信號(hào)首先執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將指令輸入裝置I所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)來構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)控制，這樣，可以通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)。其中在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，可以將力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率設(shè)定為IOkHZ以上，并且高于所述力閉環(huán)的更新頻率，也即在力閉環(huán)中所反饋的數(shù)字信號(hào)與力的期望值之間進(jìn)行比較的頻率，由此能夠在實(shí)際工況中實(shí)現(xiàn)對(duì)力閉環(huán)的精密控制。相類似地，關(guān)于伺服電機(jī)位置的閉環(huán)控制系統(tǒng)是將伺服電機(jī)的實(shí)際位置(該實(shí)際位置可以由伺服電機(jī)自身的編碼器來獲得)作為反饋信號(hào)，同時(shí)將指令輸入裝置I所輸入的伺服電機(jī)期望位置值作為控制信號(hào)來構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)控制，由此可以通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，通過將所獲得的有關(guān)力閉環(huán)的偏差信號(hào)作為位置補(bǔ)償信號(hào)，并與所述位置閉環(huán)的偏差信號(hào)相疊加，由此能夠獲得有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)8的伺服電機(jī)的綜合位置偏差。伺服放大器6分別與運(yùn)動(dòng)控制裝置2和末端拾放機(jī)構(gòu)8的伺服電機(jī)相連，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制裝置2所發(fā)送的綜合位置偏差信號(hào)來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散層的高精度拾放控制過程。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)控制裝置可以包括12位以上的A/D轉(zhuǎn)換模塊，并具備4軸以上的伺服控制能力且其伺服更新頻率在2kHZ以上。較多的實(shí)踐表明，這種運(yùn)動(dòng)控制裝置對(duì)于各類伺服電機(jī)具備高精度伺服控制能力，能夠較好地實(shí)現(xiàn)伺服閉環(huán)控制和相應(yīng)的控制算法。下面將具體描述按照本發(fā)明的用于氣體擴(kuò)散層的拾放控制方法流程。首先，需要對(duì)力傳感器執(zhí)行預(yù)標(biāo)定步驟，以便確立其輸出電壓與所檢測(cè)的力值之間的線性比例關(guān)系。接著，將力傳感器譬如設(shè)置到待拾取的氣體擴(kuò)散層的下方并與之相接觸，同時(shí)通過多自由度機(jī)械手及其末端拾放機(jī)構(gòu)的操作，來執(zhí)行對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾取和釋放動(dòng)作并對(duì)末端拾放機(jī)構(gòu)與氣體擴(kuò)散層之間接觸力的大小進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)結(jié)果譬如可以反映出不斷變化的電壓值并予以輸出。接著，當(dāng)機(jī)械手末端拾放機(jī)構(gòu)進(jìn)行拾放氣體擴(kuò)散層操作時(shí)，末端機(jī)構(gòu)與氣體擴(kuò)散層接觸，用于檢測(cè)末端拾放機(jī)構(gòu)與氣體擴(kuò)散層之間接觸力大小的力傳感器輸出電壓有變 化，將力傳感器輸出電壓信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理裝置進(jìn)行信號(hào)放大、濾波和去噪處理，獲得較高信噪比的力信號(hào)。下一步，將上述步驟處理后的力信號(hào)輸入到運(yùn)動(dòng)控制裝置，執(zhí)行執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過指令輸入裝置所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)由此構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)；此外，通過所述伺服電機(jī)的編碼器獲得有關(guān)伺服電機(jī)實(shí)際位置的信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過所述指令輸入裝置所輸入的位置期望值作為控制信號(hào)由此構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào);最后，將上述步驟中所獲得的力偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器處理后，作為位置補(bǔ)償信號(hào)與位置閉環(huán)的偏差信號(hào)相疊加，獲得綜合位置偏差信號(hào)，將該綜合位置偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器和速度控制器處理后輸出至伺服放大器，然后由該伺服放大器驅(qū)動(dòng)所述末端拾放機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)根據(jù)位置綜合偏差信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，調(diào)整末端拾放機(jī)構(gòu)的位置，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散層的精確拾放控制過程。