CN107160366B - 一种服务型机器人手臂结构及关节处角度校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种服务型机器人手臂结构及关节处角度校正方法，以发生端角度传感器所反馈的信号为工作过程中的控制与反馈依据，控制模块接收到用户指令后，控制步进电机进行动作，直到发生端角度传感器反馈的角度信号与用户指令一致后停下。当关节处复位时，则以执行端角度传感器所反馈的信号为依据进行零位校正，执行端角度传感器检测到关节彻底复位后，向控制模块发出信号，控制模块再控制发生端角度传感器以此时位置为零点进行零位校正。手臂每次复位时都能够自动进行一次零位校正，以解决现有技术中服务型机器人手臂关节处无法自动校正零位的问题，实现手臂每次复位时都能够自动进行一次零位校正的目的。
Description
技术领域
本发明涉及服务型机器人领域，具体涉及一种服务型机器人手臂结构及关节处角度校正方法。
背景技术
服务型机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。服务型机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护、展示等工作。服务型机器人可以分为专业领域服务机器人和个人、家庭服务机器人。对于服务型机器人而言，其结构形状应以尽量接近人体为宜。因此在服务型机器人上也要设置类似于人体的关节结构，使得该类关节结构能够模仿人体关节进行转动。现有技术中，对于服务型机器人关节转动角度的监测都是在电机输出端直接设置角度闭环传感器进行信号反馈，若要调零需要工作人员手动进行，无法自动实现零位的校正。
发明内容
本发明的目的在于提供一种服务型机器人手臂结构及关节处角度校正方法，以解决现有技术中服务型机器人手臂关节处无法自动校正零位的问题，实现手臂每次复位时都能够自动进行一次零位校正的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一种服务型机器人手臂结构，包括依次连接的肩关节、肩臂、肘关节、肘臂，所述肩关节、肘关节均由步进电机、减速机驱动进行动作，所述步进电机输出轴的一端连接减速机，所述步进电机输出轴的另一端连接角度检测装置，所述角度检测装置包括直接与步进电机输出轴相连的减速机构、以及用于检测所述减速机构转动角度的发生端角度传感器，所述减速机构的减速比等于所述减速机的减速比；还包括用于检测对应关节的旋转角度的执行端角度传感器；还包括控制模块，所述控制模块分别与发生端角度传感器、执行端角度传感器、步进电机连接；当执行端角度传感器检测到对应关节归零时，执行端角度传感器向控制模块发出信号，控制模块控制发生端角度传感器进行零位校正。
针对现有技术中服务型机器人手臂关节处无法自动校正零位的问题，本发明提出一种服务型机器人手臂结构及关节处角度校正方法。手臂结构模仿人体设置了依次连接的肩关节、肩臂、肘关节、肘臂，肩臂绕肩关节进行转动，手臂绕手关节进行转动。肩关节、肘关节的转动都由步进电机和减速机实现，步进电机的输出端连接减速机，由减速机减速后向外输出动力、控制服务型机器人关节部位的转动。步进电机输出轴的另一端连接角度检测装置，角度检测装置包括直接与步进电机输出轴相连的减速机构、以及用于检测所述减速机构转动角度的发生端角度传感器，所述减速机构的减速比等于所述减速机的减速比。本发明中的减速机构只要能够满足减速比等于减速机的减速比均可，其具体结构不属于本方案的保护范围，在此不做限定。由于减速机构的减速比，等于减速机的减速比，因此减速机构末端与减速机输出端转速相同、转动角度相同。再由发生端角度传感器对减速机构的转动角度进行检测，从而得出减速机构的实时角度，该实时角度理论上就等于关节所转动的角度。还包括用于检测对应关节的旋转角度的执行端角度传感器，即是肩关节处设置有与之对应的，检测肩关节转动角度的执行端角度传感器；肘关节也设置有与之对应的，检测肘关节转动角度的执行端角度传感器。对于单个关节而言，能够同时由发生端角度传感器、执行端角度传感器进行角度的检测。为了避免在工作过程中造成系统紊乱，本发明以发生端角度传感器所反馈的信号为工作过程中的控制与反馈依据，控制模块接收到用户指令后，控制步进电机进行动作，直到发生端角度传感器反馈的角度信号与用户指令一致后停下。当关节处复位时，则以执行端角度传感器所反馈的信号为依据进行零位校正，执行端角度传感器所检测的信号没有受到减速机构可能存在的传动误差干扰，因此在零位处的传感精度更高。执行端角度传感器检测到关节彻底复位后，向控制模块发出信号，控制模块再控制发生端角度传感器以此时位置为零点进行零位校正。本发明使用过程中，手臂每次复位时都能够自动进行一次零位校正，从而解决了现有技术中服务型机器人手臂关节处无法自动校正零位的问题。
