CN101444915A - 基于霍尔信号和电机轴z脉冲的机器人初始精确定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于霍尔信号和电机轴Z脉冲的机器人初始精确定位方法，按照如下步骤进行操作：机器人在第一次上电工作时，中央运动控制系统向各个关节控制器发出找零指令；各关节开始慢速旋转寻找霍尔盘上事先确定的目标霍尔；找到目标霍尔后，开始捕捉电机轴的Z脉冲信号；捕捉到Z脉冲信号的同时让关节停止转动，此时的位置是唯一的，从而精确确定机器人的初始位置。本发明提供了一种低成本、精度高、易操作的机器人初始精确定位方法。

Description

基于霍尔信号和电机轴Z脉冲的机器人初始精确定位方法
技术领域
本发明属于机器人技术和自动化领域，特别涉及一种基于霍尔信号和电机轴Z脉冲的机器人初始精确定位方法。
背景技术
机器人初始位置是指机器人工作或运动前各运动关节的初始位置，机器人所有运动都相对于该初始位置，因此，初始位置的确定是机器人工作或运动的一个前提条件，所以，在机器人正常动作之前，在采用特定定位机构基础上，必须采用一定的方法来精确确定其初始位置。
目前，机器人初始位置的确定方法主要有两种：一种是利用绝对式位置传感器的信号来确定，对于每一个角度位置传感器都会产生唯一的输出量，这样就可以根据其输出信号来判断机器人关节的绝对位置。这种方法具有精度高、易操作的优点，但是绝对式检测传感器只能够安装在机器人关节处，其输出信号复杂、接线多，会使机构复杂化；另一种检测方法是利用机械限位的信号来确定。机械限位是当关节运动到预定初始位置的时候触发限位开关由此信号来确定初始零位。这种方法原理简单，但是定位精度较差，而且自动化程度差，初始位置会受到不确定因素的影响而不唯一。
因此，需要提供一种低成本、精度高、易操作的机器人初始精确定位方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种基于霍尔信号和电机轴Z脉冲的机器人初始精确定位方法，在采用低成本、易于安装的增量式码盘为位置传感器基础上，基于霍尔信号和电机轴Z脉冲信号，提出一种机器人初始精确定位方法，实现机器人初始定位自动化。
为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：一种基于霍尔信号和电机轴Z脉冲的机器人初始精确定位方法，按照如下步骤进行操作：
A)机器人在第一次上电工作时，中央运动控制系统向各个关节控制器发出找零指令；
B)各关节开始慢速旋转寻找霍尔盘上事先确定的目标霍尔；
C)找到目标霍尔后，开始捕捉电机轴的Z脉冲信号；
D)捕捉到Z脉冲信号的同时让关节停止转动，此时的位置是唯一的，从而精确确定机器人的初始位置。
在考虑到霍尔盘具有磁滞效应存在回差现象及霍尔会出现消磁、退磁现象基础上，为了提高目标霍尔定位的重复精度，所述的机器人初始精确定位方法，其中，所述寻找目标霍尔位置的过程是采用多次寻找取平均的方法来确定目标霍尔的位置，并且每次都从固定的方向对目标霍尔进行定位。
所述的机器人初始精确定位方法，其中，如果Z脉冲出现在找到目标霍尔该点时刻附近，会带来电机轴上360°的误差，即初始位置不唯一。若出现上述情况，则放弃当前Z脉冲，捕获下一个Z脉冲，同时停止关节转动来获得精确的初始位置信息。
所述的机器人初始精确定位方法，其中，所述目标霍尔为两个以上，这样就构成了冗余结构，按照上述步骤A)-D)确定机器人的初始位置，其中所述步骤B)寻找目标霍尔过程中，当找到任何一个目标霍尔即可，并且记录寻找到的目标霍尔数目。
本发明的主要原理是由于关节安装固定以后，霍尔盘上的目标霍尔和电机轴Z脉冲的相对位置就唯一确定了，基于此，本发明提出一种机器人初始精确定位方法，而且，该方法考虑了霍尔盘存在磁滞效应带来的回差及霍尔会出现消磁、退磁问题，可实现高的定位精度。
本发明的基本原理为：在机器人第一次上电工作时，中央运动控制系统向各个关节控制器发出找零指令，各关节开始单向、多次寻找霍尔盘上事先确定的目标霍尔，当找到目标霍尔之后，开始捕捉电机轴的Z脉冲信号，捕捉到Z脉冲信号的同时让关节停止转动，此时的位置是唯一的，即获得各关节与其设定零位的角度差值信息。然后通过数据检测及采集系统获取此时机器人各个关节的角度差值信息即初始位置信息，并将此信息传送到中央运动控制系统中存储。当机器人以后每次通电以后，机器人的中央运动控制系统可以通过数据通讯总线将它所存储的机器人初始位置数据信息发送到关节电机控制系统，控制系统进行反向的差值运算，即得到角度差值为增量时进行减法运算反之进行加法运算，并控制机器人关节产生相应的运动，实现机器人的初始精确定位。
本发明的有益效果是：相比现有技术中的绝对式位置传感器的信号确定机器人初始位置的方法，本发明在保证定位精度的同时，还具有易操作、成本低的优点；相比现有技术中机械限位的信号确定机器人初始位置的方法，本发明具有定位精度高的优点。
故，本发明提供了一种低成本、精度高、易操作的机器人初始精确定位方法。
附图说明
图1a是本发明所述方法的专用装置的结构示意图；
图1b是图1a中所述霍尔盘和磁钢的右视图；
图2是展开的霍尔盘、电机轴及Z脉冲信号位置示意图；
图3是所述霍尔的信号检测示意图；
