CN106003048A - 基于陀螺仪加速度计的机器人关节及其控制系统 - Google Patents

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曹其新
陈鹏
林成靖
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1651—Programme controls characterised by the control loop acceleration, rate control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B25J9/161—Hardware, e.g. neural networks, fuzzy logic, interfaces, processor

Abstract

一种基于陀螺仪加速度计的机器人关节及其控制系统，包括：陀螺仪加速度计、下端关节、从下而上依次相连的制动器、相对值编码器、交流伺服电机、谐波减速器和上端关节，其中：制动器、相对值编码器和交流伺服电机同轴设置于下端关节内，谐波减速器的外圈与下端关节的外壳相连；陀螺仪加速度计设置于上端关节的中央；控制系统还包括：驱动器和控制器，其中：交流伺服电机、驱动器和控制器依次相连；控制器的输入端与相对值编码器相连，并通过I2C接口接入陀螺仪加速度计，控制器的输出端与制动器相连；本发明设计合理，结构简单，控制系统根据各关节的速度和位置反馈以及加速度反馈，完成机器人的碰撞检测和负载检测等复杂的运动控制规划。

Description

基于陀螺仪加速度计的机器人关节及其控制系统
技术领域
本发明涉及的是一种机器人关节领域的技术，具体是一种基于陀螺仪加速度计的机器人关节及其控制系统。
背景技术
随着机器人技术的发展，机器人相关领域的研究也在不断进行。一体化、模块化关节的研究与设计仍是热门方向。前人设计的机器人的一体化关节大多包含以下部件：伺服电机、减速器、编码器、轴承、制动器、力矩传感器等。目前一体化关节设计中尚无能够提供直接实际测量的加速度反馈的设计，然而实测的加速度反馈对于控制系统而言是一个重要信息，利用加速度反馈可实现更优化的力矩控制。
发明内容
本发明针对现有技术不支持关节加速度估计和扭矩估计的反馈，并缺少为控制器提供碰撞检测和负载检测等缺陷，提出一种基于陀螺仪加速度计的机器人关节及其控制系统，将陀螺仪加速度计集成在一体化关节中，为机器人控制系统提供加速度反馈，有利于优化机器人关节的控制策略。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于陀螺仪加速度计的机器人关节，包括：陀螺仪加速度计、下端关节、从下而上依次相连的制动器、相对值编码器、交流伺服电机、谐波减速器和上端关节，其中：制动器、相对值编码器和交流伺服电机同轴设置于下端关节内，谐波减速器的外圈与下端关节的外壳相连；陀螺仪加速度计设置于上端关节的中央，并与谐波减速器、交流伺服电机、相对值编码器和制动器的中心轴线彼此重合。
所述的交流伺服电机与谐波减速器通过连接轴相连，连接轴的一端与谐波减速器的内圈相连，另一端与交流伺服电机的输出轴相连。
所述的交流伺服电机上方设有环形电机固定板，环形电机固定板与下端关节外壳的内侧相连。
本发明涉及一种基于上述机器人关节的控制系统，还包括：驱动器和控制器，其中：交流伺服电机通过电源线和信号线与驱动器相连，驱动器通过CAN总线与控制器相连；控制器的输入端与相对值编码器相连，接收交流伺服电机输出轴的转动位置和速度的脉冲信号；并通过I2C接口接入陀螺仪加速度计采集的实时加速度信号，控制器的输出端与制动器相连，用于控制关节的锁紧。
技术效果
与现有技术相比，本发明结构简单，易于制造安装，通过将陀螺仪加速度计集成入一体化关节中，构成加速度层面的闭环控制，为控制系统提供实际测量的加速度反馈，在控制系统中完成的机器人正运动学变换的基础上，可得到关节的加速度估计和扭矩估计的反馈，从而实现碰撞检测和负载检测等复杂的控制。
附图说明
图1为机器人关节示意图；
图2为控制系统接线示意图；
图3为控制系统原理示意图；
图中：1制动器、2相对值编码器、3交流伺服电机、4环形电机固定板、5连接轴、6下端关节、7谐波减速器、8陀螺仪加速度计、9上端关节。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：陀螺仪加速度计8、下端关节6、环形电机固定板4、从下而上依次相连的制动器1、相对值编码器2、交流伺服电机3、连接轴5、谐波减速器7和上端关节9，其中：制动器1、相对值编码器2和交流伺服电机3同轴设置于下端关节6内，连接轴5的一端与交流伺服电机3的输出轴相连，另一端与谐波减速器7的内圈相连；谐波减速器7的外圈与下端关节6的外壳相连；环形电机固定板4与下端关节6外壳的内侧相连，并固定设置于交流伺服电机3上方；陀螺仪加速度计8设置于上端关节9的中央，并与谐波减速器7、交流伺服电机3、相对值编码器2和制动器1的中心轴线彼此重合。
所述的交流伺服电机3与环形电机固定板4通过螺纹孔连接。
如图2所示，本实施例涉及基于上述机器人关节的控制系统，还包括：驱动器和控制器，其中：交流伺服电机3通过电源线和信号线与驱动器相连，驱动器通过CAN总线与控制器相连；控制器的输入端与相对值编码器2相连，接收交流伺服电机3输出轴的转动位置和速度的脉冲信号；并通过I2C接口接入陀螺仪加速度计8采集的实时加速度信号，控制器的输出端与制动器1相连，用于控制关节的锁紧。
工作时，交流伺服电机3收到驱动器在CAN总线上收到的控制器发布的控制指令后，进行伺服运动，交流伺服电机3的输出轴将动力通过连接轴5传输到谐波减速器7，谐波减速器7减速后带动上端关节9旋转，实现关节的运动；同时，绝对编码器将交流伺服电机3的输出轴的当前转动位置和速度通过脉冲信号输入控制器，陀螺仪加速度计8将关节当前的加速度通过I2C总线输入控制器，由控制器作控制策略的决策。
如图3所示，所述的控制系统按逻辑分为主控制器和关节驱动器两部分。工作时，关节驱动器完成相对值编码器2和陀螺仪加速度计8的采样，由相对值编码器2的采样数据完成速度和位置的反馈，并将速度和位置反馈结果和陀螺仪加速度计8的反馈结果发送至主控制器；主控制器完成多个关节驱动器的反馈信号接收，根据各关节的陀螺仪加速度计8的反馈信号，代入机器人正运动学变换，计算得到各个关节的加速度估计和扭矩估计反馈，基于反馈结果完成碰撞检测和负载检测，控制器的运动控制规划模块据以计算各个关节运动状态从而下发控制指令至关节驱动器，实现关节电机驱动器的控制，从而实现交流伺服电机3的运动。

