CN109445416A - 一种多传感器融合的高集成关节控制系统 - Google Patents

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杨青丰
冯宝林
李露
徐林森
施云高
孙鹏
张攀峰
高磊
徐潺潺
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0208—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterized by the configuration of the monitoring system
    • G05B23/0213—Modular or universal configuration of the monitoring system, e.g. monitoring system having modules that may be combined to build monitoring program; monitoring system that can be applied to legacy systems; adaptable monitoring system; using different communication protocols

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Abstract

本发明公开了一种多传感器融合的高集成关节控制系统，包括：电机模块、传感器组、控制模块、显示终端；电机模块包括：高力矩密度永磁力矩电机和谐波减速器；传感器组包括：力矩传感器和位置传感器；显示终端上设置有位置调节按键和运动调节按键，且与控制模块通过CAN总线连接；控制模块读取位置反馈和力反馈信号，得到机器人关节的位置环位置、速度环力矩、电流环电流后控制机器人关节运动。本发明实现关节的可视化一体化控制，能够有效地实现关节的位置环、速度环、电流环控制，大大提高关节控制的自动化水平。

Description

一种多传感器融合的高集成关节控制系统
技术领域
本发明专利涉及一种多传感器融合的高集成关节控制系统，属于机器人智能技术领域。
背景技术
随着数字伺服技术等电子技术的发展，机器人关节也在不断发展。机器人关节呈现出大力矩、高精度、反应灵敏、小型化，机电一体化，标准化和模块化等趋势，以适应机器人技术发展的需要。关节是构成机器人尤其是机械臂的重要核心部件，其整体结构、运动性能以及感知能力直接影响到机器人的整体的操作空间、负载能力以及任务执行能力。实际应用场合和应用背景对机器人的操作性能提出了非常高的要求，需要机器人能够在较小的自重和自身体积的情况下，完成更为复杂的操作，具有更大的负载能力。同时，对传感器及机器人的集成速度也提出更高的要求。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足之处，提供一种多传感器融合的高集成关节控制系统，以期能实现对关节的位置环、速度环、电流环控制的有效控制，从而提高关节控制的自动化水平，提高机器人的工作效率，增强机器人自动化水平，并减少人力物力的损耗。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种多传感器融合的高集成关节控制系统的特点包括：电机模块、传感器组、控制模块、显示终端；
所述电机模块包括：高力矩密度永磁力矩电机和谐波减速器，所述谐波减速器安装在所述高力矩密度永磁力矩电机的前部；
所述传感器组包括：力矩传感器和位置传感器；所述力矩传感器安装在所述谐波减速器上，所述位置传感器安装在机器人关节的输出轴上；
所述显示终端上设置有位置调节按键和运动调节按键，且与所述控制模块通过CAN总线连接；
在所述显示终端上利用所述运动调节按键发出关节运动指令给所述控制模块；所述控制模块对所述关节运动指令进行处理，得到PWM控制波形并传递给所述高力矩密度永磁力矩电机，从而驱动所述机器人的关节运动，并形成机器人关节运动的当前动作状态；
所述位置传感器和力矩传感器获取所述当前动作状态的当前位置反馈信号和力反馈信号并传递给所述控制模块；
所述控制模块根据所述当前位置反馈信号和力反馈信号得到所述机器人关节的当前位置环位置、当前速度环力矩、当前电流环电流并传递给所述显示终端用于显示；
控制模块根据根据所述当前位置环位置、当前速度环力矩、当前电流环电流，确定机器人关节运动的下一动作状态，并在所述显示终端上利用所述位置调节按键发出位置调节指令给所述控制模块；
所述控制模块对所述位置调节指令进行处理，得到PWM调节波形并传递给所述高力矩密度永磁力矩电机，从而驱动所述机器人的关节运动，并完成机器人关节的下一动作状态。
本发明所述的多传感器融合的高集成关节控制系统的特点也在于，当所述力矩传感器获取高力矩密度永磁力矩电机的力反馈信号，并得到相应的电流值后，判断所述电流值是否超过阈值，若超过阈值，则表明电机转速异常或电机电流异常，并发送异常指令给所述控制模块，使得所述控制模块利用蜂鸣器进行异常报警；否则，直接将力反馈信号传递给所述控制模块。
与已有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过力矩传感器实现了快速和精准的力矩和阻抗控制，提高了操作柔顺性和安全性，并通过位置传感器增加了关节的位置控制精度，通过控制模块实现实时的阻抗控制、力控制及位置控制，进而实现了关节的可视化一体化控制，尤其是实现了关节的位置环、速度环、电流环控制，大大提高了关节控制的自动化水平，该控制统省时省力、降低成本、节省了劳动力，具有较高的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明关节控制系统构成框图；
图2是本发明传感器控制原理图；
图3是本发明关节控制系统电气原理图；
图4是本发明关节控制系统界面。
具体实施方式
如图1所示，一种多传感器融合的高集成关节控制系统，是通过控制模块、传感器组、电机模块和显示终端，实现对关节的控制，能够有效地实现关节的位置环、速度环、电流环实时监控及调节。具体的说，
电机模块包括：高力矩密度永磁力矩电机和谐波减速器，谐波减速器安装在高力矩密度永磁力矩电机前部；
传感器组包括：力矩传感器、位置传感器；力矩传感器安装在谐波减速器上，位置传感器安装在在关节输出轴上；通过力矩传感器实现快速和精准的力矩和阻抗控制，提高操作柔顺性和安全性，位置传感器增加关节的位置控制精度与触觉。
如图3所示，控制模块包括：DSP主控电路、PWM传输电路、驱动电路、位置环控制回路、速度环控制回路和电流力矩环控制回路，DSP主控电路包括DSP控制核心、外围电路以及滤波电路；PWM传输电路为隔离电路。
显示终端与控制模块通过CAN总线通讯协议连接，包括两个界面，第一界面和第二界面；第一界面用于显示关节的运动状态、电流，位置，力矩等参数；第二界面包括位置调节按键，运动调节按键。
如图2所示，在显示终端上利用运动调节按键发出关节运动指令给控制模块；控制模块对关节运动指令进行处理，得到PWM控制波形并传递给高力矩密度永磁力矩电机，从而驱动机器人的关节运动，并形成机器人关节运动的当前动作状态；
位置传感器和力矩传感器获取当前动作状态的当前位置反馈信号和力反馈信号并传递给控制模块；控制模块根据DSP主控电路，读取位置传感器、力矩传感器的位置反馈信号和力反馈信号信号，结合相应的控制算法实现实时的阻抗控制、力控制及位置控制。控制模块控制三条回路：位置环控制回路、速度环控制回路和电流力矩环控制回路。控制模块根据同时在机器人关节工作时实时和显示终端完成信息交互。
如图4所示，控制模块根据当前位置反馈信号和力反馈信号得到机器人关节的当前位置环位置、当前速度环力矩、当前电流环电流并传递给显示终端用于显示；
控制模块根据当前位置环位置、当前速度环力矩、当前电流环电流，确定机器人关节运动的下一动作状态，并在显示终端上利用位置调节按键发出位置调节指令给控制模块；
当力矩传感器获取高力矩密度永磁力矩电机的力反馈信号，并得到相应的电流值后，判断电流值是否超过阈值，若超过阈值，则表明电机转速异常或电机电流异常，并发送异常指令给控制模块，使得控制模块利用蜂鸣器进行异常报警；否则，直接将力反馈信号传递给控制模块。
控制模块对位置调节指令进行处理，得到PWM调节波形并传递给高力矩密度永磁力矩电机，从而驱动机器人的关节运动，并完成机器人关节的下一动作状态。
如此运动，直至关节运动结束。

