CN108748115B - 一种多连杆自检协作机械臂及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于协作机械臂技术领域，公开了一种多连杆自检协作机械臂及控制方法,包括底座、机械臂、执行舵机，机械臂包括第一驱动箱、四连杆机构、第二驱动箱、套轴机臂、末端传动头和末端执行头；底座上设有第一转轴，第一驱动箱与第一转轴上端连接固定，底座上设有蜗轮蜗杆驱动组件，蜗轮蜗杆驱动组件连接第一转轴并同步传动；第二驱动箱内设有减速传动机构，套轴机臂包括内层输出轴和外层输出轴，外层输出轴带动末端传动头同轴转动，内层输出轴末端执行头连接传动。本发明结构简单，自重小，成本低，可实现比同类协作机械臂更长的臂展和更大的负重；各部位相对独立，可通过提升功率或传动比的变化将臂展或负载进一步提升，具有良好的可扩展性。

Description

一种多连杆自检协作机械臂及控制方法

技术领域

本发明属于协作机械臂技术领域，具体涉及一种多连杆自检协作机械臂及控制方法。

背景技术

机械臂是一个多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性,已在工业装配,安全防爆等领域得到广泛应用；随着机械臂的伸入研发，其结构和精度均得到极大的改善，已不仅仅在目前的领域应用，还拓展至诸多直接辅助人进行操作的技术领域，甚至能部分代替人的工作，在诸多工业领域，包括敏感环境和复杂环境，协作机械臂的运用能够保护人员、保证生产质量、提高效率和减少设备损坏。例如在AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引运输车)技术领域，协作机械臂能够与AGV配合使用，参与生产自动化的各项工序，例如码垛、分拣、视觉检查等。

当下的协作机械臂要求速度、刚性、工作半径、负荷、定位精度等指标尽可能达到更高的标准，从而能够参与更多领域的工作。协作机械臂一般包括多个工作轴，通过相互配合实现多个自由度的协调运转，达到精确控制方向的目的，最终实现操作指令动作。

目前市场上能与人共存、不用专门划分安全工作区域的小型机械臂大致分为两类。

第一类是基于步进电机或者舵机的小型机械臂。此类机械臂由于使用步进电机或者舵机，其控制原理是开环控制，即如果电机由于干扰或负载等原因没有达到指定目标，机械臂无法得知此反馈，因此无法进行调整以消除误差。这就完全限制了此类机械臂的运动性能，即只能实现从一个点到另一个点的移动任务，而不能精确地从位置、速度、以及加速度三个指标上跟随一条完整的轨迹。此外在带有额外负重后，由于仅仅采用开环控制，该类机械臂可能会有较大的稳态误差。另外，由于采用开环控制，此类机械臂无法实现碰撞检测这一功能，因此为了能与人安全共存，只能通过降低功率，减小尺寸来确保即便碰到了人，也不会造成太大伤害，这导致此类机械臂多用于轻负载的视觉检查，电子元件分拣，以及儿童智力开发等领域，无法承担广泛的工业与非工业的自动化任务。

第二类是叫做“协作机器人”的机械臂。这类机械臂精度高，运动性能好，且由于能与人共存，被越来越多应用在各类生产流水线上。目前市面上这类协作机械臂全部采用“力矩电机”或者“盘式电机”。此种电机的优点是扭矩大，可以直接驱动其负载，而无需任何传动装置，如齿轮、皮带等。但是这类电机最大的缺点是成本高，且成本与扭力大小不成线性关系。因此基于力矩电机的协作机械臂，出于成本考虑尺寸都被迫限制在一个范围内，因为一旦超出此范围，就需要搭载成本高得多的力矩电机。此外，这类不使用传动系统的设计结构还有一重大缺点，就是可延展性很差。这是因为由于没有传动系统，每一个电机都必须安装在关节本身的位置，这就导致低位的电机需要承受所有高位电机的质量。例如低位轴电机不仅要承担末端负载的质量，还要承担高位轴电机的自重。这使得机械臂的最大负重很难提高，因为要提高最大负重，就要增加每一个电机的功率及自重，但因此带来的是每一个低位电机承受的高位电机的自重增加了，结果就是增加的功率有很大一部分还是用在了承载电机自重上。

