CN108436904B - 一种无需编码器的机械手关节绝对角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需编码器的机械手关节绝对角测量方法，包括以下步骤：(1)读取机械手关节的初始绝对角度值；(2)获取机械手关节的相对运动角度；(3)根据初始绝对角度值和相对运动角度得到机械手关节绝对角度值。其有益效果为：本发明所述方法配合软件方法实现机械手关节的绝对角度测量，无需使用编码器，适用于小型化机械手关节结构；该方法中采用步进电机进行驱动，保证稳定的转动角度；采用蜗轮/斜齿轮与蜗杆传动方式，起到自锁的作用，保证只能实现蜗杆带动蜗轮/斜齿轮，而不能由蜗轮/斜齿轮带动蜗杆；通过采用压力传感器，保证相对角度记录的同时，保证关节角度的持续转动，防止堵转或丢步现象的发生；降低了机械手关节的成本。

Description

一种无需编码器的机械手关节绝对角测量方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种无需编码器的机械手关节绝对角测量方法。

背景技术

机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，可以通过编程来完成各种预期的作业，具有高度的准确性与环境适应性。随着科技的日益发展,机械手随之而来的具有高度是灵活度与耐力度，可以重复的做同一动作在机械正常情况下永不疲劳。机械手的应用也由此越来越广泛。机械手作为机器人的末端执行机构，无论是在工业机器人还是服务机器人领域都起着关键性的作用。

机械手在作业过程中离不开机械手关节的驱动，关节角的测量作为重要的反馈信息，在机械手控制中必不可少，尤其是在机械合上电源或电源故障后再次接通电源，确定断电前机械手位置时尤为关键。关节角测量一般分为两种，即增量式和绝对式。增量式关节角测量一般在电机安装增量式编码器，通过测量电机转动的角度换算得到关节两个状态之间的角度差。绝对式关节角测量即在减速机构输出端安装绝对编码器(一般是光电式或者磁环式)，对关节的实时状态进行测量。

为了提供准确的位置数据，增量式编码器在断电启动时必须返回初始位置，因此，在工作系统断电时(例如临时停电)，增量式编码器不会跟踪任何由编码器输出的增量变化，无法得到关节的绝对值。绝对式编码器通过输出数字信号以指示编码器位置，并将编码器位置作为绝对坐标系中的静态参照点，因此，绝对式编码器在断电时仍然能够保存其绝对位置记录，重新启动后系统可立即恢复运动，无需返回初始位置，然而采用绝对式编码器的应用通常都比较复杂，需要部署硬软件，以便与系统中其他电子设备(例如PLC、变频器等)交互。

此外，无论是增量式关节角测量还是绝对式关节角测量都需要安装额外的编码器，在空间有限的机械手关节中难以实现，且成本较高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种小型化、无需安装编码器即可获取关节绝对角的测量方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种无需编码器的机械手关节绝对角测量方法，以解决现有技术无法解决小型机械手关节中关节绝对角测量的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种无需编码器的机械手关节绝对角测量方法，包括以下步骤：

(1)读取机械手关节的初始绝对角度值；

(2)获取机械手关节的相对运动角度，包括以下步骤；

(A)确定驱动机构驱动角度，记为α

(B)确定所述驱动机构与减速机构的传动比，记为k

(C)确定传动机构的传动比，记为m

(D)确定主控制板的驱动电路细分数，记为n

(E)相对运动角度计算为α/kmn；

基于上述步骤(1)读取机械手关节初始绝对角度值包括以下步骤：

在系统开始工作时，所述主控芯片进行机械手关节角度初始化，即读取固定地址中记录的上次工作结束时机械手关节绝对角度的数值。

如上所述的无需编码器的机械手关节绝对角测量方法，还包括以下步骤：

主控制板正常工作时，对供电电压进行监测，在电压低于设定基准值时进入工作系统中断，将所述驱动机构当前相对运动角度位置写入主控芯片的固定地址中。

进一步地，在工作系统中断时，所述主控制板上的电容放电，放电过程维持主控板在低功率下继续工作极短的时间，所述主控芯片在短暂放电过程中记录机械手断电时的相对运动角度。