Claims (2)

1.一种多传感器融合的高集成关节控制系统，其特征包括：电机模块、传感器组、控制模块、显示终端；
所述电机模块包括：高力矩密度永磁力矩电机和谐波减速器，所述谐波减速器安装在所述高力矩密度永磁力矩电机的前部；
所述传感器组包括：力矩传感器和位置传感器；所述力矩传感器安装在所述谐波减速器上，所述位置传感器安装在机器人关节的输出轴上；
所述显示终端上设置有位置调节按键和运动调节按键，且与所述控制模块通过CAN总线连接；
在所述显示终端上利用所述运动调节按键发出关节运动指令给所述控制模块；所述控制模块对所述关节运动指令进行处理，得到PWM控制波形并传递给所述高力矩密度永磁力矩电机，从而驱动所述机器人的关节运动，并形成机器人关节运动的当前动作状态；
所述位置传感器和力矩传感器获取所述当前动作状态的当前位置反馈信号和力反馈信号并传递给所述控制模块；
所述控制模块根据所述当前位置反馈信号和力反馈信号得到所述机器人关节的当前位置环位置、当前速度环力矩、当前电流环电流并传递给所述显示终端用于显示；
控制模块根据根据所述当前位置环位置、当前速度环力矩、当前电流环电流，确定机器人关节运动的下一动作状态，并在所述显示终端上利用所述位置调节按键发出位置调节指令给所述控制模块；
所述控制模块对所述位置调节指令进行处理，得到PWM调节波形并传递给所述高力矩密度永磁力矩电机，从而驱动所述机器人的关节运动，并完成机器人关节的下一动作状态。
2.根据权利要求1所述的多传感器融合的高集成关节控制系统，其特征在于，当所述力矩传感器获取高力矩密度永磁力矩电机的力反馈信号，并得到相应的电流值后，判断所述电流值是否超过阈值，若超过阈值，则表明电机转速异常或电机电流异常，并发送异常指令给所述控制模块，使得所述控制模块利用蜂鸣器进行异常报警；否则，直接将力反馈信号传递给所述控制模块。
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