因此，在本领域为了将协作机械臂的多项性能进一步提高，需要提出更为合理的技术方案予以解决。

发明内容

本发明提供了一种多连杆自检协作机械臂，旨在通过多轴联动，实现更加精确的平稳的控制输出，使协作机械臂的工作精度达到更高的水准，满足更高要求作业水平；同时将机械臂的结构进行改进，将机械臂上的部分电机进行后置反配重，降低了电机的无效负重，提高了电机的有效输出功率。

为了实现上述效果，本发明所采用的技术方案为：

一种多连杆自检协作机械臂,包括底座、设于底座上拥有六自由度的机械臂、设于机械臂末端的执行舵机，所述的机械臂包括依次连接的第一驱动箱、四连杆机构、第二驱动箱、套轴机臂、末端传动头和末端执行头，底座、第一驱动箱和第二驱动箱内均设有电机，且电机连接增量式光电编码器。

具体地说，所述底座上设有相对其自身转动的第一转轴，所述第一驱动箱与第一转轴的上端连接固定，所述底座上设有蜗轮蜗杆驱动组件，蜗轮蜗杆驱动组件连接第一转轴的下端并同步传动；所述第一驱动箱内设有第二转轴和第三转轴并分别由第二电机和第三电机驱动，所述四连杆机构围成平行四边形且与第二转轴和第三转轴配合传动；所述第二驱动箱固定在四连杆机构的上端，第二驱动箱包括第二箱体，第二箱体的后表面设置有两个直流有刷电机，第二箱体内设有分别与两个直流有刷电机连接的减速传动机构，所述套轴机臂包括分别与减速传动机构连接传动的内层输出轴和外层输出轴，外层输出轴连接末端传动头并带动其同轴转动，内层输出轴伸入末端传动头内部并通过一级齿轮副与末端执行头连接传动，使末端执行头与末端传动头相对转动。

本发明通过涡轮蜗杆驱动组件、第一驱动箱和第二驱动箱作为整个机械臂的动力机构，以四连杆机构、轴套机臂和末端传动头作为传动机构，以末端执行头连接末端执行器实现最终的执行动作。

其中，涡轮蜗杆驱动组件包括第一电机，第一电机上连接蜗杆，蜗杆与设于第一转轴上的涡轮配合传动，第一电机运转后通过蜗轮蜗杆带动第一转轴转动，从而实现机械臂在水平方向的转动；第一驱动箱内的第二转轴和第三转轴实现带动四连杆机构的运行，实现第二驱动箱在纵向上的圆周运动和俯仰动作；第二驱动箱上的直流有刷电机通过减速传动机构控制套轴机臂的内外输出轴运转，外层输出轴的转动带动末端传动头和末端执行头产生同轴转动，而内层输出轴的转动可带动末端执行头产生与之垂直的转动从而实现另一方向上的角度调节；末端的执行舵机作为带动执行器运动的动力器件，可单独运转执行动作。

进一步的，对于上述技术方案进行优化，所述的四连杆机构包括第一主动杆、第二主动杆、第一从动杆和第二从动杆，所述第一主动杆与第二转轴垂直连接并随轴转动，所述第二主动杆与第三转轴垂直连接并随轴转动，所述第一从动杆与第一主动杆铰接且固定到第二箱体，所述第二从动杆一端与第二主动杆铰接，另一端与第一从动杆铰接。

再进一步，对机械臂的重量进行合理控制，可减轻电机的负担，便于提高电机的有效功率和整体的机械效率，因此在不降低整体强度的前提下，在机械臂上做出适当的减重设置。作为优选的方案，两根主动杆和两根从动杆均采用片状的条形杆，其中第一主动杆主承重，同时用于调节第一从动杆在纵向圆周面上的运动，第一主动杆的厚度大于另外三根杆，且第一主动杆上还设有减重槽和/或减重孔，便于降低第一电机和第二电机的负担；第二主动杆、第二从动杆主调节，用于调节第一从动杆的俯仰角度，故第二主动杆和第二从动杆采用相对较薄的条形杆。第一主动杆和第二从动杆的长度相同，第二主动杆与第一从动杆的长度相同，由此形成平行四边形结构。

