CN110065094A - 一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法，包括机械臂本体部分及检测控制部分，所述机械臂本体部分包括三段臂杆和末端作用器，三段臂杆之间通过柔性关节连接，所述检测控制部分包括高速相机及加速度传感器，通过相机和加速度传感器的检测，计算机产生控制信号驱动机械臂运动，从而将负载搬运到指定目标位置。本发明采用气浮装置支撑机械臂本体使其处于漂浮状态，可以模拟太空环境；通过多传感器融合，对负载状态的机械臂运动进行精确检测并加以控制。

Description

一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法

技术领域

本发明涉及关节型机械臂的运动检测与控制领域，具体涉及一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法。

背景技术

随着空间技术的发展，人造卫星在科学技术试验、天气预测、区域跟踪与导航以及通信等领域都起着重要的作用，而空间站、航天飞机、空间机器人的应用使空间机械臂也得到了越来越多的关注。空间机械臂是搭载在卫星上的机械臂，可实现对于空间静止或移动目标的观察与捕获，主要完成辅助对接、目标搬运、在轨建设、摄像、对卫星等目标物的捕获与释放等任务，还可作为航天员出舱活动的辅助设备，是在轨维护与建设的关键支撑性技术，因此，对空间机械臂的研究具有特别重要的意义。

空间机械臂在随卫星发射之前，需要进行大量的地面试验，以保证其可靠性与稳定性，因此，空间机械臂的地面实验模拟平台起着相当重要的作用。现有的空间机械臂研究工作中，大多数装置未充分消除摩擦力的影响，导致与实际微重力无阻尼漂浮状态不符，影响实验效果。此外，大部分实验装置为方便制作和实验，均采用经过大比例缩小的小型机械臂装置作为替代，替代装置由于在惯性特性以及控制特性等方面与实际的大尺寸空间机械臂存在较大的差异，导致实验结果在一定程度上失去了代表性。因此，在空间机械臂的地面研究工作中，创造无摩擦微重力漂浮环境，并采用等比例或近似等比例尺寸机械臂的研究尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法。充分考虑了模拟空间机械臂微重力环境，并通过多传感器融合，实现机械臂在负载状态下的运动检测与精确控制。

本发明采用如下技术方案：

一种柔性关节机械臂的运动检测装置，包括机械臂本体部分及检测控制部分；

所述机械臂本体部分包括三段臂杆和末端作用器，所述三段臂杆分别为上臂、前臂及手腕，所述上臂一端通过肩关节与肩关节转台连接，所述肩关节转台固定在实验台上，所述上臂的另一端通过肘关节与前臂的一端连接，所述前臂的另一端通过腕关节与手腕的一端连接，所述手腕的另一端通过转动关节安装末端作用器，所述肘关节及腕关节通过关节支撑架固定在实验台上，所述关节支撑架设置气浮装置，所述气浮装置与气动回路连接实现臂杆工作在漂浮运动状态；

所述检测控制部分包括高速相机、加速度传感器、电荷放大器、视觉标志物、运动控制卡及计算机，所述计算机与运动控制卡连接，所述电荷放大器与运动控制卡连接，所述加速度传感器设置在臂杆的中间位置，所述加速度传感器检测臂杆的振动信号，输入电荷放大器，通过运动控制卡输入计算机，所述高速相机安装在实验台的上方，视觉标志物设置在肩关节、腕关节及肘关节的顶端，视觉标志物在高速相机的视野范围内，高速相机拍摄包含视觉标志物的图像，输入计算机；

所述检测控制部分还包括伺服电机驱动器及直接驱动旋转电机驱动器，所述计算机根据高速相机及加速度传感器检测的信号得到控制信号，分别向直接驱动旋转电机驱动器、伺服电机驱动器及气动回路输出控制信号，驱动末端作用器、臂杆及关节支撑架运动，进一步控制机械臂到达目标位置。

