CN109605344B - 一种多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法，该机械臂断电情况下机械臂能够实现自然下垂；机械臂各个关节上均安装有找零装置，用于检测机械臂各个关节的机械零位；在机械臂运动空间中安装有带深度信息的摄像头，机械臂末端安装有十字靶标。本发明进一步给出了机械臂的控制方法，机械臂上电后，控制机械臂转动至接近零位的姿态，然后执行找零动作，控制各关节以一定的顺序各自回零，记录当前各关节位置为参考零位准确值，此时机械臂的控制位置和实际位置相符合，控制精度得以保障。本发明的多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法，不需要增加位置传感器，能够在失步时实现找零，保证多自由度开环步进串联机械臂的控制精度。

Description

一种多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法，属于装备自动化、智能机器人领域。
背景技术
现有的传统工业机械臂多数采用闭环伺服驱动形式，伺服驱动的优点是精度高、能量效率高，动态响应好，但成本也高，并且由于伺服电机的低扭矩、高转速特性，使得机械臂关节必须采用高减速比的谐波减速器或RV减速器，进一步增加了成本压力。
近年来出现了应用于服务业、娱乐演示、教学的机械臂产品，它们多数采用步进开环驱动形式，这种驱动形式大大降低了成本，不需要位置反馈器件，并且由于步进电机的低转速、高扭矩特性，对减速比的要求降低，可以采用低成本减速机进一步降低成本，综合来看，开环步进机械臂的机电系统的成本比相同负载等级的传统工业机械臂要低一半以上，在很多对成本比较敏感，而对性能、精度要求不高的场合，如服务业、娱乐演示、教育场合非常适用，所以步进开环的机械臂也有相当的市场价值。
然而，开环步进系统没有位置反馈，电机驱动器接收控制系统的位置指令，给出增量形式的角度输出，并没有绝对位置，这对于要求重复执行固定动作的机械臂来说是不可接受的，这种特性限制了开环步进系统在机器人领域的应用。
现有的开环步进机械臂的控制方式比较简单，控制系统对步进驱动器输入控制脉冲，步进系统即可完成脉冲对应的位置指令，但是步进系统由于没有位置反馈，在负载较大时容易产生失步现象，导致电机实际位置与控制系统输出的位置不相符，从而损失整个系统的精度。
现有的开环系统多数具备找零装置，但这种装置从原理上无法应用于串联型机械臂。这种装置依赖一个安装在运动行程首端或尾端的传感器，检测滑块或关节感应点的到来，检测到运动物体即对控制系统发出信号，指示控制系统将位置清零或设定为某值。这种开环运动系统的找零方案缺点在于，零位只能位于运动行程的首端或尾端，对于机器人关节来讲，只能转动到极限位置，即关节转动范围内的最大或最小角度，实现找零，这对于很多机器人应用场景来说是无法实现的，例如周围有物体遮挡、或自身本体遮挡，某关节无法运动到极限位置时，机器人该关节就无法找零。
现有的位置反馈方案还有增加位置传感器方案，如光电式编码器，磁电式编码器，旋转变压器等等，这些传感器往往价格高昂，体积、重量较大，信号线缆多，不便于结构和电气布局。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法，不需要增加位置传感器，能够在失步时实现找零，保证多自由度开环步进串联机械臂的控制精度。
本发明的技术方案是：
一种多自由度开环步进串联机械臂，所述机械臂各个轴的减速器为同步带或谐波减速器，各个轴不带抱闸，断电情况下机械臂能够实现自然下垂；机械臂各个关节上均安装有找零装置，找零装置用于检测机械臂各个关节的机械零位；在机械臂运动空间中安装有带深度信息的摄像头，机械臂末端安装有十字靶标，所述摄像头用于获取十字靶标的空间位置信息。
所述每个关节上的找零装置均包括光电开关和挡片；其中，挡片为弧形片状结构；挡片以o点为圆心做圆周转动；光电开关固定设置在挡片的圆周转动路径上；当挡片旋转至遮挡光电开关位置时，光电开关的输出信号为1；当挡片旋转至不遮挡光电开关位置时，光电开关的输出信号为0；光电开关的输出信号从0到1跳变时，挡片的位置即为所在关节的机械零位。