进一步的，对上述技术方案进行优化，第二电机和第三电机一般采用直流有刷电机，且第二电机和第三电机在第一传动箱内相对设置，所述的第二转轴和第三转轴分别连接一个两级齿轮副并与第二电机和第三电机连接传动。两个两级齿轮副的输出齿轮的轴心重合，一个输出齿轮同轴连接第二转轴，另一个输出齿轮同轴连接第三转轴。

再进一步，由于第二电机和第三电机采用直流有刷电机，其工作转矩有限，为了满足大力矩输出，在不改变电机本身的情况下，需要对传动结构进行改进，故对上述技术方案进行优化，所述的两级齿轮副为直齿轮副，传动比大于等于三。采用直齿轮副不产生轴向力，传动稳定性好，使用寿命长；传动比大于等于三，则将电机的转矩至少放大三倍，通过齿轮副作用到第二转轴和第三转轴上的转矩能够满足第一驱动箱工作输出需求。

进一步的，减速传动机构设于第二驱动箱内，将两个直流有刷电机的动力传递至套轴机臂，套轴机臂的内层输出轴和外层输出轴实现同轴相对转动；对这部分技术方案进行细化说明，所述的减速传动机构包括两组传动齿轮组，所述传动齿轮组至少包括一个主动轮和一个从动轮，第二箱体内设有第四转轴和第五转轴，两个主动轮分别与两个直流有刷电机连接，两个从动轮分别设置在第四转轴和第五转轴上；第四转轴与内层输出轴同轴转动，第五转轴与外层输出轴同轴转动。如此即能实现一个直流有刷电机控制外层输出轴运转，另一个直流有刷电机控制内层输出轴运转。

再进一步，机械臂在执行动作时，不同的转轴处对应的转矩不同，为了对转轴处的转矩进行测量，并便于进一步的校正设置，对上述技术方案进行优化，所述的第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴和第五转轴上均设置有扭矩传感器。扭矩传感器一般采用压电式传感器，通过压触产生电信号，从而计算得出该处的转矩大小。

进一步的，套轴机臂的长度一定程度上决定整个机械臂的工作半径，故在不同的场合，对轴套机臂的长度需求有所差异，为了方便进行切换，提高零部件之间的契合度，避免降低效率，对上述技术方案进行优化，所述的外层输出轴包括头部段、延伸段和尾部段，所述的头部段与减速传动机构连接，所述的延伸段的两端分别连接头部段和尾部段，所述的尾部段连接末端传动头；所述头部段、延伸段和尾部段同步转动。

进一步的，对上述技术方案进行优化，以改变末端执行头的运动方向，所述的一级齿轮副包括同轴设置在内层输出轴上的第一主动锥齿轮和设置在末端执行头上的第一从动锥齿轮，第一主动锥齿轮和第一从动锥齿轮的锥度均为45°，如此将内层输出轴的转动实现90°的转向传递。

再进一步，对上述技术方案进行优化，所述的末端传动头包括与外层输出轴连接的固定部、与固定部连接的主体部，主体部内部中空，且主体部的侧壁上设置有用于连接末端执行头的轴孔。所述固定部包括套管和平板，套管套接在外层输出轴上，平板与套管垂直固定；主体部连接固定到平板上。

再进一步，对上述技术方案进行优化，所述的末端执行头包括与末端传动头转动连接的连接板、与连接板固定连接的执行体，所述执行体上设有执行腔，执行腔的侧壁上设有通孔，执行舵机固定于执行腔内，执行舵机的转轴从通孔中伸出。

上述内容从结构上详细说明了该机械臂的组成，本发明还公开了针对上述机械臂的自适应控制方法，包括调零步骤和碰撞检测步骤，在机械臂启动时率先执行调零步骤，在机械臂运作过程中执行碰撞检测步骤。具体如下：

调零步骤：

S11：将第一转轴慢速旋转直至机械限位处，根据机械限位角度得到第一转轴的角度Q1，并将其设置为对应增量编码器初始值；

S12：将第二转轴和第三转轴慢速向机械臂前方旋转直至四连杆结构缩减到最小，此时的角度是事先根据机械设计测量得到的；此时确定了第二转轴和第三转轴上增量编码器的差值δ(Delta)；

