CN107511821B - 基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置及方法，包括关节驱动控制器、关节电流传感器模块、关节力矩传感器模块；关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。

Description

基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置及方法
技术领域
本发明属于机械臂柔顺力控制领域，涉及到一种机械臂关节作用力传感和控制装置。
背景技术
柔顺性控制分为被动柔顺和主动柔顺。被动柔顺主要是设计特殊的机构使机器人能够进行依从运动，不具有通用性。主动柔顺是机器人通过反馈信息处理控制机器人末端主动跟踪位置和力，具有一定的智能性。机器人主动柔顺控制是机器人控制技术中的难点，目前在实际应用中仅有少数的机器人在与环境接触中具有非常有限的主动柔顺能力。关节力矩传感器是机械臂柔性关节的重要传感元件。关节力矩传感器不仅为实现机械臂柔顺控制提供力感信息，而且可以用于关节的基于力矩反馈的位置控制。基于力矩反馈的位置控制系统对于提高低刚度的关节机器人的位置响应带宽和改善控制品质具有非常重要的作用。各国都对机器人力/力矩传感器进行了大量的研究，设计出了很多种结构形式的力矩传感器。
现有的关节力矩传感器主要通过多组应变片的成对组合构建半桥电路和惠更斯全桥电路，以达到提高测量精度并减小零漂和温漂的目的，但未涉及力矩传感器数据的有效性判定。而采用电流检测实现机械臂关节力矩控制，受到驱动电流噪声和跳变的影响，容易产生误判。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置，解决了机械臂在人机交互操作过程中受到外加作用力下机械臂关节主动力控的问题。
本发明的技术方案是：一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置，包括关节驱动控制器、关节电流传感器模块、关节力矩传感器模块；关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。
所述关节力矩传感器模块包括内环、外环、N个弹性梁和N组力矩传感器；弹性梁连接内环和外环，力矩传感器放置于弹性梁上，每个弹性梁对应一组力矩传感器；内环与本机械臂关节的关节电机输出轴固定，外环连接下一个机械臂关节；力矩传感器的导线通过位于内圆中心的中孔穿过结构件和关节输出轴接入关节驱动控制器；N为大于3的正整数。
所述力矩传感器由一对应变电阻对称分布在对应的弹性梁的两侧。
所述关节力矩传感器为三组，三组力矩传感器所在的弹性梁夹角成120°圆周分布。
所述内环、外环和N个弹性梁一体成型，材料选用铝合金。
一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制方法，步骤如下：
1)关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；
2)关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；
3)当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。
所述判断三相电流发生变化的判据是：变化量大于10％或者大于10mA。
关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用的具体过程为：读取N路力矩传感器的力矩数据，如果N路受力方向相同，且N路力矩传感器受力最大值与最小值之差小于最小值的一倍，则判定为受到外力作用。
计算获得计算机械臂关节的运动角度的具体过程为：读取关节电机驱动电路的功率电流增量百分比乘以360°。
本发明与现有技术相比的优点是：
1、采用电流和力矩双参数混合传感的方式进行机械臂关节力控，电流参数提供受力触发和控制参数计算，力矩参数实现受力有效性的判定。
2、采用三冗余力矩传感器进行关节受力的有效性判断，有效避免了关节轴受到非圆周力的干扰。
3、电流传感器采用三相电流和驱动电路功率电流的两项电流监测实现力控。在保证灵敏度的同时降低了电流噪声的干扰。
附图说明
图1为三冗余力矩传感器原理图，(a)为正视图，(b)为侧视图。
图2为关节力控流程图。
具体实施方式
本发明机械臂关节柔性控制装置，如图1所示，包括关节驱动控制器、关节电流传感器模块、关节力矩传感器模块；关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。
关节力矩传感器模块包括内环、外环、N个弹性梁和N组力矩传感器；弹性梁连接内环和外环，力矩传感器放置于弹性梁上，每个弹性梁对应一组力矩传感器；内环与本机械臂关节的关节电机输出轴固定，外环连接下一个机械臂关节；力矩传感器的导线通过位于内圆中心的中孔穿过结构件和关节输出轴接入关节驱动控制器；本实施例中关节力矩传感器为三组，三组力矩传感器所在的弹性梁夹角成120°圆周分布。力矩传感器由一对应变电阻对称分布在对应的弹性梁的两侧。内环、外环和3个弹性梁一体成型，材料选用铝合金。
本发明还涉及一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制方法，步骤如下：
1)关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；
2)关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；
3)当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。
关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，控制流程如图2所示。当三相电流发生变化时，如果变化量大于10％或者大于10mA，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据。
关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用的具体过程为：读取3路力矩传感器的力矩数据，如果3路受力方向相同，且3路力矩传感器受力最大值与最小值之差小于最小值的一倍，则判定为受到外力作用。
计算获得计算机械臂关节的运动角度的具体过程为：读取关节电机驱动电路的功率电流增量百分比乘以360°。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置，其特征在于：包括关节驱动控制器、关节电流传感器模块、关节力矩传感器模块；关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置，其特征在于：所述关节力矩传感器模块包括内环、外环、N个弹性梁和N组力矩传感器；弹性梁连接内环和外环，力矩传感器放置于弹性梁上，每个弹性梁对应一组力矩传感器；内环与本机械臂关节的关节电机输出轴固定，外环连接下一个机械臂关节；力矩传感器的导线通过位于内环中心的中孔穿过结构件和关节输出轴接入关节驱动控制器；N为大于等于3的正整数。
3.根据权利要求2所述的一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置，其特征在于：所述力矩传感器由一对应变电阻对称分布在对应的弹性梁的两侧。
4.根据权利要求2所述的一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置，其特征在于：所述力矩传感器为三组，三组力矩传感器所在的弹性梁夹角成120°圆周分布。
5.根据权利要求2-4任一所述的一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置，其特征在于：所述内环、外环和N个弹性梁一体成型，材料选用铝合金。
6.一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制方法，其特征在于步骤如下：
1)关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；
2)关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；
3)当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。
7.根据权利要求6所述的一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制方法，其特征在于：所述判断三相电流发生变化的判据是：变化量大于10％或者大于10mA。
8.根据权利要求6所述的一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制方法，其特征在于：关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用的具体过程为：读取N路力矩传感器的力矩数据，如果N路受力方向相同，且N路力矩传感器受力最大值与最小值之差小于最小值的一倍，则判定为受到外力作用。
9.根据权利要求6-8任一所述的一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制方法，其特征在于：计算获得计算机械臂关节的运动角度的具体过程为：读取关节电机驱动电路的功率电流增量百分比乘以360°。
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