所述肩关节、肘关节及腕关节的结构相同，均由直流伺服电机、谐波减速器及连接法兰构成。

所述气浮装置由三个气浮垫构成。

所述高速相机通过相机支架安装在实验台长度方向中线的上方，用于检测识别臂杆三个关节的位置信息。

所述气动回路包括依次连接的气泵、气动三联件、二位三通阀、三通管接头及四通管接头，还包括与二位三通阀连接的开关阀驱动电路，所述开关阀驱动电路与运动控制卡连接。

与末端作用器连接的转动关节包括直接驱动旋转电机，所述直接驱动旋转电机与直接驱动旋转电机驱动器连接。

所述末端作用器为四指夹爪。

所述关节支撑架包括肘关节支撑架及腕关节支撑架，肘关节支撑架与腕关节支撑架的高度不同。

一种柔性关节机械臂的运动检测装置的方法，包括如下步骤：

第一步，在计算机输入负载需要搬运的目标位置信息，高速相机检测三个关节上视觉标识物的位置输入计算机，提取机械臂与目标位置之间的相对位置信息；

第二步，根据获得的相对位置信息，计算机初步规划各个臂杆以及关节所需要的控制信号并传输给运动控制卡，经运动控制卡内部的D/A输出模块输出给伺服电机驱动器，驱动伺服电机的转动，从而驱动机械臂在负载状态下向目标搬运位置运动；

第三步，加速度传感器实时检测各臂杆的加速度运动信息，并传输运动控制卡，输入计算机，伺服电机自带的编码器实时获取臂杆的转动位移和速度信息，并通过运动控制卡输入计算机，高速相机实时检测机械臂柔性关节的相对位置变化，并将信息传输计算机；

第四步，计算机根据得到的加速度传感器、伺服电机本身的编码器以及高速相机信息，通过融合多传感器信息，运用相应的运动控制算法，解算出修正的运动控制信号，并通过运动控制卡经D/A转换后输出给伺服电机驱动器，进一步控制关节伺服电机转动；

第五步，通过融合多传感器信息与实时的位置信息与运动信息反馈，不断修正控制信号驱动机械臂运动，最终使得末端作用器将负载精确的搬运至目标位置，完成机械臂对负载的精确搬运任务。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用气浮垫喷射加压气体形成的气膜支撑机械臂本体，避免了其与实验台的直接接触，使系统处于无摩擦的悬浮状态，从而较好的模拟出太空无阻尼漂浮状态；

(2)本发明采用视觉传感器与加速度传感器相结合的方法对机械臂的运动信息进行检测，通过多传感器融合对机械臂在负载搬运过程中的运动进行检测与控制，提高了精确度；

(3)本发明中空间机械臂的肩关节、肘关节和腕关节均采用谐波减速器柔性关节，谐波传动结构紧凑，体积小、重量轻，传动比大，承载能力大，传动精度高，运动平稳，动态响应快速而准确；

(4)本发明在手腕与末端作用器连接处增设了一个转动关节，在末端作用器夹取目标负载时可以通过调节，控制末端作用器转动至最佳夹取姿态，可提高对目标物夹取的成功率与牢固性。

(5)本发明可模拟实现空间机械臂将负载搬运至目标位置的精确控制等相关操作任务，并提供了传感、驱动、运动规划、控制等各模块参考方案，可作为空间机械臂的地面模拟实验平台，为空间机械臂相关领域的研究和应用提供参考。

(6)本发明中机械臂使用了三个谐波柔性关节，该装置还可应用于柔性关节机械臂在负载状态下的柔性运动特性方面的研究。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为图1装置的主视图。

图3为图1装置的俯视图。

图4为本发明的结构示意图。

图5为肘关节结构的爆炸示意图。

图6为图1装置的运动检测与控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图4所示，本实施例提供了一种基于视觉和加速度传感器的柔性关节机械臂运动检测装置，该装置包括机械臂本体及检测控制单元；

图1中的虚线连接指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向，各传感器与驱动器连接仅选其一进行示意；

所述机械臂本体包括上臂5、前臂8及手腕12共三段臂杆、一个末端作用器15，所述上臂通过肩关节安装在实验台1上的肩关节转台2上，前臂通过肘关节6与上臂连接，手腕通过腕关节与前臂连接，末端作用器通过转动关节13与手腕连接。

所述肩关节、肘关节、腕关节三个柔性关节主要通过伺服电机、谐波减速器、连接法兰组合构成，所述连接末端作用器的转动关节由直接驱动旋转电机与安装法兰构成。

机械臂柔性关节采用的谐波减速器依靠柔轮不断的弹性变形来传递扭矩和运动，柔轮和钢轮之间的接触方式为面接触，并且同时啮合的齿数对较多，所以承载能力较高，齿面磨损均匀，柔轮和钢轮的齿侧间隙是随负载变化而变化的，当柔轮的负载较高时，能够实现无侧隙的高精度啮合，传动精度高，传动效率高，回差小，传动稳定。