S13：将第二转轴与第三转轴同时同向匀速向机械臂后方旋转，直至到达机械限位处；此时将得到第二转轴的角度Q2，以及第三转轴角度Q2+δ；再将这两个值设置为第二转轴和第三转轴的对应增量编码器初始值；

S14：将第四转轴慢速旋转至机械限位处，并同时对第五转轴进行反向旋转补偿。这是因为第四转轴和第五转轴运动存在耦合，因此需要对第五转轴进行补偿，防止第五转轴在第四转轴到达限位之前就达到第五转轴的限位处。此时得到第四转轴初始角度Q4，并将其设置为对应增量编码器初始值。

S15：将第五转轴旋转至机械限位处，得到Q5并将其设置为对应增量编码器初始值。由于末端执行器处选用了带电位器作为编码器的舵机，无需调0，因此至此就完成了整个机械臂的调零过程。

碰撞检测步骤：

S21：要在末端执行头不装载任何执行夹具的情况下，对机械臂完成启动并调零，对每一个扭矩传感器的读数进行测量。

S22：在装上某夹具时，对新装的夹具进行物理标定。在机械臂调零后，读出与S21中同样姿态下的扭矩传感器读数，此读数与S21中读数的差值就是夹具的质量与质心位置所引起的。

S23：根据S22中读数差值对夹具的质量与质心进行估算。由于夹具的质量与质心位置有一个大概的范围，因此采用二维Grid Search(格式搜索)的方式，对质量与质心进行枚举，对每一种组合，通过Jacabo(索梯)矩阵的转置计算该组合代表的夹具对各个转轴处造成的额外扭矩，再与S22中得到的实测扭矩差值进行对比，如果小于一定阈值，则表示该组合足够准确的代表了当前的夹具。

S24：对夹具进行物理标定之后，需要记录下夹具在各个角度下，舵机的电流值，这些值就形成了一张表，代表夹具在各个角度下的基线电流值。机械臂实际运转过程中，当夹具发生碰撞，或者拖动示教时人为搬动夹具时，舵机的电流值会偏离当前角度的基线电流值。若该偏移超过一定阈值，则检测到了碰撞或者拖动示教的信号，且偏移的正负值就代表了外力的方向。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明结构简单，去除了臃肿庞大的电机设置，使得机身自重小，且成本低。

2.本发明第二驱动箱的直流有刷电机后置，电机自重不成为其他电机的负担，因此可以实现比同类协作机械臂更长的臂展和更大的负重。

3.本发明使各部位相对独立，且无论是电机还是齿轮副、减速传动机构或套轴机臂，都可以通过提升功率或传动比的变化将臂展或负载进一步提升，而几乎不提高生产成本，因此具有良好的可扩展性。

4.本发明的第二电机和第三电机均位于四连杆结构的底部，不对四连杆结构造成额外的负担，避免了第三电极对第二电机造成负重，可使第二电机驱动四连杆机构承载更多的有效载荷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1是本发明一个视角的整体结构示意图。