转动挡片时，光电开关不允许位于的区域A对应圆心o点的圆心角c为30°-60°。
所述多自由度开环步进串联机械臂的控制方法，包括如下步骤：
(1)机械臂驱动上电前，将机械臂处于自然下垂位；
(2)给机械臂驱动上电，机械臂保持上电前位置；
(3)对自然下垂位时机械臂各关节角度的理论值与参考零位各关节角度的理论值进行对应求差，参考零位为机械臂设计完成时确定的零位；
(4)根据步骤(3)的结果，控制机械臂各关节运动至参考零位理论值；
(5)运动到位后，机械臂各关节通过找零装置找零；
(6)将机械臂各关节当前的坐标位置设置为参考零位的准确值，此时机械臂已精准找到零位，开始执行后续动作；
(7)机械臂运动过程中，通过带深度信息的摄像头采集十字靶标的位置，将其与当前机械臂的理论控制位置相比较，如果偏差大于阈值上限，判定机械臂大失步，进入步骤(8)；如果偏差小于阈值下限，判定机械臂没有失步，进入步骤(9)；如果偏差位于阈值上限和下限之间，则判定机械臂小失步，进入步骤(10)；
(8)机械臂断电，重复步骤(1)-(7)；
(9)机械臂继续执行后续动作，同时执行步骤(7)；
(10)控制机械臂各关节运动至步骤(6)中确定的准确的参考零位处，继续执行后续动作，同时执行步骤(7)。
所述步骤(1)中，如机械臂不能位于自然下垂位，则应通过人工拖动机械臂到自然下垂位。
所述步骤(1)中，机械臂各关节角度相对于标准自然下垂位的误差不超过±10°。
所述步骤(7)中，十字靶标的位置与当前机械臂的理论控制位置的偏差Δδ通过如下公式计算：
Figure BDA0001940229110000041
其中，(x1,y1,z1)为十字靶标在相机坐标系下的位置坐标，(x2,y2,z2)为当前机械臂在相机坐标系下的理论控制位置，由当前机械臂在机械臂坐标系下的理论控制位置转换得到；
相机坐标系原点为摄像头光心，z轴为摄像头光轴，x轴垂直与机械臂的安装基座，且x、y轴符合右手定则。
所述步骤(4)中，机械臂各关节运动的顺序为从初始关节到末端关节，依次运动。
所述步骤(5)中，机械臂各关节找零的顺序为从末端关节到初始关节，依次找零。
所述步骤(5)中，机械臂各关节同时找零。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明控制方法解决了步进开环串联机械臂的伺服定位问题，使得开环步进驱动方案能够应用到机器人领域，不需要在机械臂关节处增加位置传感器，大大降低了机器人本体的成本。
2、本发明增加了找零装置，并给出了上电时找零的控制方法，避免了传统方法中上电时机械臂各关节位置混乱，施加运动指令后容易出现碰撞的危险。
3、本发明在机械臂运动过程中进行失步监控，一旦发生失步，根据失步大小选择不同的找零方法实现找零，步进开环串联机械臂的运行时精度。
4、本发明找零装置，成本大大低于传统光电或磁电式编码器方案，且所需信号线缆远远少于传统光电或磁电式编码器方案。
附图说明
图1为找零装置示意图；
图2为控制方法流程图；
图3为仿人形机器人的机械臂示意图。
具体实施方式
本发明的多自由度开环步进串联机械臂，各个轴的减速器为同步带或谐波减速器，各个轴不带抱闸，断电情况下机械臂能够实现自然下垂；机械臂各个关节上均安装有找零装置，找零装置用于检测机械臂各个关节的机械零位；在机械臂运动空间中安装有带深度信息的摄像头，机械臂末端安装有十字靶标，摄像头用于获取十字靶标的空间位置信息。
本发明开环机械臂的精度控制，要点是确定关节的绝对位置，绝对位置由找零动作确定，找零动作依赖于特殊设计的找零装置。
如图1所示，每个关节上的找零装置均包括光电开关1和挡片2。其中，挡片2为弧形片状结构；挡片2以o点为圆心做圆周转动；光电开关1固定设置在挡片2的圆周转动路径上；当挡片2旋转至遮挡光电开关1位置时，光电开关1的输出信号为1；当挡片2旋转至不遮挡光电开关1位置时，光电开关1的输出信号为0。
挡片2对应圆心o点的圆心角a为60°-200°；光电开关的机械限位区域A是指转动挡片时，光电开关不允许位于的区域。机械限位区域A对应圆心o点的圆心角c为30°-60°。光电开关的输出信号从0到1跳变时，挡片的位置即为所在关节的机械零位。