三个柔性关节的结构相同，以上臂与前臂连接处的肘关节为例，肘关节结构爆炸图如图5所示，伺服电机33通过平键与谐波减速器35的键槽连接，用两个锁紧螺钉锁紧，并通过连接法兰34用螺栓紧固构成关节组件，关节组件一端通过连接法兰与臂杆关节凸台上的关节安装孔32用螺栓连接紧固，关节组件另一端通过谐波减速器上端输出法兰与臂杆末端中部的安装孔用螺栓连接紧固，两根臂杆关节处的上下端分别安装有关节上端盖36和关节下端盖31，关节上端盖上粘贴有用于高速相机识别的视觉标识物4。

每段臂杆的中间位置设置一个加速度传感器9，用于识别三段臂杆的加速度运动信息，所述肘关节通过肘关节支撑架7固定在实验台上，所述腕关节通过腕关节支撑架11固定在实验台上，两个关节之厂家底部均安装有三个气浮垫，三个气浮垫与气动回路连接，向气浮垫充气使机械臂本体漂浮在所述实验台的大理石表面。

所述气动回路用于为两个关节支撑架底部的气浮垫持续供气，气动回路由气泵25、气动三联件26、开关阀驱动电路27、二位三通阀28、三通管接头29、四通管接头30构成，所述气泵、气动三联件顺序连接，并连接至二位三通阀的输入端口，通过开关阀驱动电路控制气路的通断，二位三通阀的输出端口连接一个三通管接头的一个端口作为输入，三通管接头另外两个端口再各自连接一个四通管接头的一个端口，两个四通管接头的其余三个端口再依次与肘关节支撑架、腕关节支撑架底部的三个气浮垫连接，气动回路提供的加压气体通过气浮垫内部通路在气浮垫底部和大理石表面之间形成一层很薄的压力气膜，使机械臂处于无摩擦悬浮状态，模拟太空中的无阻尼漂浮环境；

所述检测控制部分，包括计算机24、运动控制卡23、电荷放大器22、伺服电机驱动器21、直接驱动旋转电机驱动器20，以及开关阀驱动电路27。

所述高速相机19通过相机安装桁架17安装在实验台1长度方向的中间位置，相机安装桁架的横杆中部安装有相机安装板18，高速相机19通过安装板安装在桁架的横杆上，通过高速相机的相机与镜头选型以及安装位置等的设置，保证了整个实验台均处在高速相机的视场范围内；所述加速度传感器9通过安装凸台37分别安装在上臂、前臂、手腕三段臂杆的中部；

所述计算机通过运动控制卡，分别与所述电荷放大器、伺服电机驱动器、直接驱动旋转电机驱动器以及开关阀驱动电路连接，所述电荷放大器与三根臂杆上的加速度传感器连接，所述开关阀驱动电路与二位三通阀连接于气动回路中，所述伺服电机驱动器与三个柔性关节处的伺服电机连接，所述直接驱动旋转电机驱动器与转动关节处的直接驱动旋转电机连接。

如图6所示，一种基于视觉和加速度传感器的柔性关节机械臂运动检测方法，包括如下步骤：

步骤一，在计算机中输入负载搬运目标位置信息，通过高速相机检测机械臂三个柔性关节上视觉标识物的位置，经过计算机内的图像处理算法，提取出机械臂与目标位置的相对位置信息；

步骤二，计算机通过算法初步规划各个臂杆以及关节所需要的控制信号，并通过运动控制卡传输出给伺服电机驱动器，驱动伺服电机的转动，使机械臂往指定目标位置方向运动；

步骤三，加速度传感器实时检测各机械臂杆的加速度运动信息，伺服电机自带的编码器实时检测电机的转动信息，高速相机实时检测机械臂各柔性关节的相对位置变化，三种运动信息均传输至计算机；

步骤四，计算机根据得到的加速度传感器、编码器以及高速相机的信号，通过融合多传感器信息，运用相应的运动控制算法，解算出修正后的运动控制信号，进一步反馈控制关节伺服电机转动；

步骤五，通过融合多传感器信息与实时的位置信息与运动信息反馈，不断修正控制信号驱动机械臂运动，最终使得末端作用器将负载精确的搬运至目标位置，完成机械臂对负载的精确搬运任务。

