一種用於機器人關節的串聯彈性驅動器及其控制方法與流程

2023-09-22 03:43:45 1

本發明涉及新型服務與醫療康復訓練機器人領域，具體地說是一種用於機器人關節的串聯彈性驅動器與控制方法。

背景技術：

人機接觸、交互、合作正在成為新一代機器人發展的主流方向。傳統機器人被設計為禁止在工作時與人接觸，以保證人身安全。對於新型服務機器人來說，與人和環境的接觸正在發展成為不可避免的趨勢，而對於新型服務醫療康復訓練機器人，這種接觸更將必然發生。

由於傳統機器人的工作場合往往具有結構化或無人化的特點，並且在這些場合中應用的機器人常常被隔離在安全圍欄中用於做固定模式的重複勞動，同時通過在其周圍設置各種類型的傳感器以判斷人員的接近並發出安全警報。這些採用靜態安全設備的機器人只能完成程序化的工作，並且不具備與人交互的能力，因此無法直接利用來輔助人完成各種複雜多變的日常行為和康復訓練任務。

新一代機器人將應用到越來越廣泛的服務與醫療領域，並且人與機器人也將越來越緊密的合作，尋求新型人機互動的安全保障手段將成為急需突破的實際難題。

常見的人機安全保護手段有安裝力/力矩傳感器、設置接近傳感器和限制機器人運動速度等。但是安裝昂貴的力/力矩傳感器會大幅增加機器人成本，且力/力矩傳感器為剛性元件，只能起到力/力矩檢測功能，難以實現自動的安全反應。而接近傳感器只能檢測到一定區域的人機相對位置，安全範圍過於保守。而通過降低運動速度來獲得安全性的方式大大限制了機器人潛力的發揮，無法體現出機器人的靈活性和工作高效性。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提供一種具有機械柔性，能夠保證人機接觸安全舒適的新的機器人關節驅動器及其控制方法，使得機器人關節具有機械的柔順性和可調整的剛度。

本發明為實現上述目的所採用的技術方案是：

一種用於機器人關節的串聯彈性驅動器，包括電機控制器通過信號線與旋轉編碼器連接，電機控制器通過電力線與直流電機連接，對直流電機進行伺服控制；

電機控制器通過總線連接實時計算機控制系統，接收計算機在每個控制周期所生成的控制量，並對直流電機進行實時控制；

數據採集系統的輸出端連接實時計算機控制系統，輸入端連接模擬多路選擇器，接收選擇信號；

旋轉編碼器、直流電機和減速箱依次連接；

換向器的輸入端連接減速箱，輸出端的輸出軸線上設置由依次固定連接的彈性元件、彈簧連杆轉接件和機器人關節連杆組成的傳動機構；

第一絕對角度傳感器同軸設置於彈性元件上，用於測量換向器輸出軸的絕對位置；第二絕對角度傳感器設置於所述機器人關節連杆，用於測量機器人關節連杆的絕對位置；所述第一絕對角度傳感器和第二絕對角度傳感器的輸出端連接所述模擬多路選擇器的模擬輸入端。

所述彈性元件為一種平面螺旋線形的線性元件，截面為矩形。

所述直流電機為內置霍爾傳感器的直流無刷電機，所述霍爾傳感器通過信號線連接電機控制器。

所述模擬多路選擇器為二選一模擬多路選擇器，具有三個輸入埠，分別是選通埠、第一模擬輸入埠和第二模擬輸入埠，具有一個輸出埠為模擬輸出埠。

所述數據採集系統包括一個A/D轉換器和一個通用數字I/O埠，A/D轉換器的輸入通道與模擬多路選擇器的模擬輸出埠相連，通用數字I/O埠與模擬多路選擇器的選通埠相連，用於選通相應的絕對角度傳感器，並將被選通 的絕對角度傳感器輸出的模擬信號轉換成數位訊號。

絕對角度傳感器的輸出量在系統掉電的情況下不丟失。

一種用於機器人關節的串聯彈性驅動器的控制方法，包括以下步驟：

步驟1：由絕對角度傳感器獲取機器人關節連杆絕對位置；

步驟2：由數據採集系統將絕對角度傳感器的模擬信號轉換成數字量輸入到實時計算機控制系統中；

步驟3：實時計算機控制系統根據原始的電機控制輸入量和獲取到的機器人關節連杆絕對位置計算新的電機控制量；

步驟4：計算機控制系統將新的電機控制量輸出到電機控制器，對直流電機進行控制。

還可以使用低通濾波器對數據採集系統角度數位訊號進行濾波降噪處理，再輸入到實時計算機控制系統。

所述新的電機控制量為：

θsn＝K1θs-K2θ2

其中，θsn是新的電機控制量，θs為原始的電機控制輸入量，θ2為機器人關節連杆轉角的絕對位置，K1為原始電機控制量權重係數，K2為機器人關節角度權重係數。

所述原始電機控制量權重係數K1的計算過程：

所述機器人關節角度權重係數K2的計算過程為：

其中，K′為所期望獲得的機器人關節等效剛度係數，K為安裝於機器人關節的彈性元件的特徵剛度係數。

本發明具有以下有益效果及優點：

本發明能夠將機器人手臂的質量和機器人底座的質量通過彈性元件隔離開來，當人或環境和機器人發生物理碰撞的過程中，通過彈性元件的吸收和釋放能量來產生緩衝效果從而減小人與環境和機器人碰撞力的大小，避免對人和環境造成傷害。在使用固定剛度的彈性元件的基礎上，同時採用基於軟體控制的等效剛度控制方法，以獲得在不同工況下需要的不同關節剛度，有助於擴展該機器人的使用範圍。