如图2所示，本发明多自由度开环步进串联机械臂的控制方法，步骤如下：
(1)机械臂驱动上电前，将机械臂处于自然下垂位，如机械臂不能位于自然下垂位，则应通过人工拖动机械臂到自然下垂位。机械臂各关节角度相对于标准自然下垂位的误差不超过±10°。
(2)给机械臂驱动上电，机械臂保持上电前位置；
(3)对自然下垂位时机械臂各关节角度的理论值与参考零位各关节角度的理论值进行对应求差，参考零位为机械臂设计完成时确定的零位；
(4)根据步骤(3)的结果，控制机械臂各关节运动至参考零位理论值；
(5)运动到位后，机械臂各关节通过找零装置找零；
(6)将机械臂各关节当前的坐标位置设置为参考零位的准确值，此时机械臂已精准找到零位，开始执行后续动作；
(7)机械臂运动过程中，根据轨迹控制指令执行控制轨迹，经过测量区域时，通过带深度信息的摄像头采集十字靶标的位置，将其与当前机械臂的理论控制位置相比较，如果偏差大于阈值上限，判定机械臂大失步，进入步骤(8)；如果偏差小于阈值下限，判定机械臂没有失步，进入步骤(9)；如果偏差位于阈值上限和下限之间，则判定机械臂小失步，进入步骤(10)；
(8)机械臂断电，重复步骤(1)-(7)；
(9)机械臂继续执行后续动作，同时执行步骤(7)；
(10)控制机械臂各关节运动至步骤(6)中确定的准确的参考零位处，继续执行后续动作，同时执行步骤(7)。
开环机械臂的控制难点在于，机械臂启动上电时，控制系统无法获得机械臂的当前姿态，即各关节角度，对于串联机械臂来讲，在控制系统未知臂形姿态的情况下贸然下发运动指令，容易导致机械臂关节碰撞机械限位，臂杆碰坏自身本体或者环境物体，严重情况下可能伤害周围人员，这是非常危险的。
本发明所述控制方法的操作步骤规定，机械臂上电前一定要位于一个大概位置——上电预位，上电预位一般处于机械臂失电后可保持自然稳定的姿态，本发明选定机械臂自然下垂姿态。当然，也可选定平放于工作台面，或其他一些可因自身关节阻尼摩擦、外部受力共同作用形成的失电后自然稳定的姿态。机械臂上电后，控制系统根据上电预位的姿态，控制机械臂转动至接近零位的姿态，机械臂以可预测的轨迹运动，不会意外发生碰撞干涉，然后执行找零动作，控制各关节以一定的顺序各自回零，此时机械臂的运动是小范围且可预测的，找零完成后，记录当前各关节位置为参考零位准确值，此时机械臂的控制位置和实际位置相符合，控制精度得以保障。各关节角度相对于标准自然下垂位的误差不超过±10°。
本发明的找零装置，使得参考零位可置于关节任意位置。
本发明可以实现步进开环串联机械臂的高精度位置控制，完美适用于开环机械臂的应用场景。
实施例：
以一种步进开环串联机械臂产品——仿人形机器人的右臂(如图3)为例，该机械臂有6个关节，分别是前后肩关节(1轴)，左右肩关节(2轴)，肘关节(3轴)，腕关节1(4轴)，腕关节2(5轴)，腕关节3(6轴)，机械臂标准零位为行业常用的机械臂位姿，各轴角度为(0°,90°,0°,0°,90°,0°)。机械臂各个轴的减速器为同步带，各个轴不带抱闸，断电情况下机械臂能够实现自然下垂；机械臂各个关节上均安装有找零装置，在机械臂运动空间中安装有带深度信息的摄像头，机械臂末端安装有十字靶标。
控制方法如下：
机械臂驱动上电前，将机械臂处于自然下垂位；
给机械臂驱动上电，机械臂保持上电前位置；
控制机械臂各关节按照前后肩关节(1轴)，左右肩关节(2轴)，肘关节(3轴)，腕关节1(4轴)，腕关节2(5轴)，腕关节3(6轴)的顺序依次运动至参考零位理论值；
运动到位后，机械臂各关节通过找零装置找零，找零顺序为腕关节3(6轴)、腕关节2(5轴)、腕关节1(4轴)、肘关节(3轴)、左右肩关节(2轴)、前后肩关节(1轴)；
将机械臂各关节当前的坐标位置设置为参考零位的准确值，此时机械臂已精准找到零位，开始执行后续动作；
