CN110154032B - 机械臂的控制系统和机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂的控制系统，包括：芯片，所述芯片包括正弦电流寄存器和逆电磁势感应寄存器；微处理器，与所述正弦电流寄存器和所述逆电磁势感应寄存器分别进行通信，所述微处理器访问所述正弦电流寄存器，调整输出电流以使电流输出与机械臂的扭矩相匹配；所述微处理器还访问所述逆电磁势感应寄存器，用于设置转速和扭矩的逆电磁势级别，以控制所述机械臂在扭矩负载达到实际极限时，以及所述机械臂在保持姿势时的电流。

Description

机械臂的控制系统和机械臂

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体而言，涉及一种机械臂的控制系统和机械臂。

背景技术

目前，移动机器人的电池容量有限，频繁运动的机械臂的电流巨大，严重影响了机器人的使用时间和寿命。为了应对功耗问题，现有技术方案是通过增加电池体积或者减少机械臂自由度（轴数）或者是降低功率实现的。但是，电池体积增大，容易产生机身过热，增加售后安装更换难度，使用中的安全隐患也容易出现。减少机械臂自由度，很多姿态无法形成和保持，没有实际价值。降低功率减少了应用场所。即，现有技术无法解决机械臂的电流巨大的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种机械臂的控制系统和机械臂，以解决现有技术中机械臂的电流比较大的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种机械臂的控制系统，包括：芯片，所述芯片包括正弦电流寄存器和逆电磁势感应寄存器；微处理器，与所述正弦电流寄存器和所述逆电磁势感应寄存器分别进行通信，所述微处理器访问所述正弦电流寄存器，调整输出电流以使电流输出与机械臂的扭矩相匹配；所述微处理器还访问所述逆电磁势感应寄存器，用于设置转速和扭矩的逆电磁势级别，以控制所述机械臂在扭矩负载达到实际极限时，以及所述机械臂在保持姿势时的电流。

可选地，所述系统还包括：计步器，设置在所述芯片内部；磁编码传感器，与所述芯片进行通信，用于结合所述计步器的数据判断步进电机是否丢步。

可选地，所述磁编码传感器通过ABN接口与所述芯片相连接，在电路板上所述磁编码传感器安装在与所述芯片相对的另外一侧，所述磁编码传感器正对步进电机轴心设置。

可选地，所述系统还包括：力矩测量传感器和力反馈传感器，设置在所述机械臂上，用于测量力矩和进行力反馈。

可选地，所述力矩测量传感器和所述力反馈传感器分别设置有电磁接口，用于将所述力矩测量传感器和所述力反馈传感器连接至所述机械臂上。

可选地，所述系统还包括：光电开关，设置在所述芯片上，用于在被触发后向所述微处理器上报触发事件和事件发生位置，其中，所述触发事件表示机械臂转到预设位置，所述事件发生位置表示发生触发事件时，步进电机相对于开机时旋转的步数。

可选地，所述微处理器通过SPI和IO口与所述芯片通信，用于对所述芯片进行参数配置，或者发送/接收信息。

可选地，所述系统还包括：电压转换电路，与所述芯片、所述微处理器和所述磁编码传感器均连接，用于供电。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种机械臂，包括：上述机械臂的控制系统；步进电机，与所述控制系统相连接，用于在所述控制系统的控制下驱动所述机械臂运动。

可选地，所述步进电机用于控制所述机械臂的关节的自由度，所述机械臂还包括舵机，用于控制所述机械臂手爪的自由度。

本实施例根据电机运动轴相位输出相应比例电流的正弦电流地址寄存器来控制电流输出，使得电流输出相位曲线是正弦波的关系。同时，减少电机运行中出现的丢步情况也可以减少电流的无用输出。通过磁编码寄存器，辅助确定电机运行的步数是否符合程序要求。大大提高了运行时步数的正确率，出现失步时配合光电传感器的限位位置，也便于程序修正。进一步地，通过对电磁爪增加力反馈传感器，可以防止电磁爪过载，对它保护，并减少过载电流的损耗。开启逆电磁势防止电机过载功能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的机械臂结构的示意图；以及

图2示出了根据本发明的机械臂的控制系统的示意图；

图3示出了根据本发明的磁编码器的安装位置的示意图；

图4示出了根据本发明的四个细分角度的电流位置设置图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例以低功耗的6自由度机械臂闭环高精度姿态控制抓取系统为例进行说明。如图1所示，A1-A5是机械臂关节的步进电机，A6是抓手的舵机。A1-A5分别决定5个关节的自由度。A6决定手爪的自由度。步进电机和舵机控制机械臂各个关节和抓手的运动，B1-B6是驱动电路板子，接口上是CAN总线和电源线的插座和插头。该驱动电路板子可以理解为本实施例所要求保护的机械臂的控制系统。C1-C5是光电限位开关。C6是电磁接口抓手的力反馈传感器，可以用来对抓手进行力反馈。D1相当于抓手的电磁接口，有电磁吸附部分，CAN总线接口，电源和地线接口。电磁接口用于吸附力反馈传感器和力矩测量传感器。A和B之间是电机或舵机的连接线。B和C之间是光电开关的连接线。B和B之间是通过E1连接在一起的。E1是指CAN收发总线，电源线，地线的四股电线。机械臂通过CAN总线访问各个节点，完成姿态保持。