图2是本发明另一个视角的整体结构示意图。

图3是底座的结构示意图。

图4是涡轮蜗杆驱动机构的结构示意图

图5是第一驱动箱的内部传动结构示意图及局部放大示意图。

图6是四连杆机构的结构示意图。

图7是第二驱动箱的内部传动结构示意图。

图8是套轴机臂的整体结构示意图。

图9是套轴机臂的分解结构示意图。

图10是末端传动头处的整体结构示意图。

图11是末端传动头的内部传动结构示意图。

图12是第二驱动箱、套轴机臂、末端传动头的传动结构示意图。

图中：1-底座；101-第一电机，102-蜗杆；103-涡轮；104-第一转轴；2-第一驱动箱；201-第二电机；202-第三电机；203-第二转轴；204-第三转轴；3-四连杆机构；301-第一主动杆；302-第一从动杆；303-第二主动杆；304-第二从动杆；305-减重槽；306-减重孔；4-第二驱动箱；401-直流有刷电机；402-第五转轴；403-第四转轴；5-套轴机臂；501-外层输出轴；501a-头部段；501b-延伸段；501c-尾部段；502-内层输出轴；6-末端传动头；601-固定部；602-主体部；7-末端执行头；8-执行舵机；9-扭矩传感器；10-第一主动锥齿轮；11-第一从动锥齿轮。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例公开了一种多连杆自检协作机械臂,包括底座1、设于底座上拥有六自由度的机械臂、设于机械臂末端的执行舵机8，所述的机械臂包括依次连接的第一驱动箱2、四连杆机构3、第二驱动箱4、套轴机臂5、末端传动头6和末端执行头7，底座、第一驱动箱和第二驱动箱内均设有电机，且电机连接增量式光电编码器。具体地说，如图3所示，所述底座上设有相对其自身转动的第一转轴104，如图5所示，所述第一驱动箱与第一转轴的上端连接固定，所述底座上设有蜗轮蜗杆驱动组件，蜗轮蜗杆驱动组件连接第一转轴的下端并同步传动；所述第一驱动箱内设有第二转轴203和第三转轴204并分别由第二电机201和第三电机202驱动，所述四连杆机构围成平行四边形且与第二转轴和第三转轴配合传动；如图7所示，所述第二驱动箱固定在四连杆机构的上端，第二驱动箱包括第二箱体，第二箱体的后表面设置有两个直流有刷电机401，第二箱体内设有分别与两个直流有刷电机连接的减速传动机构，如图8、图9、图10所示，所述套轴机臂包括分别与减速传动机构连接传动的内层输出轴502和外层输出轴501，外层输出轴连接末端传动头并带动其同轴转动，内层输出轴伸入末端传动头内部并通过一级齿轮副与末端执行头连接传动，使末端执行头与末端传动头相对转动，执行舵机的最大扭矩为50kg·cm。第二箱体上的两个直流有刷电机均为40W的有刷直流电机，电机自身带有51：1速比的行星减速箱。

本发明通过涡轮蜗杆驱动组件、第一驱动箱和第二驱动箱作为整个机械臂的动力机构，以四连杆机构、轴套机臂和末端传动头作为传动机构，以末端执行头连接末端执行器实现最终的执行动作。该协作机械臂可以广泛用于生产自动化的各项工序，例如码垛、分拣、视觉检查等。此外可以与人共同部署在一个工作区，紧密与人协作从而实现工业领域以外的自动化应用，例如冲泡咖啡，做饭，康养等。

机械臂的本体为全3D打印的PLA(polylactic acid聚乳酸)材质，具有重量轻，成本低的优点。整个机械臂的结构设计都是考虑到能够采用3D打印整个机械臂来考虑的，在某些受力较大的部位，对3D零部件进行了补强设计，而在一些可以减重的部位，尽量的降低了材质的厚度等参数。

其中，如图4所示，涡轮蜗杆驱动组件包括第一电机101，第一电机连接蜗杆102，蜗杆与设于第一转轴上的涡轮103配合传动，第一电机运转后通过蜗轮蜗杆带动第一转轴转动，从而实现机械臂在水平方向的转动；第一驱动箱内的第二转轴和第三转轴实现带动四连杆机构的运行，实现第二驱动箱在纵向上的圆周运动和俯仰动作；第二驱动箱上的直流有刷电机通过减速传动机构控制套轴机臂的内外输出轴运转，外层输出轴的转动带动末端传动头和末端执行头产生同轴转动，而内层输出轴的转动可带动末端执行头产生与之垂直的转动从而实现另一方向上的角度调节；末端的执行舵机作为带动执行器运动的动力器件，可单独运转执行动作。

第一电机、第二电机和第三电机均为90W的有刷直流电机，电机自身带有77：1速比的行星减速箱。

如图6所示，对于上述技术方案进行优化，所述的四连杆机构包括第一主动杆301、第二主动杆303、第一从动杆302和第二从动杆304，所述第一主动杆与第二转轴垂直连接并随轴转动，所述第二主动杆与第三转轴垂直连接并随轴转动，所述第一从动杆与第一主动杆铰接且固定到第二箱体，所述第二从动杆一端与第二主动杆铰接，另一端与第一从动杆铰接。