进一步地，所述主控芯片完成关节角度初始化之后立即擦除固定地址中的数据，并使得所述主控芯片一直处于可写入的状态，提高系统掉电时的写入速度。

基于上述步骤，首次使用所述机械手时，需要对关节角进行标定，获得准确的初始角度值。

进一步地，根据步骤(2)所述驱动机构为步进电机。

进一步地，根据步骤(2)所述的传动机构为蜗轮与蜗杆或蜗杆与斜齿轮。

进一步地，所述蜗杆的导程角小于所述蜗轮或所述斜齿轮啮合轮齿间的当量摩擦角，确保传动机构实现自锁。

进一步地，为了保障机械手关节角度持续转动，机械手关节内安装压力传感器，实施监控机械手抓取压力。所述压力传感器在驱动机构堵转时的获取压力传感值，即最大允许压力值；所述主控制板在所述压力传感器获取的实时压力传感数据达到最大允许压力值前停止驱动机构在该压力方向上的运动，保证机械手关节相对运动角度的持续转动。

通过实施上述本发明提供的无需编码器的机械手关节绝对角测量方法，具有如下技术效果：

(1)本发明所述方法配合软件方法实现了机械手关节的绝对角度测量，无需使用编码器进行关节角度测量，适用于小型化机械手关节结构；

(2)本发明所述方法中采用蜗轮/斜齿轮与蜗杆传动方式，可以起到自锁的作用，保证只能实现蜗杆带动蜗轮/斜齿轮，而不能由蜗轮/斜齿轮带动蜗杆；

(3)本发明所述方法通过采用压力传感器，有效保证相对角度记录的同时，保证关节角度的持续转动，防止堵转或丢步现象的发生；

(4)本发明所述方法降低了机械手关节的成本。

附图说明

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

图1是本发明实施例所述机械手关节联动结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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，都属于本发明保护的范围。

下面采用如下具体实施方式详细描述本发明的技术方案。

图1是本发明实施例所述机械手关节联动结构示意图，如图1所示，关节前端座3与关节后端座4平行，且设于上盖板5和主控制板6之间，主控制板6固定在关节前端座3和关节后端座4上；关节前端座3、关节后端座4、上盖板5与主控制板6形成框架式结构；步进电机1与减速机构2安装在前述框架式结构内，减速机构2的输出端通过法兰固定在关节前端座3上；减速机构2输出端连接蜗杆71；步进电机1与减速机构2连接的另一侧连接关节后端座4。

关节前端座3外侧设置第一固定片31，关节后端座4外侧设置第二固定片41，两块第二固定片31之间安装蜗轮/斜齿轮72，第一固定片31与前一关节的第二固定片41之间通过连接机构73连接，蜗轮/斜齿轮72与蜗杆71的轮齿相啮合，实现前后两个相邻关节的联动。

主控制板6朝向关节内部的一侧安装主控芯片8和步进电机驱动电路9，背向关节内部的一侧安装压力传感器10；步进电机控制电路9与步进电机1连接。

实施例1

基于上述机械手关节联动结构，对于首次使用的无需编码器的机械手关节绝对角测量方法包括如下实现步骤：

S1：对首次使用的机械手关节、压力传感器10及步进电机1进行标定，得到机械手关节的初始角度值以及步进电机1堵转时压力传感器10读数；

S2：确定步进电机1的步进角度，记为α；

S3：步进电机1输出端与减速机构2输入端相连，确定步进电机1与减速机构2的减速比，记为k；

S4：将减速机构2的输出轴上安装蜗杆71，将前一关节的关节后端座4的第二固定片41上安装蜗轮/斜齿轮72，确定蜗轮/斜齿轮72与蜗杆71的传动比，记为m；

S5：由主控制板6直接控制步进电机驱动电路9控制步进电机1，并细分步进电机运动位置，定义某一方向为正方向，当步进电机往正方向运动一步时，更新当前位置值+1，反向运动一步则-1，确定主控制板6的步进电机驱动电路9的细分数，记为n；

S6：计算机械手关节相对运动角度：α/kmn；

S7：工作系统进行工作时，机械手关节运动，压力传感器10读取机械手关节的实时压力数据；

S8：主控制板6在压力传感器10获取的实时压力传感数据达到最大允许压力值前停止步进电机1在该压力方向上的运动，保证机械手关节相对运动角度的持续转动；

S9：设定主控制板6的电压基准值，主控制板6正常工作时，对供电电压进行监测，在电压低于设定的基准值时进入工作系统中断，将步进电机1当前相对运动角度位置写入主控芯片8的固定地址中，记录相对运动角度位置；