图4是所述霍尔工作特性示意图；
图5是本发明基于霍尔信号和Z脉冲精确确定机器人初始位置原理图；
图6是本发明所述的机器人初始位置精确确定的流程图。
图中：1增量码盘、2电机、3减速器、4霍尔盘、5磁钢、6关节输出轴、7中央运动控制系统、8通讯总线、9电机的控制与驱动系统，
10霍尔盘展开平面，11电机轴展开平面，PH3、PH4为目标霍尔的位置，PZ为Z脉冲出现的位置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
如图1a所示，本发明所述方法的专用装置包括电机2、增量码盘1、减速器3、霍尔盘4、磁钢5及信号检测与处理系统、电机的控制与驱动系统9、中央运动控制系统7和通讯总线8。其中，信号检测与处理系统是对增量码盘1和霍尔信号进行检测和处理，通讯总线8可以保证关节伺服控制与驱动系统与运动控制系统之间的数据交互，中央运动控制系统7的主要任务是实现数据采集与处理及运动控制。
霍尔盘4上事先确定得目标霍尔和电机轴Z脉冲的相对位置就唯一确定了(参见图1b)。如图2所示，其中，PZ为Z脉冲在电机轴展开平面11中的位置，PH3和PH4为事先确定的目标霍尔H3和H4在霍尔盘展开平面10中的位置。一般来说，PZ的位置是固定不变的，而PH3和PH4由于受到环境和霍尔盘本身性能的影响会产生一定角度的变化，即θ3和θ4会有一定幅度的变化，可以表示为θ3±Δθ3及θ4±Δθ4，由于磁钢5是随关节输出轴6转动的，因此，这些变化不会影响机器人初始位置的确定。
如图6所示，本发明所述的机器人初始位置精确定位方法的流程图，本发明以采用6霍尔霍尔盘，在控制系统中目标霍尔预先设定为H3和H4为例，但不局限于此，还可以根据实际控制需要确定霍尔的数量，具体步骤如下：
第一步：机器人上电时，中央运动控制系统通过数据通讯总线向各关节发出找零位指令。各关节接到指令找零位时，霍尔盘固定不动，磁钢随关节转动，当磁钢转入或转出霍尔盘上霍尔的感应区域时，霍尔的输出信号会发生改变，通过信号采集系统可获得霍尔盘上霍尔相应的位置。霍尔的信号采集系统如图3所示。本发明采用的霍尔盘见图1(b)，霍尔信号通过三路信号S0、S1和S2(见图3)可以判断磁钢当前是转入或转出哪个霍尔感应区，由此来判断是哪个霍尔。本发明采用6霍尔霍尔盘，在控制系统中目标霍尔预先设定为H3和H4，即找到H3和H4的其中任何一个霍尔就可以，并且要记录下寻找到的目标霍尔数目，这样可构成冗余结构。
第二步：在寻找目标霍尔位置过程中，在考虑到霍尔盘具有磁滞效应存在回差现象(见图4)及霍尔会出现消磁、退磁现象基础上，为了提高目标霍尔定位精度，采用了多次寻找取平均的方法来确定目标霍尔的位置(见图5)，并且每次都从固定的方向对目标霍尔进行定位，确保目标霍尔位置确定的唯一性，简化机器人初始位置精确确定过程。即每次从霍尔盘的右侧开始寻找目标霍尔，先找到4个点即X1，X2，X3和X4，然后求取X1和X4、X2和X3的中点，最后求得这两个中点(Mid(X2，X3)和Mid(X1，X4))的中点，并在该点时刻开中断来捕获电机轴Z脉冲，同时停止关节转动，并通过数据检测及采集系统获取此时机器人各个关节的角度信息即初始位置信息，并将此信息传送到中央运动控制系统中存储。需要强调的是，如果Z脉冲出现在该点时刻附近，随着机器人使用时间的增加，有可能会带来电机轴上360°的误差，即初始位置不唯一。如果出现这种情况，则放弃当前Z脉冲，捕获下一个Z脉冲。
第三步：当机器人以后每次通电以后，机器人的中央运动控制系统可以通过数据通讯总线将它所存储的机器人初始位置数据信息发送到关节电机控制系统，控制机器人关节产生相应的运动，实现机器人的初始精确定位。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于霍尔信号和电机轴Z脉冲的机器人初始精确定位方法，其特征在于，按照如下步骤进行操作：
A)机器人在第一次上电工作时，中央运动控制系统向各个关节控制器发出找零指令；
B)各关节开始慢速旋转寻找霍尔盘上事先确定的目标霍尔；
C)找到目标霍尔后，开始捕捉电机轴的Z脉冲信号；
D)捕捉到Z脉冲信号的同时让关节停止转动，此时的位置是唯一的，从而精确确定机器人的初始位置。
2.根据权利要求1所述的机器人初始精确定位方法，其特征在于：所述寻找目标霍尔位置的过程是采用多次寻找取平均的方法来确定目标霍尔的位置，并且每次都从固定的方向对目标霍尔进行定位。
3.根据权利要求1所述的机器人初始精确定位方法，其特征在于：若Z脉冲出现在找到目标霍尔该点时刻附近，会带来电机轴上360°的误差，即初始位置不唯一，则放弃当前Z脉冲，捕获下一个Z脉冲，同时停止关节转动来获得精确的初始位置信息。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的机器人初始精确定位方法，其特征在于：所述目标霍尔为两个以上，这样就构成了冗余结构，按照上述步骤A)-D)确定机器人的初始位置，其中所述步骤B)寻找目标霍尔过程中，当找到任何一个目标霍尔即可，并且记录寻找到的目标霍尔数目。
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