对机械臂的重量进行合理控制，可减轻电机的负担，便于提高电机的有效功率和整体的机械效率，因此在不降低整体强度的前提下，在机械臂上做出适当的减重设置。作为优选的方案，两根主动杆和两根从动杆均采用片状的条形杆，其中第一主动杆主承重，长度为50cm，同时用于调节第一从动杆在纵向圆周面上的运动，第一主动杆的厚度大于另外三根杆，且第一主动杆上还设有减重槽305和/或减重孔306，便于降低第一电机和第二电机的负担；第二主动杆、第二从动杆主调节，用于调节第一从动杆的俯仰角度，故第二主动杆和第二从动杆采用相对较薄的条形杆。第一主动杆和第二从动杆的长度相同，第二主动杆与第一从动杆的长度相同，由此形成平行四边形结构。

如图5所示，对上述技术方案进行优化，所述的第二转轴和第三转轴分别连接一个两级齿轮副并与第二电机和第三电机连接传动。两个两级齿轮副的输出齿轮的轴心重合，一个输出齿轮同轴连接第二转轴，另一个输出齿轮同轴连接第三转轴。

由于第二电机和第三电机采用直流有刷电机，其工作转矩有限，为了满足大力矩输出，在不改变电机本身的情况下，需要对传动结构进行改进，故对上述技术方案进行优化，所述的两级齿轮副为直齿轮副，传动比等于三。采用直齿轮副不产生轴向力，传动稳定性好，使用寿命长；传动比等于三，则将电机的转矩放大三倍，通过齿轮副作用到第二转轴和第三转轴上的转矩能够满足第一驱动箱工作输出需求。

如图7所示，减速传动机构设于第二驱动箱内，将两个直流有刷电机的动力传递至套轴机臂，套轴机臂的内层输出轴和外层输出轴实现同轴相对转动；对这部分技术方案进行细化说明，所述的减速传动机构包括两组传动齿轮组，所述传动齿轮组包括一个主动轮和一个从动轮，第二箱体内设有第四转轴403和第五转轴402，两个主动轮分别与两个直流有刷电机连接，两个从动轮分别设置在第四转轴和第五转轴上；第四转轴与内层输出轴同轴转动，第五转轴与外层输出轴同轴转动。如此即能实现一个直流有刷电机控制外层输出轴运转，另一个直流有刷电机控制内层输出轴运转。

机械臂在执行动作时，不同的转轴处对应的转矩不同，为了对转轴处的转矩进行测量，并便于进一步的校正设置，对上述技术方案进行优化，所述的第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴和第五转轴上均设置有扭矩传感器9。扭矩传感器采用压电式传感器，通过压触产生电信号，从而计算得出该处的转矩大小。

如图9所示，套轴机臂的长度一定程度上决定整个机械臂的工作半径，故在不同的场合，对轴套机臂的长度需求有所差异，为了方便进行切换，提高零部件之间的契合度，避免降低效率，对上述技术方案进行优化，所述的外层输出轴包括头部段501a、延伸段501b和尾部段501c，所述的头部段与减速传动机构连接，所述的延伸段的两端分别连接头部段和尾部段，所述的尾部段连接末端传动头；所述头部段、延伸段和尾部段同步转动。

如图10、图11、图12所示，对上述技术方案进行优化，以改变末端执行头的运动方向，所述的一级齿轮副包括同轴设置在内层输出轴上的第一主动锥齿轮10和设置在末端执行头上的第一从动锥齿轮11，第一主动锥齿轮和第一从动锥齿轮的锥度均为45°，如此将内层输出轴的转动实现90°的转向传递。

对上述技术方案进行优化，所述的末端传动头包括与外层输出轴连接的固定部601、与固定部连接的主体部602，主体部内部中空，且主体部的侧壁上设置有用于连接末端执行头的轴孔。所述固定部包括套管和平板，套管套接在外层输出轴上，平板与套管垂直固定；主体部连接固定到平板上。

对上述技术方案进行优化，所述的末端执行头包括与末端传动头转动连接的连接板、与连接板固定连接的执行体，所述执行体上设有执行腔，执行腔的侧壁上设有通孔，执行舵机固定于执行腔内，执行舵机的转轴从通孔中伸出。

实施例2：

本实施例公开了对实施例1中公开的机械臂的自适应控制方法，包括调零步骤和碰撞检测步骤，在机械臂启动时率先执行调零步骤，在机械臂运作过程中执行碰撞检测步骤。具体如下：