在本实施例中，实验台1的几何尺寸为长3180mm×宽2580mm×高800mm，实验台底座由三种长度分别为1500mm、1200mm、800mm的铝型材组装而成，其中长度方向由两根1500mm的铝型材拼接而成，宽度方向由两根1200mm的铝型材拼接而成，型材的每个连接处都有角铁固定；台座有两层支撑，顶部安装金属板，金属板由两块尺寸为2580mm×1590mm的不锈钢板拼接而成，金属板边缘设有高度为100mm的挡边，防止机械臂滑落，金属板上面平放多块大理石板拼接成平整面，大理石板之间缝隙通过密封材料密封。

上臂5、前臂8、手腕12三段机械臂杆的材料相同，均为航天器常用的制作材料7075-T7651铝合金，密度为ρ＝2820kg·m^-3，臂杆均为截面尺寸相同的薄壁金属圆筒，尺寸为外径150mm×壁厚15mm，臂杆的长度分别为上臂长1000mm、前臂长800mm、手腕长500mm。

肩关节3、肘关节6、腕关节10三个柔性关节处的伺服电机33均选用由安川伺服电机株式会社生产的伺服电机，柔性关节处的谐波减速器35均选用哈默纳科(上海)商贸有限公司生产的谐波减速器，三个关节伺服电机配套使用的伺服电机驱动器亦选用安川伺服电机株式会社的产品，具体选用的组合为：

肩关节选用安川SGM7A-15AFA61型号的伺服电机，额定输出功率为1.5kW；配套使用的伺服驱动器型号为SGD7S-120A30A002，最大适用电机容量为1.5kW；谐波减速器选用型号为CSG-45-100-LW，减速比为1:100；

肘关节选用安川SGM7A-04AFA61型号的伺服电机，额定输出功率为400W；配套使用的伺服驱动器型号为SGD7S-2R8A30A002，最大适用电机容量为0.4kW；谐波减速器选用型号为CSG-25-100-LW，减速比为1:100；

腕关节选用安川SGM7A-01AFA61型号的伺服电机，额定输出功率为100W；配套使用的伺服驱动器型号为SGD7S-R90A30A002，最大适用电机容量为0.1kW；谐波减速器选用型号为CSG-17-100-LW，减速比为1:100。

末端作用器转动关节13处的直接驱动旋转电机14选用由新加坡雅科贝思生产的型号为ADR110-A75的直接驱动旋转电机，额定转矩1.9Nm；配套使用的直接驱动旋转电机驱动器选用的是安川伺服电机株式会社生产的型号为SGDV-2R8A的伺服单元；末端作用器15选用的是德国雄克SCHUNK的PZV系列四指夹爪；负载16为几何尺寸56mm×56mm×70mm的方形铁块负载，负载质量约1.7kg。

肘关节支撑架7高度为189mm，腕关节支撑架11高度为336mm，两者底部均安装三个由德国Aerolas公司生产的型号为AL-60-HD+G的气浮垫，工作面直径为60mm，推荐最大负载为800N，三个气浮垫可支持最大负载为2400N，足以支持机械臂关节。

加速度传感器9选用的是德国Kistler公司生产的8688A10型号的压电式三向加速度传感器，加速度检测范围为±10g，灵敏度为500mV/g，频率响应为0.5～5000Hz。

高速相机安装桁架17的高度为2000mm，安装在实验台长度方向的中点处；高速相机19选用日本Photron公司的型号为FASTCAM-SA2的高速摄像机，该高速相机配置有高层次融合了超高分辨率、高速、高清晰度、高感光度的最新锐C-MOS图像传感器，拍照频率在2048×2048像素下可达1080帧/秒，需要AC电源电压100V～240V，重量6.9kg，选用日本理光公司的镜头，型号为FL-CC0814-2M，焦距为8mm，尺寸大小为Ф33.5mm×28.2mm，质量为63g，并保证了整个实验台均处在高速相机的视场范围内。

电荷放大器22选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；运动控制卡23选用美国GALIL公司生产的DMC-2x00数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口；计算机24选用的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可以安装运动控制卡23。

