CN107538486A - 一种关节力控制平台装置、方法及相关装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械领域，具体公开了一种关节力控制平台装置，包括安装座、位于安装座上的动力单元、与动力单元的输出端连接的连杆、位于动力单元和连杆之间用于测量动力单元的输出端扭矩的关节扭矩传感器以及用于根据关节扭矩传感器的检测信息控制动力装置工作的控制单元，用于在关节扭矩传感器检测信息超过预设阈值时控制动力单元执行相应操作。本发明关节扭矩传感器直接连接连杆，能够及时准确地检测机器人负载在各个角度的受力情况，实现机器人的避碰功能，最终实现人机协作。同时，本发明还提供了一种关节力控制方法和机械手。

Description

一种关节力控制平台装置、方法及相关装置

技术领域

本发明涉及机械领域，特别涉及一种关节力控制平台装置、方法及相关装置。

背景技术

工业机器人已被大量的应用在搬运、装配、打磨等生产制造领域，他们的普遍特征是体型庞大，工作模式重复单一，且具有能耗高、不易安装等缺点。并且传统的工业机器人技术已经相对成熟，应用相对固定，只能在围栏里做一些重复性的工作，无法与人类进一步的接触。随着科技的进步和社会的发展，机器人与人类已无法避免拥有共同的工作空间，甚至与人类协同工作，完成复杂度更高的应用作业。机器人与人类协同的过程中，如果发生碰撞，首要的工作就是保证人类用户的安全，即任何情况下人类都不应该受到伤害。因此下一代机器人的研究核心是机器人与人类协同工作以及与其相关的碰撞保护方法，其本质就是机器人的力控制这一经典问题。

目前机器人的力控制大部分采用在机器人末端安装六维力传感器的方式获得的，这种控制方式实现简单，但是六维力传感器往往价格昂贵，限制了应用的推广。另一方面，六维力传感器安装在机器人的末端，这也就决定了，这种机器人只能实现机器人末端的力控制。即在机器人的每个关节处，机器人不能够实现机器人的力控制。更通俗来讲，当安装有六维力传感器的机器人和人们发生碰撞时，只有机器人的末端和人类发生了碰撞，机器人才能够停下来。而安装有关节扭矩传感器的机器人无论哪个关节部位和人类发生碰撞之后，都能使机器人及时的停下来。因此采用关节力矩传感器的力控制方式，成为近年来研究的热点。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种关节力控制平台装置、方法及相关装置。

本发明的第一个目的是一种关节力控制平台装置，所述装置包括安装座、位于所述安装座上的动力单元、与所述动力单元的输出端连接的连杆、位于所述动力单元和所述连杆之间用于测量所述动力单元的输出端扭矩的关节扭矩传感器以及用于根据所述关节扭矩传感器的检测信息控制所述动力单元工作的控制单元，所述控制单元在所述关节扭矩传感器检测信息超过预设阈值时控制所述动力单元执行相应操作。

可选地，所述动力单元包括伺服电机、用于将所述伺服电机的动力进行调配输出的减速机、用于所述减速机刹车的抱闸、用于计算所述伺服电机转速的编码器、用于驱动所述伺服电机的驱动器，所述动力单元的输出端为所述减速机的输出端。

可选地，所述安装座包括水平设置的基座以及垂直设置于所述基座上的支撑架，所述动力单元位于所述支撑架的顶端，所述伺服电机的转轴与水平方向平行。

可选地，所述支撑架和所述基座之间还设有加强筋，所述加强筋与所述基座、所述支撑架构成直角三角形。

可选地，所述支撑架上沿竖直方向间隔设有多个减重孔。

本发明的第二个目的是一种关节力控制方法，用于关节力控制平台装置，所述关节力控制平台装置包括安装座、动力单元、连杆、关节扭矩传感器以及控制单元，所述方法包括：

所述关节扭矩传感器实时检测所述连杆收到的扭矩值并将所述扭矩值传输至所述控制单元；

所述控制单元获取所述动力单元的输出扭矩；

所述控制单元判断所述输出扭矩与所述扭矩值之间的扭矩变化量是否超过预设阈值；

若是，则所述控制单元将控制所述动力单元执行相应操作。

可选地，所述控制单元将控制所述动力单元执行相应操作，包括：

所述控制单元将控制所述动力单元停止动力输出，以使得所述连杆停止移动。

可选地，所述控制单元将控制所述动力单元执行相应操作，包括：

所述控制单元根据所述扭矩变化量产生扭矩修正量，并根据所述扭矩修正量控制所述动力单元进行减速，以使得所述连杆的力矩降低。

本发明的第三个目的是提供一种机械手，所述机械手具有上述的关节力控制平台装置。

本发明的关节力控制平台装置中扭矩传感器安装在动力单元的输出端，另一端连接连杆。通过关节扭矩传感器直接连接连杆，能够及时准确地检测机器人负载在各个角度的受力情况，不会因为减速机的柔性和减速比，而导致检测存在大的偏差。