本發(fā)明所公開的以上拾放控制方法及其系統(tǒng)尤其適用于質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層，這是因?yàn)椴捎昧烁唔憫?yīng)高精度的力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)拾放末端機(jī)構(gòu)的力位雙閉環(huán)控制，而且針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾放操作容易造成氣體擴(kuò)散層的破壞，并不能很好適應(yīng)表面特征和被拾放的位置不一致的情況，能夠取得精確快速有效的拾放氣體擴(kuò)散層的技術(shù)效果。然而，除了適用于氣體擴(kuò)散層之外，本發(fā)明的拾放控制方法及其系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)也適用于其他具備類似特性的材料。對(duì)于表面輸送且在夾持輸送過程中易于發(fā)生破損的其他脆性材料，同樣能夠采用按照本發(fā)明的方法及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相類似的技術(shù)效果。因此，本發(fā)明相應(yīng)也公開了用于脆性材料的拾放控制方法及系統(tǒng)，其同樣屬于本發(fā)明應(yīng)當(dāng)保護(hù)的范疇之內(nèi)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層的拾放控制方法，該方法包括 (1)為待拾取的氣體擴(kuò)散層設(shè)置力傳感器，并對(duì)該力傳感器執(zhí)行預(yù)標(biāo)定步驟以確立其輸出電壓與所檢測(cè)的力值之間的線性比例關(guān)系； (2)通過安裝在多自由度機(jī)械手上并由伺服電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的末端拾放機(jī)構(gòu)來執(zhí)行對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾取和釋放操作，同時(shí)利用所述力傳感器對(duì)末端拾放機(jī)構(gòu)在拾放過程中與氣體擴(kuò)散層之間接觸力的大小進(jìn)行檢測(cè)； (3)對(duì)力傳感器所檢測(cè)到的以電壓形式輸出的力信號(hào)執(zhí)行放大、濾波和去噪處理，并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過指令輸入裝置所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)來構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)； (4)通過所述伺服電機(jī)的編碼器獲得有關(guān)伺服電機(jī)實(shí)際位置的信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過所述指令輸入裝置所輸入的伺服電機(jī)位置期望值作為控制信號(hào)來構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào); (5)將通過步驟(3)所獲得的偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器處理后，作為位置補(bǔ)償信號(hào)與通過步驟(4)所獲得的偏差信號(hào)相疊加，由此獲得有關(guān)伺服電機(jī)的綜合位置偏差信號(hào)，將該綜合位置偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器和速度控制器處理后輸出至伺服放大器，然后由該伺服放大器驅(qū)動(dòng)所述末端拾放機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾放控制過程。
2.如權(quán)利要求I所述的拾放控制方法，其特征在于，所述力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率為IOkHZ以上，并且高于所述力閉環(huán)的更新頻率，也即在力閉環(huán)中所反饋的數(shù)字信號(hào)與力的期望值之間進(jìn)行比較的頻率。
3.如權(quán)利要求I或2所述的拾放控制方法，其特征在于，所述力傳感器的量程為20N，其精度高于0.01N。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的拾放控制方法，其特征在于，經(jīng)過所述信號(hào)調(diào)理裝置處理后的力信號(hào)的信噪比為80db以上。