进一步的，所述减速机构包括减速齿轮组、磁场发生器，所述减速齿轮组的动力输入齿轮与步进电机的输出轴相连，磁场发生器固定在减速齿轮组的末级减速齿轮上；所述发生端角度传感器为正对磁场发生器的霍尔传感器。即是减速齿轮组中的末级减速齿轮的转速与减速机输出端转速相同，减速机输出端转动了多少角度，末级减速齿轮也会转动多少角度。再在末级减速齿轮上固定磁场发生器，磁场发生器随着末级减速齿轮的转动而进行转动，从而产生跟随转动频率的变化磁场，再由正对磁场发生器的霍尔传感器采集磁场变换角度，从而得出末级减速齿轮的变化角度，该变化角度即是减速机角度变化量。本优选方案通过齿轮组进行同步动作，具有高精度、高稳定性的优点，同时使得整个发生端角度传感器的体积很小、且可直接固定在电机上，极大程度上解放了服务型机器人的关节处的内部空间，使得服务型机器人关节处传动机构的角度反馈不受空间限制，从而解决了现有技术中服务型机器人的关节处体积臃肿的问题。
优选的，所述步进电机输出轴的一端连接主动轮，所述减速机的输入端连接从动轮，所述主动轮与从动轮之间通过皮带传动。作为本发明的另一个发明点，即是通过皮带传动方式实现步进电机与减速机的连接。现有的服务型机器人中，设计理念都是采用直接、简单的连接方式对传统机构进行连接，认为直接简单的连接方式才能最大程度上节约空间，因此现有技术中均采用电机和减速机直接钢性连接的方式进行传动。本申请的发明人认为，由于服务型机器人内部空间狭小，因此传统连接方式存在空间布局受限，动力要求较高等问题，而本优选方案中，通过皮带连接减速机与步进电机作为动力传递的第一级。相较于现有技术，具有以下优点：(1)皮带材质为尼龙线和橡胶复合而成，有很好的减震和缓冲功能，减轻了对齿轮的冲击，保证了齿轮的寿命；(2)皮带连接方式对于电机与减速机之间的安装间隙不敏感，不会因为安装间隙问题导致齿轮寿命下降和噪音的产生；(3)采用皮带传动后，可以使得电机与减速机轴线平行，因此电机与减速机之间不用再采取传统的直线排布的方式进行摆放，极大程度上节约了安装空间，布局更灵活；(4)电机与减速机为两个独立的模块，节约了加工与维修成本；(5)将皮带优选为同步皮带，还具有抗打滑、确保传动效率的优点。
进一步的，所述肘臂远离肘关节的一端连接手掌。使得服务型机器人的手臂更加接近人体结构。
优选的，所述手掌包括掌体，所述掌体上铰接五根手指，每根手指都由若干段指节组成，相邻两段指节之间由转轴连接，所述掌体内设置直线驱动装置，所述直线驱动装置的输出端分别通过五根牵引索连接至五根手指的外端，所述牵引索位于掌体内侧面。由于牵引索位于掌体内侧面，且牵引索的一端与直线驱动装置连接，一端与手指外端连接，因此启动直线驱动装置向着远离手指外端的方向运动，即能够通过牵引索将五根手指同时向内拉动，五根手指同时向掌心部位进行弯曲，实现抓、拿、握的动作，使得本发明的服务型机器人具有更加灵活的动作与执行能力，能够实现更多的功能。
优选的，每根手指还设置有一根橡皮筋，所述橡皮筋的一端固定在手指外端、另一端固定在手指根部的掌体上；所述橡皮筋位于掌体外侧面。手指向掌心部位进行弯曲时，位于掌体外侧面的橡皮筋被拉伸，便于在动作完成后通过橡皮筋的弹性复位能力实现各手指的快速复位。
关节处角度校正方法，包括以下步骤：
(a)使发生端角度传感器、执行端角度传感器同时工作；
(b)当执行端角度传感器检测到对应关节归零时，控制模块获取发生端角度传感器的检测数据：若发生端角度传感器所检测到的角度也处于零位，则不动作；若发生端角度传感器所检测到的角度不处于零位，则将发生端角度传感器当前角度标定为零位。
即是当执行端角度传感器检测到对应关节归零时，若发生端角度传感器所检测到的角度也处于零位，表面两个传感器的检测结果相同，无误差，因此无需进行动作。否则，则以执行端角度传感器为标准对发生端角度传感器重新进行零位标定，从而实现自动校正的功能。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、一种服务型机器人手臂结构，以发生端角度传感器所反馈的信号为工作过程中的控制与反馈依据，控制模块接收到用户指令后，控制步进电机进行动作，直到发生端角度传感器反馈的角度信号与用户指令一致后停下。当关节处复位时，则以执行端角度传感器所反馈的信号为依据进行零位校正，执行端角度传感器检测到关节彻底复位后，向控制模块发出信号，控制模块再控制发生端角度传感器以此时位置为零点进行零位校正。本发明使用过程中，手臂每次复位时都能够自动进行一次零位校正，从而解决了现有技术中服务型机器人手臂关节处无法自动校正零位的问题。