当单自由度机器人带动连杆转动的过程中，关节扭矩传感器实时监测关节的输出力矩情况。当机器人与障碍物发生碰撞之后，扭矩传感器检测到的力矩会变大，然后机器人及时执行响应的指令，机器人的速度减慢或者是机器人停止运动，避免人类产生伤害，实现机器人的避碰功能，最终实现人机协作。

附图说明

图1是本发明的关节力控制平台装置的一种实施例的结构图；

图2-a是本发明的关节力控制方法的一种实施例的流程图；

图2-b是本发明的关节力控制方法的一种实施例的控制图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，本发明提供了关节力控制平台装置的一种实施例，所述装置包括安装座、位于所述安装座上的动力单元2、与所述动力单元2的输出端连接的连杆3、位于所述动力单元2和所述连杆3之间用于测量所述动力单元2的输出端扭矩的关节扭矩传感器4以及用于根据所述关节扭矩传感器4的检测信息控制所述动力单元工作的控制单元(图中未示出)，所述用于在所述关节扭矩传感器4检测信息超过预设阈值时控制所述动力单元2执行相应操作，相应操作可以是动力单元2减速或者停止动力输出，这样可以进一步避免在碰撞时造成的破坏程度。

对于控制单元可以集成在动力单元2中，也可以单独进行设置，此处不进行限定。

可选地，动力单元2作为用来实现连杆3装置实现动作的动力来源，对于动力单元2的结构可以包括伺服电机、用于将所述伺服电机的动力进行调配输出的减速机、用于所述减速机刹车的抱闸、用于计算所述伺服电机转速的编码器、用于驱动所述伺服电机的驱动器，所述动力单元2的输出端为所述减速机的输出端，可以满足实现连杆3动作即可，此处不进行限定。

因为关节扭矩传感器4直接连接连杆3，能够及时准确地检测连杆3在各个时刻的受力情况，不会因为减速机的柔性和减速比，而导致检测存在大的偏差。

可选地，所述安装座包括水平设置的基座1以及垂直设置于所述基座上的支撑架5，所述动力单元2位于所述支撑架5的顶端，所述伺服电机的转轴与水平方向平行，这里对于伺服电机的转轴方向也可以采用其他角度，对此不做限定。

可选地，所述支撑架5和所述基座1之间还设有加强筋6，所述加强筋5与所述基座1、所述支撑架5构成直角三角形，当为了增前机械强度还可以见支撑架5的横截面设计为“工”字型，对于增强机械强度还可以采用其他手段，本领域普通技术人员可以灵活选用，对此不做限定。

可选地，所述支撑架上沿竖直方向间隔设有多个减重孔7，减重孔7可以为腰型孔，对于减轻装置的重量还可以通过使用轻质金属材料，例如采用铝合金或者钛合金材料代替，对此不进行限定。

本发明的关节力控制平台装置中扭矩传感器安装在动力单元的输出端，另一端连接连杆。因为关节扭矩传感器直接连接连杆，能够及时准确地检测机器人负载在各个角度的受力情况，不会因为减速机的柔性和减速比，而导致检测存在大的偏差。当单自由度机器人带动连杆转动的过程中，关节扭矩传感器实时监测关节的输出力矩情况。当机器人与障碍物发生碰撞之后，扭矩传感器检测到的力矩会变大，然后机器人及时执行响应的指令，机器人的速度减慢或者是机器人停止运动，避免人类产生伤害，实现机器人的避碰功能，最终实现人机协作。

结合图2-a所示，本发明提供了一种关节力控制方法，用于关节力控制平台装置，所述关节力控制平台装置包括安装座、动力单元2、连杆3、关节扭矩传感器4以及控制单元，所述方法的一种实施例包括：