S10：在系统重新开始工作时，主控芯片6进行机械手关节角度初始化，即读取固定地址中的步进电机1的相对运动角度值；

S11：主控芯片6完成关节角度初始化之后立即擦除固定地址中的数据，并使得主控芯片6一直处于可写入的状态，提高系统掉电时的写入速度。

需要注意的是，在步骤S9中，当系统断电时，主控制板6上的电容放电，主控芯片6仍可以在低电压下工作一段时间；

由于蜗轮/斜齿轮72与蜗杆71的自锁特性，在系统不工作时，施加在机械手关节上的力和力矩不会改变机械手关节的角度，保证了系统每次开始工作时，主控制板6读取的关节角度与上一次工作结束时关节角度的一致性。

实施例2

基于上述机械手关节联动结构，对于非首次使用的无需编码器的机械手关节绝对角测量方法包括如下实现步骤：

S1：主控芯片6进行机械手关节角度初始化，即读取固定地址中的步进电机1上一次断电时机械手关节的相对运动角度值；

S2：主控芯片6完成关节角度初始化之后立即擦除固定地址中的数据，并使得主控芯片6一直处于可写入的状态；

S3：对压力传感器10及步进电机1进行标定，得到步进电机1堵转时压力传感器10读数；

S4：确定步进电机1的步进角度，记为α；

S5：步进电机1输出端与减速机构2输入端相连，确定步进电机1与减速机构2的减速比，记为k；

S6：将减速机构2的输出轴上安装蜗杆71，将前一关节的关节后端座4的第二固定片41上安装蜗轮/斜齿轮72，确定蜗轮/斜齿轮72与蜗杆71的传动比，记为m；

S7：由主控制板6直接控制步进电机驱动电路9控制步进电机1，并细分步进电机运动位置，定义某一方向为正方向，当步进电机往正方向运动一步时，更新当前位置值+1，反向运动一步则-1，确定主控制板6的步进电机驱动电路9的细分数，记为n；

S8：计算机械手关节相对运动角度：α/kmn；

S9：工作系统进行工作时，机械手关节运动，压力传感器10读取机械手关节的实时压力数据；

S10：主控制板6在压力传感器10获取的实时压力传感数据达到最大允许压力值前停止步进电机1在该压力方向上的运动，保证机械手关节相对运动角度的持续转动；

S11：设定主控制板6的电压基准值，主控制板6正常工作时，对供电电压进行监测，在电压低于设定的基准值时进入工作系统中断，将步进电机1当前相对运动角度位置写入主控芯片8的固定地址中，记录相对运动角度位置；

S12：在系统再一次重启工作时，主控芯片6进行机械手关节角度初始化，即读取固定地址中的步进电机1的相对运动角度值。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种无需编码器的机械手关节绝对角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)读取机械手关节的初始绝对角度值；

在系统开始工作时，主控芯片进行机械手关节角度初始化，即读取固定地址中记录的上次工作结束时机械手关节绝对角度的数值；所述主控芯片完成关节角度初始化之后立即擦除固定地址中的数据，并使得所述主控芯片一直处于可写入的状态，提高系统掉电时的写入速度；

主控制板正常工作时，对供电电压进行监测，在电压低于设定值时进入工作系统中断，将驱动机构当前相对运动角度位置写入主控芯片的固定地址中；

在工作系统中断时，所述主控制板上的电容放电，放电过程维持主控板在低功率下继续工作极短的时间，所述主控芯片在短暂放电过程中记录机械手断电时的相对运动角度；

首次使用所述机械手时，对关节角进行标定，获得准确初始角度值；

(2)获取机械手关节的相对运动角度，包括以下步骤；

(A)确定驱动机构驱动角度，记为α，所述驱动机构为步进电机；

(B)确定所述驱动机构与减速机构的传动比，记为k；

(C)确定传动机构的传动比，记为m；所述的传动机构为蜗轮与蜗杆或蜗杆与斜齿轮；所述蜗杆的导程角小于所述蜗轮或所述斜齿轮啮合轮齿间的当量摩擦角，确保传动机构实现自锁；

(D)确定主控制板的驱动电路细分数，由主控制板直接控制步进电机驱动电路从而控制步进电机，并细分步进电机运动位置，定义某一方向为正方向，当步进电机往正方向运动一步时，更新当前位置值+1，反向运动一步则-1，确定主控制板的步进电机驱动电路的细分数，记为n；

(E)相对运动角度计算为α/kmn；

(3)根据初始绝对角度值和相对运动角度得到机械手关节绝对角度值；

为了保障机械手关节角度持续转动，机械手关节内安装压力传感器，实施监控机械手抓取压力；所述压力传感器在驱动机构堵转时的获取压力传感值，即最大允许压力值；所述主控制板在所述压力传感器获取的实时压力传感数据达到最大允许压力值前停止驱动机构在该压力方向上的运动，保证机械手关节相对运动角度的持续转动。

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