CN106671124B - 一种用于机器人关节的串联弹性驱动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人关节的串联弹性驱动器及其控制方法，包括电机控制器连接旋转编码器，电机控制器连接直流电机；电机控制器连接实时计算机控制系统；数据采集系统的输出端连接实时计算机控制系统，输入端连接模拟多路选择器；旋转编码器、直流电机和减速箱依次连接；换向器的输入端连接减速箱，输出端的输出轴线上设置由依次固定连接的弹性元件、弹簧连杆转接件和机器人关节连杆组成的传动机构；第一绝对角度传感器同轴设置于弹性元件上；第二绝对角度传感器设置于所述机器人关节连杆。本发明可应用于需要与人或环境产生直接物理接触的机器人的关节驱动，可以保证人与环境以及机器人自身的安全性和人机接触时的舒适性。

Description

一种用于机器人关节的串联弹性驱动器及其控制方法

技术领域

本发明涉及新型服务与医疗康复训练机器人领域，具体地说是一种用于机器人关节的串联弹性驱动器与控制方法。

背景技术

人机接触、交互、合作正在成为新一代机器人发展的主流方向。传统机器人被设计为禁止在工作时与人接触，以保证人身安全。对于新型服务机器人来说，与人和环境的接触正在发展成为不可避免的趋势，而对于新型服务医疗康复训练机器人，这种接触更将必然发生。

由于传统机器人的工作场合往往具有结构化或无人化的特点，并且在这些场合中应用的机器人常常被隔离在安全围栏中用于做固定模式的重复劳动，同时通过在其周围设置各种类型的传感器以判断人员的接近并发出安全警报。这些采用静态安全设备的机器人只能完成程序化的工作，并且不具备与人交互的能力，因此无法直接利用来辅助人完成各种复杂多变的日常行为和康复训练任务。

新一代机器人将应用到越来越广泛的服务与医疗领域，并且人与机器人也将越来越紧密的合作，寻求新型人机交互的安全保障手段将成为急需突破的实际难题。

常见的人机安全保护手段有安装力/力矩传感器、设置接近传感器和限制机器人运动速度等。但是安装昂贵的力/力矩传感器会大幅增加机器人成本，且力/力矩传感器为刚性元件，只能起到力/力矩检测功能，难以实现自动的安全反应。而接近传感器只能检测到一定区域的人机相对位置，安全范围过于保守。而通过降低运动速度来获得安全性的方式大大限制了机器人潜力的发挥，无法体现出机器人的灵活性和工作高效性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有机械柔性，能够保证人机接触安全舒适的新的机器人关节驱动器及其控制方法，使得机器人关节具有机械的柔顺性和可调整的刚度。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种用于机器人关节的串联弹性驱动器，包括电机控制器通过信号线与旋转编码器连接，电机控制器通过电力线与直流电机连接，对直流电机进行伺服控制；

电机控制器通过总线连接实时计算机控制系统，接收计算机在每个控制周期所生成的控制量，并对直流电机进行实时控制；

数据采集系统的输出端连接实时计算机控制系统，输入端连接模拟多路选择器，接收选择信号；

旋转编码器、直流电机和减速箱依次连接；

换向器的输入端连接减速箱，输出端的输出轴线上设置由依次固定连接的弹性元件、弹簧连杆转接件和机器人关节连杆组成的传动机构；

第一绝对角度传感器同轴设置于弹性元件上，用于测量换向器输出轴的绝对位置；第二绝对角度传感器设置于所述机器人关节连杆，用于测量机器人关节连杆的绝对位置；所述第一绝对角度传感器和第二绝对角度传感器的输出端连接所述模拟多路选择器的模拟输入端。

所述弹性元件为一种平面螺旋线形的线性元件，截面为矩形。

所述直流电机为内置霍尔传感器的直流无刷电机，所述霍尔传感器通过信号线连接电机控制器。

所述模拟多路选择器为二选一模拟多路选择器，具有三个输入端口，分别是选通端口、第一模拟输入端口和第二模拟输入端口，具有一个输出端口为模拟输出端口。

所述数据采集系统包括一个A/D转换器和一个通用数字I/O端口，A/D转换器的输入通道与模拟多路选择器的模拟输出端口相连，通用数字I/O端口与模拟多路选择器的选通端口相连，用于选通相应的绝对角度传感器，并将被选通的绝对角度传感器输出的模拟信号转换成数字信号。

绝对角度传感器的输出量在系统掉电的情况下不丢失。

一种用于机器人关节的串联弹性驱动器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：由绝对角度传感器获取机器人关节连杆绝对位置；

