CN107598968A - 一种服务型机器人末端执行器的力反馈系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于服务型机器人和人工智能领域，特别是涉及一种服务型机器人末端执行器的力反馈系统及实现方法。一种服务型机器人末端执行器的力反馈系统，包含供电模块、主控模块、驱动模块、电机模块和检测模块。一种服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，包含如下步骤：1，驱动模块检测外部环境力，判断是否达到阈值；2，如达到阈值，则驱动模块给主控模块返回故障信号；3，主控模块释放驱动模块的控制权；4，电机模块设置为无控制状态，即时响应外部环境力的作用；5，当外部环境力消失后，主控模块根据检测模块实时记录的位置信息，重新获取对驱动模块的控制权；6，主控模块命令末端执行器回复到受到外部环境力之前的工作状态。

Description

一种服务型机器人末端执行器的力反馈系统及实现方法

技术领域

本发明属于服务型机器人和人工智能领域，特别是涉及一种服务型机器人末端执行器的力反馈系统及实现方法。

背景技术

随着机器人技术的飞速发展，其应用领域日益扩大。作为机器人与环境相互作用的执行部件，末端执行器对机器人智能化水平和作业水平的提高具有十分重要的作用。在机器人作业的过程中，有时候会受到外部环境力的作用，在服务型机器人的手臂（末端执行器）上尤为常见。现有的处理方式有两种：一种是受到外部环境力的情况下，驱动输出反向力抵消外部环境力，以保持机器人手臂处于原来位置。一种是受到外部环境力的情况下，机器人手臂随力改变位置。第一种方式在受到较小环境力的情况下能很好的保持机器人手臂工作状态，但在环境力较大的情况下，极易造成机器人手臂受损，电机烧坏等问题。第二种方式在受到环境力的情况下能较好的保护机器人手臂，防止出现手臂损坏问题发生，但当环境力消失后，却无法恢复受到环境力之前的位置。结合两种处理方式出现了机器人手臂力反馈处理的系统，包括在结构上进行自恢复和软件上进行自恢复等方式。

现行的机器人手臂（末端执行器）力反馈处理系统主要有两种方式：1、结构方式，通过两级传动以及限位开关等机构进行控制。此种方式使用复杂的机构实现自恢复，机构复杂且体积大，在多使用在工业机器人等大型设备上，在类人型的服务型机器人上并不方便。2、软件方式，通过电流传感器和位置传感器检测环境力，通过上层软件进行算法处理，实现自恢复。由于软件实现需要通过电流传感器和位置传感器等传感器进行检测，再进行软件处理而实现，其时效型较低，在机器人上表现为反应滞后。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中机器人末端执行器力反馈系统结构复杂、体积庞大，或不得不使用上层软件进行算法处理，使末端执行器的力反馈动作时效性低，动作反应滞后的缺陷，通过驱动芯片和机器人手臂直接控制的方式实现力反馈，使本发明具备如下优势：

本设计通过驱动芯片和机器人手臂直接控制的方式实现力反馈。结构上不需要另外设计自恢复的机构，简化了结构。由于使用驱动芯片直接控制，不需经过上位软件算法控制，简化了控制流程，力反馈的实时响应更高。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种服务型机器人末端执行器的力反馈系统，包含供电模块、主控模块、驱动模块、电机模块和检测模块。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其主控模块采用MCU（微控制单元），MCU主控模块主要用于三个方面的逻辑处理：一方面控制驱动芯片进行工作，第二方面存储检测模块反馈的位置信息，第三方面接收驱动芯片故障反馈，即外力反馈信息。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其驱动模块包括四个部分：一是用于驱动电机工作的处理部分，二是用于反馈故障信号的反馈机制，三是用于配置电流检测阈值的电流配置部分，四是用于配置过流检测时间阈值的时间配置部分。

所述的电流配置部分和时间配置部分，通过硬件配置电流阈值和时间阈值，过滤掉部分因为误触碰引起的力反馈，以保证只有受到一定时间和一定力量的外部环境力才会进行力反馈处理。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其检测模块主要用于力反馈系统的自回复机制，使电机运动的所有过程都被检测模块记录，使得机器人末端执行器如人的手臂一样具有记忆性，当力反馈结束后能自动回复到收到外部环境力以前的状态。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其主控模块的控制权对驱动模块的故障信号进行实时反馈，使驱动模块发出的故障信号得到即时处理。

