CN102717395A - 基于霍尔开关的机器人关节初始位置精确定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人关节零位位置精确定位系统，在采用霍尔零位开关为位置传感器的基础上，上电时关节按照同一个方向旋转，利用霍尔信号的滞回特性和电机轴Z脉冲，巧妙选取和确定机器人零位位置，实现机器人零位位置精确定位的自动化，具有抗干扰能力强、稳定性高、精度高、成本低、结构简单的优点。

Description

基于霍尔开关的机器人关节初始位置精确定位系统

技术领域

本发明涉及一种定位系统，特别是用于机器人关节的零位位置定位系统。 

背景技术

机器人在工作的时候，控制器需要实时获得机器人各关节的位姿信息来进行轨迹规划和运动控制，但许多场合由于结构和成本的限制未能安装位姿传感器，所以控制器所需的位姿信息无法直接由传感器获得。此时，机器人各关节的姿态，只能相对于一个机器人动作前已确定的位置来比较才能确定。这个位置就是机器人各关节的零位，相当于坐标系中的零点，而机器人所有运动都是相对于该零位位置的。作为机器人所用运动的基准，零位位置的确定不但是机器人正常工作的前提条件，而且极大的影响着机器人运动的定位精度。因此，必须采用一定的方法和装置来精确确定机器人各关节的零位位置。 

现有技术教导了一种利用绝对式位置传感器的信号来确定位置的方法，对于每一个角度位置传感器会产生唯一的输出量，这样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，易操作等优点。但是绝对式检测位置传感器价格较高，并且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。 

现有技术还教导了一种采用机械限位开关的信号来确定位置的方法。在这种方法中，关节运动到预定零位位置的时候触发限位开关，由此信号来确定零位。这种方法原理简单。但是，这种方法定位精度较低，对震动敏感，易磨损，不利于长期使用。 

现有技术还教导了一种采用光电式开关的信号来确定位置的方法。光电开关的光线接受部分和反射板，分别安装在关节的固定部分和相对运动部分，当关节运动到既定的零位位置时，光线通过反射板的反射出发光电开关产生信号。该方法响应速度快，定位精度较高，但是价格相对较高，应用环境中不能使光路受阻，因此不能用于有粉尘、水汽和油污的场合。 

此外，现有技术中还教导了利用霍尔开关捕捉霍尔信号的方法，此方法响应快、定位精度高，且能用于有油污、灰尘和水汽的条件。但是它无法消除霍尔开关回差的影响，且对元件的老化和外界干扰敏感，降低了零位的定位精度。 

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种机器人关节零位位置定位系统，以解决现有技术的问题。 

一种机器人关节零位位置定位系统，包括： 

磁传感器，其固定于所述关节的第一旋转部件上，其位置与所述关节零位位置相对应； 

磁铁，其固定于所述关节中能够相对于所述第一旋转部件转动的第二旋转部件上； 

限位开关，其用于检测所述关节正向旋转的极限位置；以及 

控制装置，其与所述磁传感器及限位开关连接，根据所述磁感器及限位开关输出的信号记录定位数据，并将所述关节定位到所述零位位置； 

其中，所述定位数据包括： 

第一工作点位置，其对应于所述关节正向旋转使所述磁铁接近所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置； 

第二工作点位置，其对应于所述关节反向旋转使所述磁铁接近所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置。 

优选地，所述零位位置对应于所述第一工作点位置与所述第二工作点位置之间的中点。 

优选地，所述定位数据还包括： 

第一释放点位置，其对应于所述关节正向旋转使所述磁铁远离所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置； 

第二释放点位置，其对应于所述关节反向旋转使所述磁铁远离所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置。 

优选地，所述磁传感器为霍尔效应元件。 

一种机器人关节零位位置定位方法，所述机器人关节包括： 

磁传感器，其固定于所述关节的第一旋转部件上，其位置与所述关节零位位置相对应； 

磁铁，其固定于所述关节中能够相对于所述第一旋转部件转动的第二旋转部件上； 

限位开关，其用于检测所述关节正向旋转的极限位置；以及 

关节控制器，其与所述磁传感器及限位开关连接，根据所述磁传感器及限位开关输出的信号记录定位数据，并将所述关节定位到所述零位位置； 

其中，所述定位数据包括： 

第一工作点位置，其对应于所述关节正向旋转使所述磁铁接近所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置； 