附圖說明

圖1為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的系統連接結構框圖；

圖2為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的立體示意圖；

圖3為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的連杆角度傳感器主視圖；

圖4為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的減速箱角度傳感器和電機控制器主視圖；

圖5為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的彈性元件主視圖；

圖6為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的彈性元件安裝示意圖；

圖7為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的可變剛度控制方法的流程圖；

其中1為旋轉編碼器，2為直流無刷電機，3為減速箱，4為彈性元件，5為彈簧連杆轉接件，6為機器人關節連杆，7為第二絕對角度傳感器，8為第一絕對角度傳感器，9為模擬多路選擇器，10為數據採集系統，11為實時計算機控制系統，12為電機控制器，13為換向器。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。

如圖1所示為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的系統連接結構框圖。本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器主要包括：增量式光電脈衝編碼器1，每圈可計數2000個脈衝，實現電機輸出軸的精確控制；帶霍爾傳感器的直流無刷電機2，用於提供驅動力輸出；減速箱3，用於降低轉速，提高驅動力矩；彈性元件4，能有效隔離機器人基座慣性負載，緩衝吸收衝擊能量；彈簧連杆轉接件5，用於連接彈性元件與機器人關節連杆；機器人關節連杆6；第一絕對角度傳感器8、第二絕對角度傳感器7，分別安裝於減速箱3輸出軸和機器人關節連杆6軸上，用於測量兩個軸轉動的絕對位置；模擬多路選擇器9，分別選通每個角度傳感器進行角度測量；數據採集系統10，控制多路選擇器選通某個角度傳感器，將角度傳感器的模擬信號轉化為數位訊號；實時計算機控制系統11，定時採集角度傳感器信息，並控制電機按照控制算法轉動；電機控制器12，採集光電脈衝編碼器1和直流無刷電機2內部的霍爾傳感器信號並對直流無刷電機2進行實際控制。

如圖2所示本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的立體示意圖。旋轉光電脈衝編碼器1、直流無刷電機2、減速箱3在機械結構上為同軸線安裝，並通過換向器13轉換傳動方向，從而保證緊湊的關節安裝空間。電機控制器12安裝在機器人關節上，進一步提高了系統的集成度。

如圖3所示為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的連杆角度傳感器主視圖；第二絕對角度傳感器7與二選一模擬多路選擇器9安裝於同一塊PCB板上，節約了安裝空間，減小了走線長度，降低了信號幹擾，提高了角度傳感器輸出模擬信號的精度。

如圖4所示為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的減速箱角度傳感器和電機控制器主視圖。電機控制器12安裝於換向器13背面，採用EtherCAT現場總線與實時計算機控制系統11通信，方便構成多級關節組成的多自由度機器人系統。

如圖5所示為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的彈性元件主視 圖。彈性元件4採用阿基米德螺旋線形平面渦卷彈簧形式，具有結構緊湊，線性度好，佔用空間小的優點。通過將中心端插入帶開槽的輸出軸與上一級傳動連接。

彈性元件為一種線性元件，其由於發生彈性形變所產生的恢復力的大小與所發生的形變的大小成正比，且方向相反，並可採用如下公式計算：

τ＝K(θ1-θ2)

其中，τ是彈性元件由於發生彈性形變而產生施加於連杆上的恢復力，K為恢復力大小與彈性元件所發生彈性形變大小的比例係數，θ1為減速箱輸出軸所轉過的絕對角度值，θ2為機器人關節連杆轉角的絕對位置。

如圖6所示為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的彈性元件安裝示意圖。彈簧連杆轉接件5負責將機器人關節連杆6與彈性元件4外端進行固定。彈簧外端通過將自身插入彈簧連杆轉接件5上的槽孔進行固定，彈簧連杆轉接件5與機器人關節連杆6通過螺紋連接進行固定。

如圖7所示為本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的可變剛度控制方法的流程圖。本發明的用於機器人關節的串聯彈性驅動器的可變剛度控制方法主要由四個步驟組成：

步驟1：初始化數據採集系統10和電機控制器12的通訊總線，設置數據採集系統10和電機控制器12的初始狀態，包括設置數據採集系統10的採樣頻率，採樣解析度，濾波器參數，參考電壓大小，設置電機控制器12中的直流無刷電機2初始位置，其中直流無刷電機2初始位置為第一絕對角度傳感器8所指示的初始位置與減速箱3的減速比之積，設置電機控制器12的使用模式。本發明採用位置模式對直流無刷電機2進行控制。