一种服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，包含如下步骤：

1，驱动模块检测外部环境力，判断是否达到阈值；

2，如达到阈值，则驱动模块给主控模块返回故障信号；

3，主控模块释放驱动模块的控制权；

4，电机模块设置为无控制状态，即时响应外部环境力的作用；

5，当外部环境力消失后，主控模块根据检测模块实时记录的位置信息，重新获取对驱动模块的控制权；

6，主控模块命令末端执行器回复到受到外部环境力之前的工作状态。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，驱动模块的检测通过硬件配置驱动模块的时间和电流阈值进行分级处理，而不是通过电流传感器进行过流检测。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，检测模块不止记录外部环境力消失时的位置信息，而是记录电机在主控模块释放控制权后，电机在随外部环境力运动过程中的所有位置信息，从而保证位置信息的准确性和在环境多变时力反馈处理的及时性。

综上所述，本发明克服了现有技术中机器人末端执行器力反馈系统结构复杂、体积庞大，或不得不使用上层软件进行算法处理，使末端执行器的力反馈动作时效性低，动作反应滞后的缺陷，通过驱动芯片和机器人手臂直接控制的方式实现力反馈。本发明通过驱动芯片和机器人手臂直接控制的方式实现力反馈。结构上不需要另外设计自恢复的机构，简化了结构。由于使用驱动芯片直接控制，不需经过上位软件算法控制，简化了控制流程，力反馈的实时响应更高。

前面所述的为本申请的概述，因此必然有简化、概括和细节省略的情况；本领域的技术人员应该认识到，概述部分仅是对本申请的说明，而不应看作是对本申请的任何限定。本说明书中描述的装置和/或方法和/或其他主题的其他方面、特征和优点将会由于本说明书的阐述而变得清晰。概述部分是用来以一种简化的方式导入多个将在以下具体实施方式部分进一步描述的概念。本概述部分既非用于确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也非用来作为确定所要求保护主题的范围的辅助手段。

附图说明

通过下面说明书和所附的权利要求书并与附图结合，就会更加充分地清楚理解本申请的上述和其他特征。应当理解，这些附图仅是对本申请若干实施方式的描述，不应认为是对本申请范围的限定，通过附图，本申请内容将会得到更加明确和详细地说明。

图1是机器人末端执行器力反馈硬件系统结构图。

图2是力反馈系统驱动模块运行流程示意图。

图3是力反馈系统实现方法流程图。

具体实施方式

在下面的具体实施方式部分中，结合作为说明书一部分的附图进行说明。在附图中，相同/类似的标记通常表示相同/类似的部件，除非说明书中另有说明。具体实施方式、附图和权利要求书中描述的用来举例说明的实施方式不应认为是对本申请的限定。在不偏离本申请表述的主题的精神或范围的情况下，可以采用本申请的其他实施方式，并且可以对本申请做出其他变化。应该很容易理解，可以对本说明书中一般性描述的、附图中图解说明的本申请的各个方面进行各种不同构成的配置、替换、组合，设计，而所有这些改变都显然在预料之中，并构成本申请的一部分。

参考图1，一种服务型机器人末端执行器的力反馈系统，包含供电模块、主控模块、驱动模块、电机模块和检测模块。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其主控模块采用MCU（微控制单元），MCU主控模块主要用于三个方面的逻辑处理：一方面控制驱动芯片进行工作，第二方面存储检测模块反馈的位置信息，第三方面接收驱动芯片故障反馈，即外力反馈信息。

所述的电流配置部分和时间配置部分，通过硬件配置电流阈值和时间阈值，过滤掉部分因为误触碰引起的力反馈，以保证只有受到一定时间和一定力量的外部环境力才会进行力反馈处理。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其检测模块主要用于力反馈系统的自回复机制，使电机运动的所有过程都被检测模块记录，使得机器人末端执行器如人的手臂一样具有记忆性，当力反馈结束后能自动回复到收到外部环境力以前的状态。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其主控模块的控制权对驱动模块的故障信号进行实时反馈，使驱动模块发出的故障信号得到即时处理。