第二工作点位置，其对应于所述关节反向旋转使所述磁铁接近所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置； 

所述定位方法包括如下步骤： 

机器人在上电工作后，中央控制系统向关节控制器发出找零位位置指令； 

所述关节控制器查询所述磁传感器和限位开关的信号，随后控制所述关节旋转，将所述关节定位到所述零位位置。 

优选地，当所述查询到的所述磁传感器的信号表明所述关节处于所述零位位置下时，所述定位方法进一步包括如下步骤： 

使关节朝正向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第一释放点位置时，所述关节控制器控制关节继续转动一个角度，之后再控制关节的电机反转，此时关节转动方向为负方向； 

检测所述磁传感器信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第二工作点位置时，所述关节控制器记录此时位置； 

使关节继续朝负方向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第二释放点位置，控制器控制电机继续运动一个角度，之后再控制电机反转，此时关节运动方向为正向； 

检测所述磁传感器信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第一工作点位置时，所述关节控制器记录此时位置，根据之前所记录的所述第二工作点位置，算出两点的中点的位置作为零位位置； 

当关节转动到所述中点的位置时，保持电机转向，开始捕捉增量编码器Z脉冲信号； 

捕捉到Z脉冲信号的同时，关节停止转动，此时的位置是唯一的，记录当前位置，从而将机器人关节定位到零位位置。 

优选地，当所述查询到的所述磁传感器的信号表明所述关节未处于关节零位下时，所述方法进一步包括如下步骤： 

使关节朝正方向转动，不断查询所述磁传感器的信号和所述限位开关的信号，若所述磁传感器的信号先跳变，则认为所述关节处于所述零位位置的负方向上，若所述限位开关的信号先跳变，则认为所述关节处于所述零位位置的正方向上。 

优选地，当所述关节处于所述零位位置的负方向上时，所述定位方法进一步包括如下步骤： 

使关节朝正方向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达所 述第一工作点位置时，记录此时关节的位置； 

使关节继续朝正方向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第一释放点位置时，所述关节控制器控制电机继续运动一个角度，之后再控制电机反转，此时关节转动方向为负方向； 

检测所述磁传感器的信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第二工作点位置时，根据之前记录的所述第一工作点位置，计算出两点的中点的位置； 

当关节转动到所述中点的位置时，控制电机反转，此时关节转动方向为正方向，然后开始捕捉增量编码器Z脉冲信号； 

捕捉到Z脉冲信号的同时，关节停止转动，此时的位置是唯一的，记录当前位置，从而将机器人关节定位到零位位置。 

优选地，当所述关节处于所述零位位置的正方向上时，所述方法进一步包括如下步骤： 

所述限位开关的信号表明所述关节到达正向极限位置时，关节反转，此时关节转动方向为负方向； 

检测所述磁传感器的信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达所述第二工作点位置时，所述关节控制器记录此时关节位置； 

使关节继续朝负方向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第二释放点位置时，所述关节控制器控制电机继续运动一个角度，之后再控制电机反转，此时关节转动方向为正方向； 

检测所述磁传感器的信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达所述第一工作点位置时，所述关节控制器记录此时关节位置，根据之前所记录的所述第二工作点位置，算出两点的中点的位置； 

当关节转动到所述中点的位置时，保持电机转向，开始捕捉增量编码器Z脉冲信号； 

捕捉到Z脉冲信号的同时，关节停止转动，此时的位置是唯一的，记 录当前关节位置，从而确定机器人关节的零位位置。 

优选地，所述磁传感器为霍尔效应元件。 

与现有技术相比，本发明可以取得以下技术效果： 

选取霍尔开关信号区域中点为零位初步标志点，克服了传感器的回差，降低了对霍尔元件老化和外界干扰的影响，提高了系统的稳定性； 

采用霍尔传感器加电机轴Z脉冲定位机器人关节零位位置，大大提高定位精度； 

以一般闭环控制系统已有的增量式码盘为基础，降低了成本； 

增加了机器人开机时，关节已处于零位区域条件下的找零方法，使得关节在任意位置都能实现精确找零。 

附图说明

图1是根据本发明的机器人关节初始位置定位系统组成示意图； 

图2是根据本发明的机器人关节初始位置定位系统结构图； 

图3是系统找零过程中开关信号及Z脉冲信号示意图； 

图4是霍尔开关输出电压信号的滞回特性示意图； 

图5a-5c是机器人上电工作时关节所处的位置三种情况示意图； 

图6a-6d是零位位置精确确定流程图。 

具体实施方式

如图1所示，定位系统包括：霍尔零位开关、霍尔正限位开关(也可选择负限位开关)、增量编码器和关节控制器。关节控制器通过霍尔开关和增量编码器的反馈信号来确定关节的运动和位置。 