2、一种服务型机器人手臂结构，通过齿轮组进行同步动作，具有高精度、高稳定性的优点，同时使得整个发生端角度传感器的体积很小、且可直接固定在电机上，极大程度上解放了服务型机器人的关节处的内部空间，使得服务型机器人关节处传动机构的角度反馈不受空间限制，从而解决了现有技术中服务型机器人的关节处体积臃肿的问题。
3、一种服务型机器人手臂结构，通过皮带连接减速机与步进电机，相较于现有技术，具有以下优点：(1)皮带材质为尼龙线和橡胶复合而成，有很好的减震和缓冲功能，减轻了对齿轮的冲击，保证了齿轮的寿命；(2)皮带连接方式对于电机与减速机之间的安装间隙不敏感，不会因为安装间隙问题导致齿轮寿命下降和噪音的产生；(3)采用皮带传动后，可以使得电机与减速机轴线平行，因此电机与减速机之间不用再采取传统的直线排布的方式进行摆放，极大程度上节约了安装空间，布局更灵活；(4)电机与减速机为两个独立的模块，节约了加工与维修成本。
4、一种服务型机器人手臂结构，启动直线驱动装置向着远离手指外端的方向运动，即能够通过牵引索将五根手指同时向内拉动，五根手指同时向掌心部位进行弯曲，实现抓、拿、握的动作，使得本发明的服务型机器人具有更加灵活的动作与执行能力，能够实现更多的功能。
5、一种服务型机器人手臂结构，手指向掌心部位进行弯曲时，位于掌体外侧面的橡皮筋被拉伸，便于在动作完成后通过橡皮筋的弹性复位能力实现各手指的快速复位。
6、关节处角度校正方法，当执行端角度传感器检测到对应关节归零时，若发生端角度传感器所检测到的角度也处于零位，表面两个传感器的检测结果相同，无误差，因此无需进行动作。否则，则以执行端角度传感器为标准对发生端角度传感器重新进行零位标定，从而实现自动校正的功能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例1的结构示意图；
图2为本发明具体实施例1中步进电机与减速机的连接示意图；
图3为本发明具体实施例1中减速机构的爆炸图；
图4为本发明具体实施例1中手指的结构示意图；
图5为本发明具体实施例1中手指的侧视图；
图6为本发明具体实施例2中的流程示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-肩关节，2-肩臂，3-肘关节，4-肘臂，5-掌体，6-步进电机，7-减速机，8-角度检测装置，9-磁场发生器，10-霍尔传感器，11-动力输入齿轮，12-末级减速齿轮，13-主动轮，14-从动轮，15-皮带，16-直线驱动装置，17-牵引索，18-橡皮筋。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1至图5所示的一种服务型机器人手臂结构，包括依次连接的肩关节1、肩臂2、肘关节3、肘臂4，所述肩关节1、肘关节3均由步进电机6、减速机7驱动进行动作，所述步进电机6输出轴的一端连接减速机7，所述步进电机6输出轴的另一端连接角度检测装置8，所述角度检测装置8包括直接与步进电机6输出轴相连的减速机构、以及用于检测所述减速机构转动角度的发生端角度传感器，所述减速机构的减速比等于所述减速机7的减速比；还包括用于检测对应关节的旋转角度的执行端角度传感器；还包括控制模块，所述控制模块分别与发生端角度传感器、执行端角度传感器、步进电机6连接；当执行端角度传感器检测到对应关节归零时，执行端角度传感器向控制模块发出信号，控制模块控制发生端角度传感器进行零位校正。所述减速机构包括减速齿轮组、磁场发生器9，所述减速齿轮组的动力输入齿轮11与步进电机6的输出轴相连，磁场发生器9固定在减速齿轮组的末级减速齿轮12上；所述发生端角度传感器为正对磁场发生器9的霍尔传感器10。所述步进电机6输出轴的一端连接主动轮13，所述减速机7的输入端连接从动轮14，所述主动轮13与从动轮14之间通过皮带15传动。所述肘臂4远离肘关节3的一端连接手掌。所述手掌包括掌体5，所述掌体5上铰接五根手指，每根手指都由若干段指节组成，相邻两段指节之间由转轴连接，所述掌体5内设置直线驱动装置16，所述直线驱动装置16的输出端分别通过五根牵引索17连接至五根手指的外端，所述牵引索3位于掌体5内侧面。每根手指还设置有一根橡皮筋18，所述橡皮筋18的一端固定在手指外端、另一端固定在手指根部的掌体5上；所述橡皮筋18位于掌体5外侧面。