参考图2和图3，所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其驱动模块包括四个部分：一是用于驱动电机工作的处理部分，二是用于反馈故障信号的反馈机制，三是用于配置电流检测阈值的电流配置部分，四是用于配置过流检测时间阈值的时间配置部分。

一种服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，包含如下步骤：

1，驱动模块检测外部环境力，判断是否达到阈值；

2，如达到阈值，则驱动模块给主控模块返回故障信号；

3，主控模块释放驱动模块的控制权；

4，电机模块设置为无控制状态，即时响应外部环境力的作用；

5，当外部环境力消失后，主控模块根据检测模块实时记录的位置信息，重新获取对驱动模块的控制权；

6，主控模块命令末端执行器回复到受到外部环境力之前的工作状态。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，驱动模块的检测通过硬件配置驱动模块的时间和电流阈值进行分级处理，而不是通过电流传感器进行过流检测。

所述的服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，检测模块不止记录外部环境力消失时的位置信息，而是记录电机在主控模块释放控制权后，电机在随外部环境力运动过程中的所有位置信息，从而保证位置信息的准确性和在环境多变时力反馈处理的及时性。

实施例1:

步骤1，机器人手臂伸出，做握手动作，正常闭环控制。

步骤2，人使用大力伸手与其握手，电机过流，驱动芯片发送过流故障信号。

步骤3，主控放弃控制，机器人手臂随人手进行摆动。

步骤4，人收回手，机器人手臂失去外部环境力，进行状态恢复驱动控制，回到握手动作状态。

步骤5，机器人手臂收回，呈垂放状态，控制结束。

本次实验结果：在机器人手臂位置不为初始状态，速度为零，即静止状态下，受到外部环境力能快速实现力反馈和状态恢复，使整个握手的过程反应迅速，且更拟人化。

实施例2：

步骤1，机器人手臂通过正常闭环控制，进行抓取物体动作。

步骤2，因物体还未放置好，人手挡住机器人手臂，阻止进行抓取作业，电机过流，驱动芯片发送过流故障信号。

步骤3，主控放弃控制，机器人手臂随人手进行转动。

步骤4，物体放置结束，人手不再用力。机器人手臂进行状态恢复驱动控制，继续进行抓取动作。

步骤5，机器人手臂进行抓取后的后续工作。

本次实验结果：在机器人手臂位置不为初始状态，速度也不为零，即工作状态下，受到外部环境力后能及时响应力反馈，环境力消失后能继续完成工作。

综上所述，本发明克服了现有技术中机器人末端执行器力反馈系统结构复杂、体积庞大，或不得不使用上层软件进行算法处理，使末端执行器的力反馈动作时效性低，动作反应滞后的缺陷，通过驱动芯片和机器人手臂直接控制的方式实现力反馈。本发明通过驱动芯片和机器人手臂直接控制的方式实现力反馈。结构上不需要另外设计自恢复的机构，简化了结构。由于使用驱动芯片直接控制，不需经过上位软件算法控制，简化了控制流程，力反馈的实时响应更高。

从系统角度来说，硬件执行和软件执行之间区别不大；采用硬件或者软件通常(但并非总是，在一些情况下，在硬件和软件之间进行选择会很重要)是反映成本/效率权衡的设计选择。通过其实现本说明书中描述的方法和/或系统和/或其他技术的工具(例如硬件、软件、和/或固件)有许多，并且，根据方法和/或系统和/或其他技术所处环境不同，所选择的工具也可以不同。例如，如果实施者判定速度和准确性至关重要，则该实施者会选择以硬件和/或固件的工具为主；如果灵活性至关重要，则实施者可能选择以软件执行为主；实施者也可选择硬件、软件和/或固件的某些组合。