气泵25选用由上海捷豹压缩机制造有限公司生产的型号为FB750D0-30A65的空气压缩机，输入功率为2.4kW，转速为1380rpm，额定容积流量为204L/min；气动三联件26由空气过滤器(型号为AF30-03)、减压阀(型号为AR25-03)和油雾分离器(型号为AFM30-03)组装在一起，并带有压力表(型号为：G36-10-01)一个，由日本SMC气动公司生产；二位三通阀28选用型号为VPA342-01A-F的三通气控阀，由日本SMC气动公司生产；气动回路中的一个三通管接头29、两个四通管接头30均选用日本SMC气动公司生产的KB系列配管组件自行组装而成，即通过选用1个KBP堵头、1个KBH内接接头，以及3个KBV弯头组件组装而成；开关阀驱动电路27可以参见中国专利号为200810198032.1、名称为“柱塞式双出杆气液缸与气液联控位置和速度伺服控制装置”的发明专利，在该文献中对开关阀驱动电路27进行了说明。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，包括机械臂本体部分及检测控制部分；

所述机械臂本体部分包括三段臂杆和末端作用器，所述三段臂杆分别为上臂、前臂及手腕，所述上臂一端通过肩关节与肩关节转台连接，所述肩关节转台固定在实验台上，所述上臂的另一端通过肘关节与前臂的一端连接，所述前臂的另一端通过腕关节与手腕的一端连接，所述手腕的另一端通过转动关节安装末端作用器，所述肘关节及腕关节通过关节支撑架固定在实验台上，所述关节支撑架设置气浮装置，所述气浮装置与气动回路连接实现臂杆工作在漂浮运动状态；

所述检测控制部分包括高速相机、加速度传感器、电荷放大器、视觉标志物、运动控制卡及计算机，所述计算机与运动控制卡连接，所述电荷放大器与运动控制卡连接，所述加速度传感器设置在臂杆的中间位置，所述加速度传感器检测臂杆的振动信号，输入电荷放大器，通过运动控制卡输入计算机，所述高速相机安装在实验台的上方，视觉标志物设置在肩关节、腕关节及肘关节的顶端，视觉标志物在高速相机的视野范围内，高速相机拍摄包含视觉标志物的图像，输入计算机；

所述检测控制部分还包括伺服电机驱动器及直接驱动旋转电机驱动器，所述计算机根据高速相机及加速度传感器检测的信号得到控制信号，分别向直接驱动旋转电机驱动器、伺服电机驱动器及气动回路输出控制信号，驱动末端作用器、臂杆及关节支撑架运动，进一步控制机械臂到达目标位置。

2.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，所述肩关节、肘关节及腕关节的结构相同，均由直流伺服电机、谐波减速器及连接法兰构成。

3.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，所述气浮装置由三个气浮垫构成。

4.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，所述高速相机通过相机支架安装在实验台长度方向中线的上方，用于检测识别臂杆三个关节的位置信息。

5.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，所述气动回路包括依次连接的气泵、气动三联件、二位三通阀、三通管接头及四通管接头，还包括与二位三通阀连接的开关阀驱动电路，所述开关阀驱动电路与运动控制卡连接。

6.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，与末端作用器连接的转动关节包括直接驱动旋转电机，所述直接驱动旋转电机与直接驱动旋转电机驱动器连接。

7.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，所述末端作用器为四指夹爪。

8.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，所述关节支撑架包括肘关节支撑架及腕关节支撑架，肘关节支撑架与腕关节支撑架的高度不同。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，在计算机输入负载需要搬运的目标位置信息，高速相机检测三个关节上视觉标识物的位置输入计算机，提取机械臂与目标位置之间的相对位置信息；

第二步，根据获得的相对位置信息，计算机初步规划各个臂杆以及关节所需要的控制信号并传输给运动控制卡，经运动控制卡内部的D/A输出模块输出给伺服电机驱动器，驱动伺服电机的转动，从而驱动机械臂在负载状态下向目标搬运位置运动；

第三步，加速度传感器实时检测各臂杆的加速度运动信息，并传输运动控制卡，输入计算机，伺服电机自带的编码器实时获取臂杆的转动位移和速度信息，并通过运动控制卡输入计算机，高速相机实时检测机械臂柔性关节的相对位置变化，并将信息传输计算机；

第四步，计算机根据得到的加速度传感器、伺服电机本身的编码器以及高速相机信息，通过融合多传感器信息，运用相应的运动控制算法，解算出修正的运动控制信号，并通过运动控制卡经D/A转换后输出给伺服电机驱动器，进一步控制关节伺服电机转动；

第五步，通过融合多传感器信息与实时的位置信息与运动信息反馈，不断修正控制信号驱动机械臂运动，最终使得末端作用器将负载精确的搬运至目标位置，完成机械臂对负载的精确搬运任务。