5.一種用于對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層進(jìn)行拾放操作的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 具有末端拾放機(jī)構(gòu)(8)的多自由度機(jī)械手(7)，所述末端拾放機(jī)構(gòu)(8)通過伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來執(zhí)行對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾取和釋放操作； 力傳感器(3)，該力傳感器(3)被設(shè)置為與被拾取的氣體擴(kuò)散層相連，用于對(duì)所述末端拾放機(jī)構(gòu)(8)在拾放過程中與氣體擴(kuò)散層之間接觸力的大小進(jìn)行檢測(cè)并以電壓形式予以輸出； 信號(hào)調(diào)理裝置(4)，該信號(hào)調(diào)理裝置(4)與所述力傳感器(3)相連，用于采集力傳感器(3)所檢測(cè)的力信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大、濾波和去噪處理； 指令輸入裝置(I)，該指令輸入裝置(I)用于根據(jù)工況來輸入有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)(8 )與氣體擴(kuò)散層之間接觸力的期望值、以及有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)(8)的所述伺服電機(jī)的位置期望值； 運(yùn)動(dòng)控制裝置(2)，該運(yùn)動(dòng)控制裝置(2)分別與信號(hào)調(diào)理裝置(4)、指令輸入裝置(I)相連，其作用在于從信號(hào)調(diào)理裝置(4)接收調(diào)理后的力信號(hào)并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將所述指令輸入裝置(I)所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)來建立閉環(huán)控制，通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)；此外，該運(yùn)動(dòng)控制裝置(2)通過所述伺服電機(jī)的編碼器獲得有關(guān)伺服電機(jī)實(shí)際位置的信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將所述指令輸入裝置(I)所輸入的伺服電機(jī)位置期望值作為控制信號(hào)來構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào)；在此基礎(chǔ)上，該運(yùn)動(dòng)控制裝置(2)將所獲得的有關(guān)力閉環(huán)的偏差信號(hào)作為位置補(bǔ)償信號(hào)與所述位置閉環(huán)的偏差信號(hào)相疊加，由此獲得有關(guān)所述伺服電機(jī)的綜合位置偏差； 伺服放大器(6 )，該伺服放大器(6 )分別與所述運(yùn)動(dòng)控制裝置(2 )和末端拾放機(jī)構(gòu)的所述伺服電機(jī)相連，用于根據(jù)所述綜合位置偏差來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體擴(kuò)散層的拾放控制。
6.如權(quán)利要求5所述的拾放控制系統(tǒng)，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)控制裝置包括12位以上的A/D轉(zhuǎn)換模塊，并具備4軸以上的伺服控制能力且其伺服更新頻率在2kHZ以上。
7.一種用于脆性材料的拾放控制方法，該方法包括下列步驟 (1)為待拾取的脆性材料設(shè)置力傳感器，并對(duì)該力傳感器執(zhí)行預(yù)標(biāo)定步驟以確立其輸出電壓與所檢測(cè)的力值之間的線性比例關(guān)系； (2)通過安裝在多自由度機(jī)械手上并由伺服電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的末端拾放機(jī)構(gòu)來執(zhí)行對(duì)脆性材料的拾取和釋放操作，同時(shí)利用所述力傳感器對(duì)末端拾放機(jī)構(gòu)在拾放過程中與脆性材料之間接觸力的大小進(jìn)行檢測(cè)； (3)對(duì)力傳感器所檢測(cè)到的以電壓形式輸出的力信號(hào)執(zhí)行放大、濾波和去噪處理，并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過指令輸入裝置所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)來構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)； (4)通過所述伺服電機(jī)的編碼器獲得有關(guān)伺服電機(jī)實(shí)際位置的信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將通過所述指令輸入裝置所輸入的伺服電機(jī)位置期望值作為控制信號(hào)來構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào); (5)將通過步驟(3)所獲得的偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器處理后，作為位置補(bǔ)償信號(hào)與通過步驟(4)所獲得的偏差信號(hào)相疊加，由此獲得有關(guān)伺服電機(jī)的綜合位置偏差信號(hào)，將該綜合位置偏差信號(hào)經(jīng)過位置控制器和速度控制器處理后輸出至伺服放大器，然后由該伺服放大器驅(qū)動(dòng)所述末端拾放機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性材料的拾放控制過程。