前述已通过框图、流程图和/或实施例子进行了详细描述，阐明了本申请装置和/或方法的不同实施方式。当这些框图、流程图和/或实施例包含一个或多个功能和/或操作时，本领域的技术人员会明白，这些框图、流程图和/或实施例中的各功能和/或操作可以通过各种硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合而单独地和/或共同地实施。在一种实施方式中，本说明书中描述的主题的几个部分可通过特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或其他集成形式实现。然而，本领域的技术人员会认识到，本说明书中描述的实施方式的一些方面能够全部或部分地在集成电路中以在一个或多个计算机上运行的一个或多个计算机程序的形式(例如，以在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个计算机程序的形式)、以在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序的形式(例如，以在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序的形式)、以固件的形式、或以实质上它们的任意组合的形式等效地实施，并且，根据本说明书中公开的内容，设计用于本申请的电路和/或写用于本申请的软件和/或固件的代码完全是在本领域技术人员的能力范围之内。另外，本领域的技术人员会认识到，无论用来实际进行分发的信号承载介质的类型是什么，本说明书中描述的主题的机制能够以各种形式作为程序产品分发，并且，本说明书中描述的主题的示例性实施方式均适用。例如，信号承载介质包括但不限于下列：可记录型介质，如软盘、硬盘、致密盘(CD)、数字视频光盘数字多功能盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；传输型介质，如数字和/或模拟通讯介质(例如光缆、波导、有线通讯链路、无线通讯链路等)。

本领域的技术人员会认识到，以本说明书中说明的方式描述装置和/或方法，然后进行工程实践以将所描述的装置和/或方法集成到数据处理系统中，在本领域里是很常见的。也就是说，本说明书中描述的装置和/或方法中的至少一部分，可通过合理数量的实验集成到数据处理系统中。本领域技术人员会认识到，典型的数据处理系统通常包括下列中的一个或多个：系统单元壳体、视频显示设备、诸如易失性和非易失性存储器之类的存储器、诸如微处理器和数字信号处理器之类的处理器、诸如操作系统、驱动程序器、图形用户界面及应用程序之类的计算实体、一个或多个诸如触摸板或触摸屏之类的交互装置、和/或包括反馈回路和控制马达在内的控制系统(如检测位置和/或速度的反馈；用于移动和/或调节部件和/或大小的控制马达)。典型的数据处理系统可以采用任何合适的、能够通过商业方法得到的部件(如数据计算/通讯和/或网络计算/通讯系统中通常会有的那些部件)来实现。

本说明书中描述的主题内容有时会举例说明这样的不同部件，这些部件被包含于或连接于不同的其他部件。应当理解，所描述的这些结构仅仅是示例性的，实际上，也可以用许多其他结构来实现同一功能。从概念上来讲，用于实现同一功能的任何配置的部件都被有效地“关联”以获得所需功能。因此，本说明书中被组合在一起以实现特定功能的任何两个部件可视为相互“关联”以获得所需功能，而不论其结构或可能中间部件如何。同样地，如此关联的任何二个部件也可视为相互“可操作地连接”，亦即“可操作地耦合”以实现所需功能，能够被如此连接的任何两个部件也可视为相互“能够可操作地耦合”以实现所需功能。能够可操作地耦合的具体例子包括但不限于：物理上可耦合的和/或物理上互相作用的部件和/或可无线互相作用的和/或无线互相作用的部件和/或逻辑上互相作用和/或逻辑上可互相作用的部件。

对于本说明书中所用的基本上任何复数和/或单数术语，本领域的技术人员可以将复数解释为单数和/或将单数解释为复数，只要这样做从上下文和/或应用上看是合适的即可。为了清楚起见，在本说明书中可能将各种单数/复数组合明确地表述出来。