以发生端角度传感器所反馈的信号为工作过程中的控制与反馈依据，控制模块接收到用户指令后，控制步进电机6进行动作，直到发生端角度传感器反馈的角度信号与用户指令一致后停下。当关节处复位时，则以执行端角度传感器所反馈的信号为依据进行零位校正，执行端角度传感器检测到关节彻底复位后，向控制模块发出信号，控制模块再控制发生端角度传感器以此时位置为零点进行零位校正。本发明使用过程中，各关节每次复位时都能够自动进行一次零位校正，从而解决了现有技术中服务型机器人手臂关节处无法自动校正零位的问题。通过齿轮组进行同步动作，具有高精度、高稳定性的优点，同时使得整个发生端角度传感器的体积很小、且可直接固定在电机上，极大程度上解放了服务型机器人的关节处的内部空间，使得服务型机器人关节处传动机构的角度反馈不受空间限制，从而解决了现有技术中服务型机器人的关节处体积臃肿的问题。启动直线驱动装置16向着远离手指外端的方向运动，即能够通过牵引索将五根手指同时向内拉动，五根手指同时向掌心部位进行弯曲，实现抓、拿、握的动作，使得本发明的服务型机器人具有更加灵活的动作与执行能力，能够实现更多的功能。位于掌体外侧面的橡皮筋18被拉伸，便于在动作完成后通过橡皮筋18的弹性复位能力实现各手指的快速复位。
实施例2：
如图6所示的关节处角度校正方法，包括以下步骤：(a)使发生端角度传感器、执行端角度传感器同时工作；(b)当执行端角度传感器检测到对应关节归零时，控制模块获取发生端角度传感器的检测数据：若发生端角度传感器所检测到的角度也处于零位，则不动作；若发生端角度传感器所检测到的角度不处于零位，则将发生端角度传感器当前角度标定为零位。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种服务型机器人手臂结构，包括依次连接的肩关节（1）、肩臂（2）、肘关节（3）、肘臂（4），所述肩关节（1）、肘关节（3）均由步进电机（6）、减速机（7）驱动进行动作，所述步进电机（6）输出轴的一端连接减速机（7），其特征在于，所述步进电机（6）输出轴的另一端连接角度检测装置（8），所述角度检测装置（8）包括直接与步进电机（6）输出轴相连的减速机构、以及用于检测所述减速机构转动角度的发生端角度传感器，所述减速机构的减速比等于所述减速机（7）的减速比；还包括用于检测对应关节的旋转角度的执行端角度传感器；还包括控制模块，所述控制模块分别与发生端角度传感器、执行端角度传感器、步进电机（6）连接；当执行端角度传感器检测到对应关节归零时，执行端角度传感器向控制模块发出信号，控制模块控制发生端角度传感器进行零位校正；
所述减速机构包括减速齿轮组、磁场发生器（9），所述减速齿轮组的动力输入齿轮（11）与步进电机（6）的输出轴相连，磁场发生器（9）固定在减速齿轮组的末级减速齿轮（12）上；所述发生端角度传感器为正对磁场发生器（9）的霍尔传感器（10）；
所述步进电机（6）输出轴的一端连接主动轮（13），所述减速机（7）的输入端连接从动轮（14），所述主动轮（13）与从动轮（14）之间通过皮带（15）传动。
2.根据权利要求1所述的一种服务型机器人手臂结构，其特征在于，所述肘臂（4）远离肘关节（3）的一端连接手掌。
3.根据权利要求2所述的一种服务型机器人手臂结构，其特征在于，所述手掌包括掌体（5），所述掌体（5）上铰接五根手指，每根手指都由若干段指节组成，相邻两段指节之间由转轴连接，所述掌体（5）内设置直线驱动装置（16），所述直线驱动装置（16）的输出端分别通过五根牵引索（17）连接至五根手指的外端，所述牵引索（17）位于掌体（5）内侧面。
4.根据权利要求3所述的一种服务型机器人手臂结构，其特征在于，每根手指还设置有一根橡皮筋（18），所述橡皮筋（18）的一端固定在手指外端、另一端固定在手指根部的掌体（5）上；所述橡皮筋（18）位于掌体（5）外侧面。
5.基于权利要求1至4中任意一项所述的服务型机器人手臂结构的关节处角度校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）使发生端角度传感器、执行端角度传感器同时工作；
（b）当执行端角度传感器检测到对应关节归零时，控制模块获取发生端角度传感器的检测数据：若发生端角度传感器所检测到的角度也处于零位，则不动作；若发生端角度传感器所检测到的角度不处于零位，则将发生端角度传感器当前角度标定为零位。
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