S201、所述关节扭矩传感器实时检测所述连杆收到的扭矩值并将所述扭矩值传输至所述控制单元。

因为关节扭矩传感器直接连接连杆，能够及时准确地检测机器人连杆在各个时刻的受力情况，不会因为减速机的柔性和减速比，而导致检测存在大的偏差。

S202、所述控制单元获取所述动力单元的输出扭矩。

动力单元根据控制单元的控制信息进行动力输出，因此，控制单元可以获取到动力单元的输出扭矩。

S203、所述控制单元判断所述输出扭矩与所述扭矩值之间的扭矩变化量是否超过预设阈值。

对于预设阈值的范围可以根据需要进行设置，防止误判即可，具体不做限定。

S204、若是，则所述控制单元将控制所述动力单元执行相应操作。

对于出现扭矩变化量超过预设阈值时进行的相应操作可以包括如下两种情况：

1、所述控制单元将控制所述动力单元停止动力输出，以使得所述连杆停止移动。

2、所述控制单元根据所述扭矩变化量产生扭矩修正量，并根据所述扭矩修正量控制所述动力单元进行减速，以使得所述连杆的力矩降低。

需要说明的是，对于上述两种操作可以灵活选用，不进行限定。

结合图2-b所述，可以发现当连杆与环境或者人发生碰撞之后，安装在机器人关节输出端的关节扭矩传感器及时检测到这一碰撞力矩，产生力矩修订量Δτ，通过判断Δτ的变化可以判断碰撞的发生。同时，当人与机器人协同作业时，人多机器人施加的外作用力也引起Δτ的变化，将Δτ施加到机器人控制器后，使机器人的各个关节产生动作，可以实现人机协作的功能。

单关节力控制平台装置，包括有一个关节、一个关节扭矩传感器、一个连杆以及底座。模块化关节、关节扭矩传感器、连杆以及底座共同组成一个模块化的单关节力控制平台，该关节内部集成电机、减速机、抱闸、编码器、驱动器、控制器等。扭矩传感器安装在关节输出端即减速机的输出端，另一端连接连杆，能够很好地实现机器人的人机协作和碰撞保护。

本关节力控制平台装置可以模拟机器人作业过程中，当与周围环境(人)发生接触碰撞时，保证人类不受到损伤。扭矩传感器安装在关节输出端即减速机的输出端，另一端连接机器人的连杆。因为关节扭矩传感器直接连接机器人的连杆，因此这种结构首先能够及时准确地检测机器人负载在各个角度的受力情况，不会因为减速机的柔性和减速比，而导致检测存在大的偏差。因此当单自由度机器人带动连杆转动的过程中，关节扭矩传感器实时监测关节的输出力矩情况。当机器人与障碍物发生碰撞之后，扭矩传感器检测到的力矩会变大，然后机器人及时执行响应的指令，机器人的速度减慢或者是机器人停止运动，避免人类产生伤害，实现机器人的避碰功能，最终实现人机协作。

本发明提供了一种机械手，所述机械手具有上述的关节力控制平台装置，通过多个单关节力控制平台装置可以组成具有整体力控制功能的多关节机器人。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种关节力控制平台装置、方法及相关装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种关节力控制平台装置，其特征在于，所述关节力控制平台装置包括安装座、位于所述安装座上的动力单元、与所述动力单元的输出端连接的连杆、位于所述动力单元和所述连杆之间用于测量所述动力单元输出端扭矩的关节扭矩传感器以及用于根据所述关节扭矩传感器的检测信息控制所述动力单元工作的控制单元，所述控制单元在所述关节扭矩传感器检测信息超过预设阈值时控制所述动力单元执行相应操作。

2.根据权利要求1所述的关节力控制平台装置，其特征在于，所述动力单元包括伺服电机、用于将所述伺服电机的动力进行调配输出的减速机、用于所述减速机刹车的抱闸、用于计算所述伺服电机转速的编码器、用于驱动所述伺服电机的驱动器，所述动力单元的输出端为所述减速机的输出端。

3.根据权利要求2所述的关节力控制平台装置，其特征在于，所述安装座包括水平设置的基座以及垂直设置于所述基座上的支撑架，所述动力单元位于所述支撑架的顶端，所述伺服电机的转轴与水平方向平行。

4.根据权利要求3所述的关节力控制平台装置，其特征在于，所述支撑架和所述基座之间还设有加强筋，所述加强筋与所述基座、所述支撑架构成直角三角形。

5.根据权利要求3所述的关节力控制平台装置，其特征在于，所述支撑架上沿竖直方向间隔设有多个减重孔。

6.一种关节力控制方法，用于关节力控制平台装置，其特征在于，所述关节力控制平台装置包括安装座、动力单元、连杆、关节扭矩传感器以及控制单元，所述方法包括：

所述关节扭矩传感器实时检测所述连杆收到的扭矩值并将所述扭矩值传输至所述控制单元；

所述控制单元获取所述动力单元的输出扭矩；

所述控制单元判断所述输出扭矩与所述扭矩值之间的扭矩变化量是否超过预设阈值；

若是，则所述控制单元将控制所述动力单元执行相应操作。

7.根据权利要求6所述的关节力控制方法，其特征在于，所述控制单元将控制所述动力单元执行相应操作，包括：

所述控制单元将控制所述动力单元停止动力输出，以使得所述连杆停止移动。

8.根据权利要求6所述的关节力控制方法，其特征在于，所述控制单元将控制所述动力单元执行相应操作，包括：

所述控制单元根据所述扭矩变化量产生扭矩修正量，并根据所述扭矩修正量控制所述动力单元进行减速，以使得所述连杆的力矩降低。

9.一种机械手，其特征在于，所述机械手具有至少一个如权利要求1至5所述的关节力控制平台装置。