机械臂运动过程中，通过带深度信息的摄像头采集十字靶标的位置，将其与当前机械臂的理论控制位置相比较，如果偏差大于阈值上限，判定机械臂大失步；如果偏差小于阈值下限，判定机械臂没有失步，继续执行后续动作，并继续判断是否有失步发生；如果偏差位于阈值上限和下限之间，则判定机械臂小失步；按照本发明所述的方法进行大失步、小失步处理。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种多自由度开环步进串联机械臂，其特征在于：所述机械臂各个轴的减速器为同步带或谐波减速器，各个轴不带抱闸，断电情况下机械臂能够实现自然下垂；机械臂各个关节上均安装有找零装置，找零装置用于检测机械臂各个关节的机械零位；在机械臂运动空间中安装有带深度信息的摄像头，机械臂末端安装有十字靶标，所述摄像头用于获取十字靶标的空间位置信息；
所述多自由度开环步进串联机械臂的控制方法，包括如下步骤：
(1)机械臂驱动上电前，将机械臂处于自然下垂位；
(2)给机械臂驱动上电，机械臂保持上电前位置；
(3)对自然下垂位时机械臂各关节角度的理论值与参考零位各关节角度的理论值进行对应求差，参考零位为机械臂设计完成时确定的零位；
(4)根据步骤(3)的结果，控制机械臂各关节运动至参考零位理论值；
(5)运动到位后，机械臂各关节通过找零装置找零；
(6)将机械臂各关节当前的坐标位置设置为参考零位的准确值，此时机械臂已精准找到零位，开始执行后续动作；
(7)机械臂运动过程中，通过带深度信息的摄像头采集十字靶标的位置，将其与当前机械臂的理论控制位置相比较，如果偏差大于阈值上限，判定机械臂大失步，进入步骤(8)；如果偏差小于阈值下限，判定机械臂没有失步，进入步骤(9)；如果偏差位于阈值上限和下限之间，则判定机械臂小失步，进入步骤(10)；
(8)机械臂断电，重复步骤(1)-(7)；
(9)机械臂继续执行后续动作，同时执行步骤(7)；
(10)控制机械臂各关节运动至步骤(6)中确定的准确的参考零位处，继续执行后续动作，同时执行步骤(7)。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度开环步进串联机械臂，其特征在于：所述每个关节上的找零装置均包括光电开关(1)和挡片(2)；其中，挡片(2)为弧形片状结构；挡片(2)以o点为圆心做圆周转动；光电开关(1)固定设置在挡片(2)的圆周转动路径上；当挡片(2)旋转至遮挡光电开关(1)位置时，光电开关(1)的输出信号为1；当挡片(2)旋转至不遮挡光电开关(1)位置时，光电开关(1)的输出信号为0；光电开关(1)的输出信号从0到1跳变时，挡片(2)的位置即为所在关节的机械零位。
3.根据权利要求2所述的一种多自由度开环步进串联机械臂，其特征在于：转动挡片时，光电开关(1)不允许位于的区域A对应圆心o点的圆心角c为30°-60°。
4.根据权利要求1所述的一种多自由度开环步进串联机械臂，其特征在于：所述步骤(1)中，如机械臂不能位于自然下垂位，则应通过人工拖动机械臂到自然下垂位。
5.根据权利要求4所述的一种多自由度开环步进串联机械臂，其特征在于：所述步骤(1)中，机械臂各关节角度相对于标准自然下垂位的误差不超过±10°。
6.根据权利要求1所述的一种多自由度开环步进串联机械臂，其特征在于：所述步骤(7)中，十字靶标的位置与当前机械臂的理论控制位置的偏差Δδ通过如下公式计算：
Figure FDA0002667660310000021
其中，(x1,y1,z1)为十字靶标在相机坐标系下的位置坐标，(x2,y2,z2)为当前机械臂在相机坐标系下的理论控制位置，由当前机械臂在机械臂坐标系下的理论控制位置转换得到；
相机坐标系原点为摄像头光心，z轴为摄像头光轴，x轴垂直与机械臂的安装基座，且x、y轴符合右手定则。
7.根据权利要求1所述的一种多自由度开环步进串联机械臂，其特征在于：所述步骤(4)中，机械臂各关节运动的顺序为从初始关节到末端关节，依次运动。
8.根据权利要求7所述的一种多自由度开环步进串联机械臂，其特征在于：所述步骤(5)中，机械臂各关节找零的顺序为从末端关节到初始关节，依次找零。
9.根据权利要求7所述的一种多自由度开环步进串联机械臂，其特征在于：所述步骤(5)中，机械臂各关节同时找零。
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