8.如權(quán)利要求7所述的拾放控制方法，其特征在于，所述位置控制器為采用模糊PID算法的位置控制器，所述速度控制器為采用PI算法的速度控制器。
9.如權(quán)利要求7或8所述的拾放控制方法，其特征在于，所述多自由度機(jī)械手譬如為3自由度以上的機(jī)械手，并且用于驅(qū)動(dòng)其末端拾放機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)具有17位以上的相對(duì)編碼器。
10.一種用于對(duì)脆性材料進(jìn)行拾放操作的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 具有末端拾放機(jī)構(gòu)(8)的多自由度機(jī)械手(7)，所述末端拾放機(jī)構(gòu)(8)通過伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來執(zhí)行對(duì)脆性材料(5)的拾取和釋放操作； 力傳感器(3)，該力傳感器(3)被設(shè)置為與被拾取的脆性材料(5)相連，用于對(duì)所述末端拾放機(jī)構(gòu)(8)在拾放過程中與脆性材料(5)之間接觸力的大小進(jìn)行檢測(cè)并以電壓形式予以輸出；信號(hào)調(diào)理裝置(4)，該信號(hào)調(diào)理裝置(4)與所述力傳感器(3)相連，用于采集力傳感器(3)所檢測(cè)的力信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大、濾波和去噪處理；指令輸入裝置(I)，該指令輸入裝置(I)用于根據(jù)工況來輸入有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)(8 )與脆性材料(5)之間接觸力的期望值、以及有關(guān)末端拾放機(jī)構(gòu)(8)的所述伺服電機(jī)的位置期望值； 運(yùn)動(dòng)控制裝置(2)，該運(yùn)動(dòng)控制裝置(2)分別與信號(hào)調(diào)理裝置(4)、指令輸入裝置(I)相連，其作用在于從信號(hào)調(diào)理裝置(4)接收調(diào)理后的力信號(hào)并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換以獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將所述指令輸入裝置(I)所輸入的力的期望值作為控制信號(hào)來建立閉環(huán)控制，通過對(duì)該反饋信號(hào)與力的期望值之間的比較以獲得關(guān)于力閉環(huán)的偏差信號(hào)；此外，該運(yùn)動(dòng)控制裝置(2)通過所述伺服電機(jī)的編碼器獲得有關(guān)伺服電機(jī)實(shí)際位置的信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將所述指令輸入裝置(I)所輸入的位置期望值作為控制信號(hào)來構(gòu)建閉環(huán)控制，通過對(duì)該位置反饋信號(hào)與位置期望值之間的比較以獲得關(guān)于位置閉環(huán)的偏差信號(hào)；在此基礎(chǔ)上，該運(yùn)動(dòng)控制裝置(2)將所獲得的有關(guān)力閉環(huán)的偏差信號(hào)作為位置補(bǔ)償信號(hào)與所述位置閉環(huán)的偏差信號(hào)相疊加，由此獲得有關(guān)所述伺服電機(jī)的綜合位置偏差； 伺服放大器(6 )，該伺服放大器(6 )分別與所述運(yùn)動(dòng)控制裝置(2 )和末端拾放機(jī)構(gòu)的所述伺服電機(jī)相連，用于根據(jù)所述綜合位置偏差來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)脆性材料的拾放控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于脆性材料尤其適用于質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層的拾放控制方法及系統(tǒng)，該方法包括通過多自由度機(jī)械手的末端拾放機(jī)構(gòu)來執(zhí)行對(duì)材料的拾放操作，同時(shí)利用力傳感器檢測(cè)接觸力；對(duì)所檢測(cè)的力信號(hào)經(jīng)過調(diào)理和A/D處理后作為反饋信號(hào)，同時(shí)將力期望值作為控制信號(hào)由此構(gòu)建閉環(huán)控制并獲得力偏差信號(hào)；獲得用于驅(qū)動(dòng)末端拾放機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)的實(shí)際位置信號(hào)，將該信號(hào)作為反饋信號(hào)同時(shí)將電機(jī)期望位置值作為控制信號(hào)來構(gòu)建閉環(huán)控制并獲得位置偏差信號(hào)；將所述偏差信號(hào)相疊合以獲得綜合位置偏差信號(hào)，并經(jīng)由伺服放大器相應(yīng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。按照本發(fā)明，能夠精確控制拾放接觸力，防止接觸力過大而損壞材料，由此實(shí)現(xiàn)脆性材料的可靠拾放。
文檔編號(hào)B25J9/16GK102699912SQ20121015393
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者何崇東, 尹周平, 秦海辰, 陳建魁 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)