图2为定位系统的结构图，其中关节连接固定连杆1和运动连杆2，电机驱动关节转动即实现连杆2的转动；编码器与电机轴6相连，精确记录电机转动角度并反馈给控制器，从而使控制器得到关节的转动角度；霍尔 零位位置开关由磁珠5和霍尔传感器3构成，磁珠5安装在连杆2前端，随连杆2转动，霍尔传感器3安装在关节零位位置处，当关节到达零位位置附近时，磁珠5触发霍尔传感器3产生相应的霍尔信号，霍尔正限位开关磁珠5和霍尔传感器4构成由霍尔传感器4安装在关节正方向极限运动位置，一旦关节到达正方向极限位置会产生霍尔信号反馈给控制器，防止关节运动到极限位置以外。 

霍尔开关的输出电压信号存在滞回特性。以本系统采用的常闭型霍尔开关为例，如图4，当磁珠在工作点外时，霍尔开关输出信号为高电平，一旦磁珠位置越过工作点B_OP，输出信号为低电平，一般将这个电平跳变信号作为零位位置信号。但是磁珠往反方向运动时，磁珠离开工作点位置时，输出信号并不会跳变回高电平，而是直到磁珠位置到释放点B_RP以外，输出信号才转变为高电平。由于霍尔开关的这个特性，使得磁珠从正反两个方向运动到达输出信号跳变的点并不是同一个点，而分别是工作点B_OP和释放点B_RP(如图3中的a和b位置)，也就使得所定位的零位位置不是同一位置，影响了定位精度。此外，霍尔开关的老化和外界的磁干扰，也会使工作点和释放点有所移动，也即霍尔开关的信号触发区域大小发生变化，严重影响了定位系统长期使用的精度和抗干扰能力。 

开关信号的滞回特性、霍尔开关老化和外界干扰会使得输出信号的跳变位置(图3中的a，b，c，d位置)发生改变，常用的关节零位定位系统一般将这些位置作为零位位置，因而影响了最终的定位精度。本系统巧妙利用了霍尔开关的滞回特性所带来的信号区域对称性，选取了霍尔传感器工作区域的中点(如图3中的e位置)为关节零位。由于霍尔开关老化和外界干扰对信号区域两侧的影响程度基本是一样，即区域在正反方向的变宽或变窄程度一样，因此该区域的中点e的位置不会改变，这样就提高了定位精度。 

电机每转一圈，编码器输出一个Z脉冲信号，Z脉冲信号可作为电机 转动时每一圈的起始位置信号，因此利用Z脉冲信号可将定位精度从电机转动的一圈提高到一个点。在系统找零的过程中，会产生一系列的Z脉冲信号，如图3所示。在选择了e点位置为零位位置后，利用增量编码器的Z脉冲信号，可以进一步提高系统定位精度。即每次关节位置到达e点后，控制电机正向转动(如图2箭头所示方向)，捕捉第一个增量编码器的Z脉冲信号，以此信号为最终的关节零位位置确定信号。 

本系统确定关节零位位置按照如下步骤进行操作： 

1)机器人在上电工作后，中央控制系统向各个关节控制器发出找零位位置指令； 

机器人上电工作时，关节所处的位置有三种情况(如图5所示)：1.在关节零位的反方向上，如图5.1，此时霍尔开关输出为高电平；2.在关节零位下，如图5.2，此时霍尔开关输出为低电平；3.在关节零位的正方向上，如图5.3，此时霍尔开关输出为高电平 

2)查询霍尔零位开关信号，若为低电平则关节位置如图5.2所示，设为情况2，若为高电平，则关节位置如图5.1或5.3所示，设为情况1和情况3； 

情况2： 

2.3)关节正向低速转动，当霍尔零位开关信号从低电平跳变为高电平时，也即到达图2所示c位置，控制器控制电机继续运动一个微小的角度(该角度根据具体的情况调试确定)，之后再控制电机反转，此时关节转动方向为负方向； 