本领域技术人员应该明白，一般来说，本申请中，尤其是所附权利要求书(例如，所附权利要求书的正文)中所用的术语通常是“开放式”术语(例如，“包括”一词应该解释为“包括但不限于”，“具有”一词应该解释为“至少具有”，等等)。本领域技术人员还应该明白，如果意图是特定数目的所引入的权利要求限定，那么这种意图会在权利要求中明确地表述出来，如果没有这种表述，则不存在这种意图。例如，为了便于理解，下面所附的权利要求书中可使用引导性短语“至少一项”及“一项或多项”来引入权利要求限定。然而，不应将使用这种引导性短语解释成暗示通过术语“一”引入的权利要求限定，将包含这样引入的权利要求限定的任何特定权利要求限定为仅包含一项这种限定的申请，即使同一权利要求包含引导性短语“一项或多项”或“至少一项”以及诸如“一”之列的术语(例如，“一”通常应该解释成这意味着“至少一项”或“一项或多项”)；这同样适用于使用“所述”、“该”来引述权利要求限定的情况。此外，即使明确表述了特定数目的所引入的权利要求限定，本领域技术人员也应该认识到，这种表述应该解释成表示至少是所表述的数目(例如，只说“两项限定”，而没有其它修饰语，通常是指至少两项限定，亦即两项或更多项限定)。此外，在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的习惯性表述的情况下，通常其要表达的意思就是本领域技术人员会就该惯用表述所理解的那样(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于仅具有A的系统、仅具有B的系统、仅具有C的系统、具有A和B的系统、具有A和C的系统、具有B和C的系统和/或具有A、B和C的系统，等等)。本领域技术人员还会明白，实际上任何能够提供两个或更多选项的选言词和/或短语，无论是在说明书中、权利要求书中还是在附图中，都应该理解为其考虑了包括所述选项中的一个、所述选项中的任一个、或全部二个选项的所有可能性。例如，短语“A或B”应该理解成包括“A”或“B”或者“A和B”的可能性。

本申请中公开了本申请的多个方面和实施方式，本领域的技术人员会明白本申请的其它方面和实施方式。本申请中公开的多个方面和实施方式只是用于举例说明，并非是对本申请的限定，本申请的真正保护范围和精神应当以下面的权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种服务型机器人末端执行器的力反馈系统，包含供电模块、主控模块、驱动模块、电机模块和检测模块。

2.如权利要求1所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其主控模块采用MCU（微控制单元），MCU主控模块主要用于三个方面的逻辑处理：一方面控制驱动芯片进行工作，第二方面存储检测模块反馈的位置信息，第三方面接收驱动芯片故障反馈，即外力反馈信息。

3.如权利要求1所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其驱动模块包括四个部分：一是用于驱动电机工作的处理部分，二是用于反馈故障信号的反馈机制，三是用于配置电流检测阈值的电流配置部分，四是用于配置过流检测时间阈值的时间配置部分。

4.如权利要求3所述的电流配置部分和时间配置部分，通过硬件配置电流阈值和时间阈值，过滤掉部分因为误触碰引起的力反馈，以保证只有受到一定时间和一定力量的外部环境力才会进行力反馈处理。

5.如权利要求1所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其检测模块主要用于力反馈系统的自回复机制，使电机运动的所有过程都被检测模块记录，使得机器人末端执行器如人的手臂一样具有记忆性，当力反馈结束后能自动回复到收到外部环境力以前的状态。

6.如权利要求1所述的服务型机器人末端执行器的力反馈系统，其主控模块的控制权对驱动模块的故障信号进行实时反馈，使驱动模块发出的故障信号得到即时处理。

7.一种服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，包含如下步骤：

第一步，驱动模块检测外部环境力，判断是否达到阈值；

第二步，如达到阈值，则驱动模块给主控模块返回故障信号；

第三步，主控模块释放驱动模块的控制权；

第四步，电机模块设置为无控制状态，即时响应外部环境力的作用；

第五步，当外部环境力消失后，主控模块根据检测模块实时记录的位置信息，重新获取对驱动模块的控制权；

第六步，主控模块命令末端执行器回复到受到外部环境力之前的工作状态。

8.如权利要求7所述的服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，驱动模块的检测通过硬件配置驱动模块的时间和电流阈值进行分级处理，而不是通过电流传感器进行过流检测。

9.如权利要求7所述的服务型机器人末端执行器的力反馈实现方法，检测模块不止记录外部环境力消失时的位置信息，而是记录电机在主控模块释放控制权后，电机在随外部环境力运动过程中的所有位置信息，从而保证位置信息的准确性和在环境多变时力反馈处理的及时性。