Claims (6)

1.一种基于陀螺仪加速度计的机器人关节，其特征在于，包括：陀螺仪加速度计、下端关节、从下而上依次相连的制动器、相对值编码器、交流伺服电机、谐波减速器和上端关节，其中：制动器、相对值编码器和交流伺服电机同轴设置于下端关节内，谐波减速器的外圈与下端关节的外壳相连；陀螺仪加速度计设置于上端关节的中央，并与谐波减速器、交流伺服电机、相对值编码器和制动器的中心轴线彼此重合。
2.根据权利要求1所述的机器人关节，其特征是，所述的交流伺服电机与谐波减速器通过连接轴相连，连接轴的一端与谐波减速器的内圈相连，另一端与交流伺服电机的输出轴相连。
3.根据权利要求1所述的机器人关节，其特征是，所述的交流伺服电机上方设有电机固定板，电机固定板与下端关节外壳的内侧相连。
4.一种基于上述任一权利要求所述机器人关节的控制系统，其特征在于，还包括：驱动器和控制器，其中：交流伺服电机通过电源线和信号线与驱动器相连，驱动器通过CAN总线与控制器相连；控制器的输入端与相对值编码器相连，接收交流伺服电机输出轴的转动位置和速度的脉冲信号；并通过I2C接口接入陀螺仪加速度计采集的实时加速度信号，控制器的输出端与制动器相连，用于控制关节的锁紧。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征是，所述的相对值编码器向控制器传输交流伺服电机的输出轴的当前转动位置和速度的脉冲信号。
6.根据权利要求4所述的控制系统，其特征是，所述的陀螺仪加速度计通过I2C接口向控制器传输采集的实时加速度信号。
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