2.4)检测霍尔零位信号，当信号从高电平变为低电平时，也即到达图2所示d位置，控制器记录此时d点位置； 

2.5)关节继续朝负方向运动，当霍尔零位开关信号从低电平跳变为高电平时，也即到达图2所示b位置，控制器控制电机继续运动一个角度，之后再控制电机反转，此时关节运动方向为正向； 

2.6)检测霍尔零位信号，当信号从高电平变为低电平时，也即到达图2所示a位置，控制器记录此时a点位置，根据之前所记录的d点位置，算出a、d两点的中点e的位置； 

2.7)当关节转动到e点位置时，保持电机转向，开始捕捉增量编码器Z脉冲信号； 

2.8)捕捉到Z脉冲信号的同时，关节停止转动，此时的位置是唯一的，记录当前位置，从而精确确定机器人关节的零位位置。 

情况1和情况3： 

1.3和3.3)关节正方向低速转动，不断查询霍尔零位开关信号和正限位霍尔开关信号，若零位开关信号先变为低电平，则为情况1，若方向正限位开关信号先变为低电平，则为情况3； 

情况1： 

1.4)零位开关变为低电平时，也即到达图2所示的a位置，记录此时关节的位置； 

1.5)关节继续正转，当霍尔零位开关信号从低电平跳变为高电平时，也即到达图2所示b位置，控制器控制电机继续运动一个角度，之后再控制电机反转，此时关节转动方向为负方向； 

1.6)检测霍尔零位信号，当信号从高电平变为低电平时，也即到达图2所示d位置，控制器记录此时d点位置，根据之前所记录的a点位置，算出a、d两点的中点e的位置； 

1.7)当关节转动到e点位置时，控制电机反转，此时关节转动方向为正方向，然后开始捕捉增量编码器Z脉冲信号； 

1.8)捕捉到Z脉冲信号的同时，关节停止转动，此时的位置是唯一的，记录当前位置，从而精确确定机器人关节的零位位置。 

情况3： 

3.4)正限位开关信号为低电平时，关节反转； 

3.5)检测霍尔零位信号，当信号从高电平变为低电平时，也即到达图2所示d位置，控制器记录此时d点位置； 

3.6)关节继续朝负方向运动，当霍尔零位开关信号从低电平跳变为高电平时，也即到达图2所示b位置，控制器控制电机继续运动一个角度，之后再控制电机反转，此时关节转动方向为正方向； 

3.7)检测霍尔零位信号，当信号从高电平变为低电平时，也即到达图2所示a位置，控制器记录此时a点位置，根据之前所记录的d点位置，算出a、d两点的中点e的位置； 

3.8)当关节转动到e点位置时，保持电机转向，开始捕捉增量编码器Z脉冲信号； 

3.9)捕捉到Z脉冲信号的同时，关节停止转动，此时的位置是唯一的，记录当前位置，从而精确确定机器人关节的零位位置。 

其零位位置精确确定流程图如图6a-6d所示。 

由此可见，本发明在霍尔开关信号的基础上，巧妙利用霍尔开关的滞回特性，来减小器件老化和外界干扰的影响，并充分利用在一般电机闭环系统所需的传感器——增量式码盘的Z脉冲信号，因此，在不增加系统成本的基础上，实现了机器人零位位置的精确定位。与现有技术相比，本发明的系统具有成本低、结构简单、操作容易、应用范围广、精度高的优点。 

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种机器人关节零位位置定位系统，包括：

磁传感器，其固定于所述关节的第一旋转部件上，其位置与所述关节零位位置相对应；

磁铁，其固定于所述关节中能够相对于所述第一旋转部件转动的第二旋转部件上；

限位开关，其用于检测所述关节正向旋转的极限位置；以及

控制装置，其与所述磁传感器及限位开关连接，根据所述磁感器及限位开关输出的信号记录定位数据，并将所述关节定位到所述零位位置；

其特征在于，所述定位数据包括：

第一工作点位置，其对应于所述关节正向旋转使所述磁铁接近所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置；

第二工作点位置，其对应于所述关节反向旋转使所述磁铁接近所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置。

2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述零位位置对应于所述第一工作点位置与所述第二工作点位置之间的中点。

3.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述定位数据还包括：

第一释放点位置，其对应于所述关节正向旋转使所述磁铁远离所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置；

第二释放点位置，其对应于所述关节反向旋转使所述磁铁远离所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置。