调零步骤：

S11：将第一转轴慢速旋转直至机械限位处，根据机械限位角度得到第一转轴的角度Q1，并将其设置为对应增量编码器初始值；

S12：将第二转轴和第三转轴慢速向机械臂前方旋转直至四连杆结构缩减到最小，此时的角度是事先根据机械设计测量得到的；此时确定了第二转轴和第三转轴上增量编码器的差值δ(Delta)；

S13：将第二转轴与第三转轴同时同向匀速向机械臂后方旋转，直至到达机械限位处；此时将得到第二转轴的角度Q2，以及第三转轴角度Q2+δ；再将这两个值设置为第二转轴和第三转轴的对应增量编码器初始值；

S14：将第四转轴慢速旋转至机械限位处，并同时对第五转轴进行反向旋转补偿。这是因为第四转轴和第五转轴运动存在耦合，因此需要对第五转轴进行补偿，防止第五转轴在第四转轴到达限位之前就达到第五转轴的限位处。此时得到第四转轴初始角度Q4，并将其设置为对应增量编码器初始值。

S15：将第五转轴旋转至机械限位处，得到Q5并将其设置为对应增量编码器初始值。由于末端执行器处选用了带电位器作为编码器的舵机，无需调0，因此至此就完成了整个机械臂的调零过程。

碰撞检测步骤：

S21：要在末端执行头不装载任何执行夹具的情况下，对机械臂完成启动并调零，对每一个扭矩传感器的读数进行测量。

S22：在装上某夹具时，对新装的夹具进行物理标定。在机械臂调零后，读出与S21中同样姿态下的扭矩传感器读数，此读数与S21中读数的差值就是夹具的质量与质心位置所引起的。

S23：根据S22中读数差值对夹具的质量与质心进行估算。由于夹具的质量与质心位置有一个大概的范围，因此采用二维Grid Search(格式搜索)的方式，对质量与质心进行枚举，对每一种组合，通过Jacabo(索梯)矩阵的转置计算该组合代表的夹具对各个转轴处造成的额外扭矩，再与S22中得到的实测扭矩差值进行对比，如果小于一定阈值，则表示该组合足够准确的代表了当前的夹具。

S24：对夹具进行物理标定之后，需要记录下夹具在各个角度下，舵机的电流值，这些值就形成了一张表，代表夹具在各个角度下的基线电流值。机械臂实际运转过程中，当夹具发生碰撞，或者拖动示教时人为搬动夹具时，舵机的电流值会偏离当前角度的基线电流值。若该偏移超过一定阈值，则检测到了碰撞或者拖动示教的信号，且偏移的正负值就代表了外力的方向。

以上即为本发明列举的几种实施方式，但本发明不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (7)

1.一种多连杆自检协作机械臂,包括底座（1）、设于底座上拥有六自由度的机械臂、设于机械臂末端的执行舵机（8），所述的机械臂包括依次连接的第一驱动箱（2）、四连杆机构（3）、第二驱动箱（4）、套轴机臂（5）、末端传动头（6）和末端执行头（7），底座、第一驱动箱和第二驱动箱内均设有电机，且电机连接增量式光电编码器；其特征在于：所述底座上设有相对其自身转动的第一转轴（104），所述第一驱动箱与第一转轴的上端连接固定，所述底座上设有蜗轮蜗杆驱动组件，蜗轮蜗杆驱动组件连接第一转轴的下端并同步传动；所述第一驱动箱内设有第二转轴（203）和第三转轴（204）并分别由第二电机（201）和第三电机（202）驱动，所述四连杆机构围成平行四边形且与第二转轴和第三转轴配合传动；所述第二驱动箱固定在四连杆机构的上端，第二驱动箱包括第二箱体，第二箱体的后表面设置有两个直流有刷电机（401），第二箱体内设有分别与两个直流有刷电机连接的减速传动机构，所述套轴机臂包括分别与减速传动机构连接传动的内层输出轴（502）和外层输出轴（501），外层输出轴连接末端传动头并带动其同轴转动，内层输出轴伸入末端传动头内部并通过一级齿轮副与末端执行头连接传动，使末端执行头与末端传动头相对转动；