步骤2：由数据采集系统将绝对角度传感器的模拟信号转换成数字量输入到实时计算机控制系统中；

步骤3：实时计算机控制系统根据原始的电机控制输入量和获取到的机器人关节连杆绝对位置计算新的电机控制量；

步骤4：计算机控制系统将新的电机控制量输出到电机控制器，对直流电机进行控制。

还可以使用低通滤波器对数据采集系统角度数字信号进行滤波降噪处理，再输入到实时计算机控制系统。

所述新的电机控制量为：

θ_sn＝K₁θ_s-K₂θ₂

其中，θ_sn是新的电机控制量，θ_s为原始的电机控制输入量，θ₂为机器人关节连杆转角的绝对位置，K₁为原始电机控制量权重系数，K₂为机器人关节角度权重系数。

所述原始电机控制量权重系数K₁的计算过程：

所述机器人关节角度权重系数K₂的计算过程为：

其中，K′为所期望获得的机器人关节等效刚度系数，K为安装于机器人关节的弹性元件的特征刚度系数。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明能够将机器人手臂的质量和机器人底座的质量通过弹性元件隔离开来，当人或环境和机器人发生物理碰撞的过程中，通过弹性元件的吸收和释放能量来产生缓冲效果从而减小人与环境和机器人碰撞力的大小，避免对人和环境造成伤害。在使用固定刚度的弹性元件的基础上，同时采用基于软件控制的等效刚度控制方法，以获得在不同工况下需要的不同关节刚度，有助于扩展该机器人的使用范围。

附图说明

图1为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的系统连接结构框图；

图2为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的立体示意图；

图3为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的连杆角度传感器主视图；

图4为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的减速箱角度传感器和电机控制器主视图；

图5为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的弹性元件主视图；

图6为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的弹性元件安装示意图；

图7为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的可变刚度控制方法的流程图；

其中1为旋转编码器，2为直流无刷电机，3为减速箱，4为弹性元件，5为弹簧连杆转接件，6为机器人关节连杆，7为第二绝对角度传感器，8为第一绝对角度传感器，9为模拟多路选择器，10为数据采集系统，11为实时计算机控制系统，12为电机控制器，13为换向器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的系统连接结构框图。本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器主要包括：增量式光电脉冲编码器1，每圈可计数2000个脉冲，实现电机输出轴的精确控制；带霍尔传感器的直流无刷电机2，用于提供驱动力输出；减速箱3，用于降低转速，提高驱动力矩；弹性元件4，能有效隔离机器人基座惯性负载，缓冲吸收冲击能量；弹簧连杆转接件5，用于连接弹性元件与机器人关节连杆；机器人关节连杆6；第一绝对角度传感器8、第二绝对角度传感器7，分别安装于减速箱3输出轴和机器人关节连杆6轴上，用于测量两个轴转动的绝对位置；模拟多路选择器9，分别选通每个角度传感器进行角度测量；数据采集系统10，控制多路选择器选通某个角度传感器，将角度传感器的模拟信号转化为数字信号；实时计算机控制系统11，定时采集角度传感器信息，并控制电机按照控制算法转动；电机控制器12，采集光电脉冲编码器1和直流无刷电机2内部的霍尔传感器信号并对直流无刷电机2进行实际控制。

如图2所示本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的立体示意图。旋转光电脉冲编码器1、直流无刷电机2、减速箱3在机械结构上为同轴线安装，并通过换向器13转换传动方向，从而保证紧凑的关节安装空间。电机控制器12安装在机器人关节上，进一步提高了系统的集成度。

如图3所示为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的连杆角度传感器主视图；第二绝对角度传感器7与二选一模拟多路选择器9安装于同一块PCB板上，节约了安装空间，减小了走线长度，降低了信号干扰，提高了角度传感器输出模拟信号的精度。

如图4所示为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的减速箱角度传感器和电机控制器主视图。电机控制器12安装于换向器13背面，采用EtherCAT现场总线与实时计算机控制系统11通信，方便构成多级关节组成的多自由度机器人系统。

如图5所示为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的弹性元件主视图。弹性元件4采用阿基米德螺旋线形平面涡卷弹簧形式，具有结构紧凑，线性度好，占用空间小的优点。通过将中心端插入带开槽的输出轴与上一级传动连接。

弹性元件为一种线性元件，其由于发生弹性形变所产生的恢复力的大小与所发生的形变的大小成正比，且方向相反，并可采用如下公式计算：

τ＝K(θ₁-θ₂)