4.根据权利要求1-3之一所述的定位系统，其特征在于，所述磁传感器为霍尔效应元件。

5.一种机器人关节零位位置定位方法，所述机器人关节包括：

磁传感器，其固定于所述关节的第一旋转部件上，其位置与所述关节零位位置相对应；

磁铁，其固定于所述关节中能够相对于所述第一旋转部件转动的第二旋转部件上；

限位开关，其用于检测所述关节正向旋转的极限位置；以及

关节控制器，其与所述磁传感器及限位开关连接，根据所述磁传感器及限位开关输出的信号记录定位数据，并将所述关节定位到所述零位位置；

其特征在于，所述定位数据包括：

第一工作点位置，其对应于所述关节正向旋转使所述磁铁接近所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置；

第二工作点位置，其对应于所述关节反向旋转使所述磁铁接近所述磁传感器时，所述磁传感器输出信号发生跳变的位置；

所述定位方法包括如下步骤：

机器人在上电工作后，中央控制系统向关节控制器发出找零位位置指令；

所述关节控制器查询所述磁传感器和限位开关的信号，随后控制所述关节旋转，将所述关节定位到所述零位位置。

6.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于，当所述查询到的所述磁传感器的信号表明所述关节处于所述零位位置下时，所述定位方法进一步包括如下步骤：

使关节朝正向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第一释放点位置时，所述关节控制器控制关节继续转动一个角度，之后再控制关节的电机反转，此时关节转动方向为负方向；

检测所述磁传感器信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第二工作点位置时，所述关节控制器记录此时位置；

使关节继续朝负方向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第二释放点位置，控制器控制电机继续运动一个角度，之后再控制电机反转，此时关节运动方向为正向；

检测所述磁传感器信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第一工作点位置时，所述关节控制器记录此时位置，根据之前所记录的所述第二工作点位置，算出两点的中点的位置作为零位位置；

当关节转动到所述中点的位置时，保持电机转向，开始捕捉增量编码器Z脉冲信号；

捕捉到Z脉冲信号的同时，关节停止转动，此时的位置是唯一的，记录当前位置，从而将机器人关节定位到零位位置。

7.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于，当所述查询到的所述磁传感器的信号表明所述关节未处于关节零位下时，所述方法进一步包括如下步骤：

使关节朝正方向转动，不断查询所述磁传感器的信号和所述限位开关的信号，若所述磁传感器的信号先跳变，则认为所述关节处于所述零位位置的负方向上，若所述限位开关的信号先跳变，则认为所述关节处于所述零位位置的正方向上。

8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，当所述关节处于所述零位位置的负方向上时，所述定位方法进一步包括如下步骤：

使关节朝正方向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达所述第一工作点位置时，记录此时关节的位置；

使关节继续朝正方向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第一释放点位置时，所述关节控制器控制电机继续运动一个角度，之后再控制电机反转，此时关节转动方向为负方向；

检测所述磁传感器的信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第二工作点位置时，根据之前记录的所述第一工作点位置，计算出两点的中点的位置；

当关节转动到所述中点的位置时，控制电机反转，此时关节转动方向为正方向，然后开始捕捉增量编码器Z脉冲信号；

捕捉到Z脉冲信号的同时，关节停止转动，此时的位置是唯一的，记录当前位置，从而将机器人关节定位到零位位置。

9.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，当所述关节处于所述零位位置的正方向上时，所述方法进一步包括如下步骤：

所述限位开关的信号表明所述关节到达正向极限位置时，关节反转，此时关节转动方向为负方向；

检测所述磁传感器的信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达所述第二工作点位置时，所述关节控制器记录此时关节位置；

使关节继续朝负方向转动，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达第二释放点位置时，所述关节控制器控制电机继续运动一个角度，之后再控制电机反转，此时关节转动方向为正方向；

检测所述磁传感器的信号，当所述磁传感器的信号发生跳变时，即到达所述第一工作点位置时，所述关节控制器记录此时关节位置，根据之前所记录的所述第二工作点位置，算出两点的中点的位置；

当关节转动到所述中点的位置时，保持电机转向，开始捕捉增量编码器Z脉冲信号；

捕捉到Z脉冲信号的同时，关节停止转动，此时的位置是唯一的，记录当前关节位置，从而确定机器人关节的零位位置。

10.根据权利要求5-9之一所述的定位方法，其特征在于，所述磁传感器为霍尔效应元件。

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