所述的第二转轴和第三转轴分别通过不同的两级齿轮副与第二电机和第三电机连接传动；

所述的减速传动机构包括两组传动齿轮组，每组所述传动齿轮组包括一个主动轮和一个从动轮，第二箱体内设有第四转轴（403）和第五转轴（402），两个主动轮分别与两个直流有刷电机连接，两个从动轮分别设置在第四转轴和第五转轴上；第四转轴与内层输出轴同轴转动，第五转轴与外层输出轴同轴转动；

所述多连杆自检协作机械臂采用自适应方法控制，该自适应方法控制包括调零步骤和碰撞检测步骤，在机械臂启动时率先执行调零步骤，在机械臂运作过程中执行碰撞检测步骤；

调零步骤：

S11：将第一转轴慢速旋转直至机械限位处，根据机械限位角度得到第一转轴的角度Q1，并将其设置为对应增量式光电编码器初始值；

S12：将第二转轴和第三转轴慢速向机械臂前方旋转直至四连杆结构缩减到最小，确定第二转轴和第三转轴上增量式光电编码器的差值δ；

S13：将第二转轴与第三转轴同时同向匀速向机械臂后方旋转，直至到达机械限位处，得到第二转轴的角度Q2，以及第三转轴角度Q2+δ，分别将这两个值设置为第二转轴和第三转轴对应的增量式光电编码器初始值；

S14：将第四转轴慢速旋转至机械限位处，并同时对第五转轴进行反向旋转补偿，得到第四转轴初始角度Q4，并将其设置为对应增量式光电编码器初始值；

S15：将第五转轴旋转至机械限位处，得到第五转轴的角度Q5并将其设置为对应增量式光电编码器初始值；

碰撞检测步骤：

S21：末端执行头不装载任何执行夹具的情况下，对机械臂完成启动并调零，对每一个扭矩传感器的读数进行测量；

S22：装上夹具，对夹具进行物理标定；在机械臂调零后，读出与S21中同样姿态下的扭矩传感器读数，并计算与S21中对应读数的差值；

S23：根据S22中读数差值对夹具的质量与质心位置进行估算；

S24：对夹具进行物理标定之后，记录夹具在各个角度下执行舵机（8）的电流值，机械臂实际运转过程中，当夹具发生碰撞，或者拖动示教时人为搬动夹具时，执行舵机（8）的电流值会偏离当前角度的基线电流值，若偏移超过一定阈值，则检测到了碰撞或者拖动示教的信号，且偏移的正负值就代表了外力的方向。

2.根据权利要求1所述的一种多连杆自检协作机械臂,其特征在于：所述的四连杆机构包括第一主动杆（301）、第二主动杆（303）、第一从动杆（302）和第二从动杆（304），所述第一主动杆与第二转轴垂直连接并随轴转动，所述第二主动杆与第三转轴垂直连接并随轴转动，所述第一从动杆与第一主动杆铰接且固定到第二箱体，所述第二从动杆一端与第二主动杆铰接，另一端与第一从动杆铰接。

3.根据权利要求1所述的一种多连杆自检协作机械臂,其特征在于：所述的两级齿轮副为直齿轮副，传动比大于等于三。

4.根据权利要求1所述的一种多连杆自检协作机械臂,其特征在于：所述的第一转轴、第二转轴、第三转轴、第四转轴和第五转轴上均设置有扭矩传感器（9）。

5.根据权利要求1所述的一种多连杆自检协作机械臂,其特征在于：所述的外层输出轴包括头部段（501a）、延伸段（501b）和尾部段（501c），所述的头部段与减速传动机构连接，所述的延伸段的两端分别连接头部段和尾部段，所述的尾部段连接末端传动头；所述头部段、延伸段和尾部段同步转动。

6.根据权利要求1所述的一种多连杆自检协作机械臂,其特征在于：所述的一级齿轮副包括同轴设置在内层输出轴上的第一主动锥齿轮（10）和设置在末端执行头上的第一从动锥齿轮（11），第一主动锥齿轮和第一从动锥齿轮的锥度均为45°。

7.根据权利要求1所述的一种多连杆自检协作机械臂,其特征在于：所述的末端传动头包括与外层输出轴连接的固定部（601）、与固定部连接的主体部（602），主体部内部中空，且主体部的侧壁上设置有用于连接末端执行头的轴孔。

Images