其中，τ是弹性元件由于发生弹性形变而产生施加于连杆上的恢复力，K为恢复力大小与弹性元件所发生弹性形变大小的比例系数，θ₁为减速箱输出轴所转过的绝对角度值，θ₂为机器人关节连杆转角的绝对位置。

如图6所示为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的弹性元件安装示意图。弹簧连杆转接件5负责将机器人关节连杆6与弹性元件4外端进行固定。弹簧外端通过将自身插入弹簧连杆转接件5上的槽孔进行固定，弹簧连杆转接件5与机器人关节连杆6通过螺纹连接进行固定。

如图7所示为本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的可变刚度控制方法的流程图。本发明的用于机器人关节的串联弹性驱动器的可变刚度控制方法主要由四个步骤组成：

步骤1：初始化数据采集系统10和电机控制器12的通讯总线，设置数据采集系统10和电机控制器12的初始状态，包括设置数据采集系统10的采样频率，采样分辨率，滤波器参数，参考电压大小，设置电机控制器12中的直流无刷电机2初始位置，其中直流无刷电机2初始位置为第一绝对角度传感器8所指示的初始位置与减速箱3的减速比之积，设置电机控制器12的使用模式。本发明采用位置模式对直流无刷电机2进行控制。

步骤2：从数据采集系统10读取当前绝对角度传感器数值，设定需要的机器人关节等效刚度值和减速箱3输出轴初始期望位置，其中所设定的初始值可通过在程序运行过程中通过实时计算机控制系统11的人机界面直接输入，也可以通过读取事先保存好的数据文件来获得。

步骤3：根据输入的期望刚度和输出轴期望位置，采用本发明的控制算法计算新的减速箱3输出轴期望位置，其计算方法如下公式所示：

θ_sn＝K₁θ_s-K₂θ₂

其中，θ_sn是实际的电机控制量，将由控制系统输入到电机控制器中对电机进行实际控制，θ_s为电机的原始控制量，θ₂为机器人关节连杆转角的绝对位置，K₁为原始电机控制量权重系数，K₂为机器人关节角度权重系数。

电机实际控制量生成公式中的两个权重系数并不完全独立，而是分别采用下面的公式和公式进行计算：

其中，K′为所期望获得的机器人关节等效刚度系数，K为安装于机器人关节的弹性元件的特征刚度系数。

本发明通过在机器人关节驱动器的传动环节中串联安装弹性元件的方式使得机器人在与人和环境互动的过程中获得被动的机械柔性。该机器人关节驱动器包括：依次串联的光电脉冲编码器、带霍尔传感器的直流无刷电机、减速箱、弹性元件、弹簧连杆转接器、机器人手臂连杆，其特征在于还包括：电机控制器，连接到光电脉冲编码器的数据线并为其提供电源，同时连接到直流无刷电机的霍尔传感器数据线和电源线，并连接到无刷电机的电力线，通过霍尔传感器信号检测当前电机转子位置从而生成对应方向的激励电流驱动无刷电机转动，电机的转动将带动同轴安装的光电脉冲编码器产生相应的脉冲信号输入到电机控制器，电机控制器通过对编码器的脉冲信号进行计数从而精确地控制电机转子的转动速度和位置，通过控制流过电机电力线的电流从而控制电机的输出转矩。直流无刷电机转子通常具有较高的额定转速，通过在电机输出轴上安装一个适当减速比的减速箱，来降低关节转速，提高驱动力矩。

弹性元件采用优质弹簧钢60Si2MnA作为材料，其外形为一种平面阿基米德螺旋线形，其截面为矩形。使用这种平面涡卷形式的弹性元件，其弹性形变——恢复力为近似线性关系，

该驱动器在减速箱输出轴和机器人关节连杆轴上分别安装有角度传感器，用来测量在机器人手臂运动过程中减速箱输出轴的位置和机器人手臂的位置。该传感器为输出量为绝对值，其值掉电不丢失，任何时候机器人接通电源后均可以随时获得减速箱输出轴和关节连杆轴的绝对位置。其中减速箱输出轴的上电位置同时用来补充光电脉冲编码器提供的位置信息给电机控制器，从而实现减速器输出轴的绝对位置控制。