以下结合附图对本实施例的机械臂的控制系统进行说明。

如图2所示，该机械臂的控制系统主要包括：芯片，所述芯片包括正弦电流寄存器和逆电磁势感应寄存器；微处理器，与所述正弦电流寄存器和所述逆电磁势感应寄存器分别进行通信，所述微处理器访问所述正弦电流寄存器，调整输出电流以使电流输出与机械臂的扭矩相匹配；所述微处理器还访问所述逆电磁势感应寄存器，用于设置转速和扭矩的逆电磁势级别，以控制所述机械臂在扭矩负载达到实际极限时，以及所述机械臂在保持姿势时的电流。

该芯片可以采用TMC5130芯片，提供正弦电流寄存器和逆电磁势感应寄存器。微处理器（microcontroller unit,简称MCU）访问芯片的正弦电流寄存器，通过对90度的相位电流详细设置，根据具体的需求优化电流输出，使得360度的电流输出符合每个机械臂的扭矩大小，减少电机的噪音和功耗。

步进电机运行四个细分角度的微步位置的电流曲线类似于一个周期的正弦波形，所以步进电机电流的四个细分角度输出要接近正弦波形。细分角度是指每1.8度细分为256个微步位置。

电机轴承旋转一个细分，比如256个微步的位置，其中的数值只要0到90度之内的就可以，利用正弦波的对称性，其他的数值可以通过轴对称得到。

正弦电流寄存器是存储对应相位电流递增值的地址寄存器。这个寄存器有8个32位字节的电流递增值设置。对应了0到90度内的256个微步的位置。默认单调增加的关系，有4个级别可以选择。

还有电流数值开始结束寄存器，为了设置0度时的电流值A，90度的电流值B。

还有4个分段位置寄存器，该寄存器将256位置分为4段，比如0步，157步，200步，236步位置。

MCU只要根据芯片上的地址，写入电流的递增值就可以完成设置。芯片电流输出时会根据寄存器的数据和微步位置输出相应比例的电流。

不同关节的电机型号因功率而异，根据电机数据手册上的电流曲线，首先设置0度和90度开始结束寄存器数值。然后根据曲线的递增值，把曲线分成4个斜率大致相同的段，写入4个分段位置寄存器的位置。然后对电流斜率寄存器的256个位置调整，使每个位置的递增值接近曲线。如此优化则能优化电机电流输出，功耗可以显著降低，噪声减小。可参考如图4所示的四个细分角度的电流位置设置图。

STAR_SIN90和START_SIN是电流数值开始结束寄存器。X1，X2，X3是分段位置寄存器。

W0，W1，W2，W3指四个段的斜率。

该MCU还可以访问TMC5130的逆电磁势感应寄存器，设置具体转速和扭矩时的逆电磁势级别。通过具体实验的数值，在机械臂扭矩负载达到实际极限时，及时控制机械臂停止运动，保持姿势，减少电流过载。也可以优化保持姿势时的电流数值，使得保持姿态的电流大大减小，抑制过热情况出现。

TMC5130具有逆电磁势数值级别设定寄存器SGT和结果读取寄存器SGT_RESULT。具体的设置方法是：

1.选取一个速度范围的中值，使电机转动。

2. 慢慢增加电机的负载到最大要求的值，可以换算成电机的扭矩。SGT_RESULT到达零，而电机仍然移动，可以减少SGT的数值。如果SGT_RESULT不到达零，电机停止了，SGT增加。调整SGT直到SGT_RESULT为0时，负载最大，电机同时也停止运动。

3.开启TMC5130寄存器上的stallguard功能。该功能能在电机达到最大负载前，自动停止电机运动，防止电机在负载最大时持续运动，导致过载。停止同时优化，它会优化电机的保持电流。

4. 调整时参考TMC5130的预设调整曲线。

本实施例通过微处理器访问正弦电流寄存器和逆电磁势感应寄存器，使得输出电流和扭矩大小相匹配，并且，根据负载和机械臂的姿势来控制机械臂的运动，从而控制机械臂中电流，从多个角度减少机械臂的电流过载、抑制机械臂电流过大的情况，从而解决了现有技术中机械臂的电流过大的问题，达到了抑制机械臂电流的效果，进而增长机械臂的使用寿命和安全性。

本实施例的统还包括：计步器，设置在所述芯片内部；磁编码传感器，与所述芯片进行通信，用于结合所述计步器的数据判断步进电机是否丢步。

磁编码传感器可以和电机芯片内部计步器配合，判断步进电机是否丢步，实现闭环高精度补偿。如图3所示，所述磁编码传感器1通过ABN接口与所述芯片相连接，在电路板上所述磁编码传感器安装在与所述芯片相对的另外一侧，所述磁编码传感器正对步进电机轴心设置。