步驟2：從數據採集系統10讀取當前絕對角度傳感器數值，設定需要的機器人關節等效剛度值和減速箱3輸出軸初始期望位置，其中所設定的初始值可通過在程序運行過程中通過實時計算機控制系統11的人機界面直接輸入，也可以通過讀取事先保存好的數據文件來獲得。

步驟3：根據輸入的期望剛度和輸出軸期望位置，採用本發明的控制算法計算新的減速箱3輸出軸期望位置，其計算方法如下公式所示：

θsn＝K1θs-K2θ2

其中，θsn是實際的電機控制量，將由控制系統輸入到電機控制器中對電機進行實際控制，θs為電機的原始控制量，θ2為機器人關節連杆轉角的絕對位置，K1為原始電機控制量權重係數，K2為機器人關節角度權重係數。

電機實際控制量生成公式中的兩個權重係數並不完全獨立，而是分別採用下面的公式和公式進行計算：

其中，K′為所期望獲得的機器人關節等效剛度係數，K為安裝於機器人關節的彈性元件的特徵剛度係數。

本發明通過在機器人關節驅動器的傳動環節中串聯安裝彈性元件的方式使得機器人在與人和環境互動的過程中獲得被動的機械柔性。該機器人關節驅動器包括：依次串聯的光電脈衝編碼器、帶霍爾傳感器的直流無刷電機、減速箱、彈性元件、彈簧連杆轉接器、機器人手臂連杆，其特徵在於還包括：電機控制器，連接到光電脈衝編碼器的數據線並為其提供電源，同時連接到直流無刷電機的霍爾傳感器數據線和電源線，並連接到無刷電機的電力線，通過霍爾傳感器信號檢測當前電機轉子位置從而生成對應方向的激勵電流驅動無刷電機轉動，電機的轉動將帶動同軸安裝的光電脈衝編碼器產生相應的脈衝信號輸入到電機控制器，電機控制器通過對編碼器的脈衝信號進行計數從而精確地控制電機轉子的轉動速度和位置，通過控制流過電機電力線的電流從而控制電機的輸出轉矩。直流無刷電機轉子通常具有較高的額定轉速，通過在電機輸出軸上安 裝一個適當減速比的減速箱，來降低關節轉速，提高驅動力矩。

彈性元件採用優質彈簧鋼60Si2MnA作為材料，其外形為一種平面阿基米德螺旋線形，其截面為矩形。使用這種平面渦卷形式的彈性元件，其彈性形變——恢復力為近似線性關係，

該驅動器在減速箱輸出軸和機器人關節連杆軸上分別安裝有角度傳感器，用來測量在機器人手臂運動過程中減速箱輸出軸的位置和機器人手臂的位置。該傳感器為輸出量為絕對值，其值掉電不丟失，任何時候機器人接通電源後均可以隨時獲得減速箱輸出軸和關節連杆軸的絕對位置。其中減速箱輸出軸的上電位置同時用來補充光電脈衝編碼器提供的位置信息給電機控制器，從而實現減速器輸出軸的絕對位置控制。

該驅動器還包括一個二選一模擬多路選擇器，用於選通哪個角度傳感器處於工作狀態，其型號為ADG1419，該選擇器具有三個輸入埠，分別是選通埠，模擬輸入埠和模擬輸入埠，一個輸出埠，為模擬輸出埠。當選通埠為低電平時，模擬輸出埠與模擬輸入埠導通，與模擬輸入埠斷開，當選通埠為高電平時，模擬輸出埠與模擬輸入埠導通，與模擬輸入埠斷開，該多路選擇器的兩個模擬輸入埠分別與兩個絕對角度傳感器輸出端相連。

該驅動器還包括一個單通道數據採集系統，內部包含一個A/D轉換器，和一個通用數字I/O。其模擬輸入通道與二選一模擬多路選擇器輸出埠相連，通用數字I/O與選擇器的選通埠相連，用於將被選通的絕對角度傳感器信號轉換成數位訊號。

該驅動器還包括一個實時計算機控制系統，其中電機控制器與數據採集系統通過總線與實時計算機系統相連。該實時計算機系統為一個硬實時系統，具有固定的採樣周期和控制周期。在每個採樣周期內，計算機通過總線控制數據採集系統分別選通兩個絕對角度傳感器，並發送指令要求數據採集系統對所選通的角度傳感器信號進行轉換，轉換完成後將數字量結果通過總線發回給計算 機進行處理，在一個採樣周期內，該過程對每個角度傳感器分別進行一次。在每個控制周期內，計算機運行一遍控制算法，該算法根據期望的關節剛度、系統當前狀態，包括連杆當前位置、電位器輸出軸當前位置、彈性元件實際剛度計算電機控制量。

本發明所述的驅動器具有可被反向驅動的能力，通過角度位置傳感器測量驅動器輸出軸與連杆端的角度並輸入實時計算機控制系統，經過換算可得所串聯彈性元件的變形量以及連杆端輸出力矩的大小。同時控制系統將使用所得的關節角度與輸出力矩信息，並根據所設置的關節等效柔性與連杆角度位置指令對直流電機輸出軸進行伺服控制。