该驱动器还包括一个二选一模拟多路选择器，用于选通哪个角度传感器处于工作状态，其型号为ADG1419，该选择器具有三个输入端口，分别是选通端口，模拟输入端口和模拟输入端口，一个输出端口，为模拟输出端口。当选通端口为低电平时，模拟输出端口与模拟输入端口导通，与模拟输入端口断开，当选通端口为高电平时，模拟输出端口与模拟输入端口导通，与模拟输入端口断开，该多路选择器的两个模拟输入端口分别与两个绝对角度传感器输出端相连。

该驱动器还包括一个单通道数据采集系统，内部包含一个A/D转换器，和一个通用数字I/O。其模拟输入通道与二选一模拟多路选择器输出端口相连，通用数字I/O与选择器的选通端口相连，用于将被选通的绝对角度传感器信号转换成数字信号。

该驱动器还包括一个实时计算机控制系统，其中电机控制器与数据采集系统通过总线与实时计算机系统相连。该实时计算机系统为一个硬实时系统，具有固定的采样周期和控制周期。在每个采样周期内，计算机通过总线控制数据采集系统分别选通两个绝对角度传感器，并发送指令要求数据采集系统对所选通的角度传感器信号进行转换，转换完成后将数字量结果通过总线发回给计算机进行处理，在一个采样周期内，该过程对每个角度传感器分别进行一次。在每个控制周期内，计算机运行一遍控制算法，该算法根据期望的关节刚度、系统当前状态，包括连杆当前位置、电位器输出轴当前位置、弹性元件实际刚度计算电机控制量。

本发明所述的驱动器具有可被反向驱动的能力，通过角度位置传感器测量驱动器输出轴与连杆端的角度并输入实时计算机控制系统，经过换算可得所串联弹性元件的变形量以及连杆端输出力矩的大小。同时控制系统将使用所得的关节角度与输出力矩信息，并根据所设置的关节等效柔性与连杆角度位置指令对直流电机输出轴进行伺服控制。

Claims (2)

1.一种用于机器人关节的串联弹性驱动器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：由绝对角度传感器获取机器人关节连杆绝对位置；

步骤2：由数据采集系统将绝对角度传感器的模拟信号转换成数字量输入到实时计算机控制系统中；

步骤3：实时计算机控制系统根据原始的电机控制输入量和获取到的机器人关节连杆绝对位置计算新的电机控制量；

步骤4：计算机控制系统将新的电机控制量输出到电机控制器，对直流电机进行控制；

所述新的电机控制量为：

其中，

是新的电机控制量，

为原始的电机控制输入量，

为机器人关节连杆转角 的绝对位置，

为原始电机控制量权重系数，

为机器人关节角度权重系数；

所述原始电机控制量权重系数

的计算过程：

所述机器人关节角度权重系数

的计算过程为：

其中，

为所期望获得的机器人关节等效刚度系数，

为安装于机器人关节的弹性 元件的特征刚度系数；

所述用于机器人关节的串联弹性驱动器，包括电机控制器，电机控制器通过信号线与旋转编码器连接，电机控制器通过电力线与直流电机连接，对直流电机进行伺服控制；

电机控制器通过总线连接实时计算机控制系统，接收计算机控制系统在每个控制周期所生成的控制量，并对直流电机进行实时控制；

数据采集系统的输出端连接实时计算机控制系统，输入端连接模拟多路选择器，接收选择信号；

旋转编码器、直流电机和减速箱依次连接；

换向器的输入端连接减速箱，输出端的输出轴线上设置由依次固定连接的弹性元件、弹簧连杆转接件和机器人关节连杆组成的传动机构；

第一绝对角度传感器同轴设置于弹性元件上，用于测量换向器输出轴的绝对位置；第二绝对角度传感器设置于所述机器人关节连杆，用于测量机器人关节连杆的绝对位置；所述第一绝对角度传感器和第二绝对角度传感器的输出端连接所述模拟多路选择器的模拟输入端；

所述弹性元件为一种平面螺旋线形的线性元件，截面为矩形；

所述模拟多路选择器为二选一模拟多路选择器，具有三个输入端口，分别是选通端口、第一模拟输入端口和第二模拟输入端口，具有一个输出端口为模拟输出端口；

所述数据采集系统包括一个A/D转换器和一个通用数字I/O端口，A/D转换器的输入通道与模拟多路选择器的模拟输出端口相连，通用数字I/O端口与模拟多路选择器的选通端口相连，用于选通相应的绝对角度传感器，并将被选通的绝对角度传感器输出的模拟信号转换成数字信号。

2.根据权利要求1所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器的控制方法，其特征在于：使用低通滤波器对数据采集系统角度数字信号进行滤波降噪处理，再输入到实时计算机控制系统。

Images