磁编码传感器可以根据电机转轴底部安装的磁铁的垂直磁通量来判断电机转轴实际选转的角度。磁铁安装在电机底部中心的轴上。磁铁由于电机转轴旋转而旋转，它在不同的位置有不同的磁通量，所以可以根据磁编码传感器计算出来一个实际角度，比较这个角度和电机内部计步器记录的数值，可以计算出转轴实际角度和电机步数的误差，根据误差在进行程序上的高精度的补偿。整个系统由输入电机目标位置，输出是读取电机运行到达位置，闭环反馈是计算两个位置之间的磁编码器的读数，补偿是修正输入电机目标位置。

由于磁编读数和电机计步有一定实际差异，所以超过这个差异，就是失步，电机实际没转到目标位置，或超过了目标位置，电机转过了。

具体地，磁编码传感器正对步进电机轴心，距离那里安装的磁铁5mm处安装

可选地，所述系统还包括：光电开关，设置在所述芯片上，用于在被触发后向所述微处理器上报触发事件和事件发生位置。其中，所述触发事件表示机械臂转到预设位置，所述事件发生位置表示发生触发事件时，步进电机相对于开机时旋转的步数。

机械臂轴部有定位槽，当定位槽转到光电开关时，会使光电开关通断。通断信号通过电路板上报到MCU，告知MCU机械臂轴转到光电开关位置，光电开关已经触发。

此时，MCU生成触发事件处理程序，处理程序记录下此时电机轴相对于开机时的相对位置，位置是指步进电机是旋转的步数。

通过固定光电开关的位置，微处理器根据12BIT磁编码传感器的位置，可以对初始姿态纠正归位，手动调整机械臂到达光电开关的触发的位置，就是机械臂轴上安装定位槽的槽口运行到可以使光电开关导通的位置了。由于光电传感器的安装，槽孔的大小都有误差，所以要使到达光电开关导通位置时的姿态足够精确，需要磁编码器的位置信息。比如，当机械臂到达限位开关时，仍然与要求角度有偏差，此时记录下到光电开关导通位置时，磁编此时的位置1.手动调整机械臂到达指定位置，记录下磁编的位置2.这时电机芯片由于手动调整，无法计数。计算磁编位置2和磁编位置1的差值，换算成电机步数差值。再次控制电机运动，到达光电位置时，记录电机运动位置1,加上电机步数差值，得到电机位置2，使电机运行到电机位置2,电机归位的姿态得到矫正。

使得姿态保持高精度。对于该TMC5130芯片，可以支持高达256微步的电机控制，配合12BIT磁编传感器，实际可以做到0.08度的机械臂旋转角度控制。

可选地，所述系统还包括：力矩测量传感器和力反馈传感器，设置在所述机械臂上，用于测量力矩和进行力反馈。该力矩测量传感器和力反馈传感器可以通过电磁接口连接到抓手上，将所述力矩测量传感器和所述力反馈传感器连接至所述机械臂上，可以通过力矩测量传感器和力反馈传感器来判断物体是否适合抓起，同时，利用电磁接口可以灵活扩展成其他功能。图2所示的MCU的AD口用于与抓手上的力反馈传感器和力矩测量传感器连接。可选地，所述微处理器通过SPI和IO口与所述芯片通信，用于对所述芯片进行参数配置，或者发送/接收信息。MCU通过SPI口对TMC5130芯片进行参数配置，比如目标位置，最大电流，电机细分数设定等。MCU还可以通过IO口对TMC5130进行使能和复位的操作。TMC5130电机芯片会按照这些参数和相应的IO口电平高低来判断如何驱动电机工作。

所述微处理器通过SPI和IO口与所述芯片通信以通过芯片读取取12bit磁编码器的数值，判断步进电机实际的位置。该控制系统通过CAN总线和上位机通信。TMC 5130上的光电开关触发后，就通过SPI向MCU上报触发事件和位置。

所述系统还包括：电压转换电路，与所述芯片、所述微处理器和所述磁编码传感器均连接，用于供电。即，本实施例的控制系统通过图2所示的电压转换电路进行供电。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本实施例根据电机运动轴相位输出相应比例电流的正弦电流地址寄存器来控制电流输出，使得电流输出相位曲线是正弦波的关系。同时，减少电机运行中出现的丢步情况也可以减少电流的无用输出。通过磁编码寄存器，辅助确定电机运行的步数是否符合程序要求。大大提高了运行时步数的正确率，出现失步时配合光电传感器的限位位置，也便于程序修正。

通过对电磁爪增加力反馈传感器，可以防止电磁爪过载，对它保护，并减少过载电流的损耗。

开启逆电磁势防止电机过载功能。 MCU和电机驱动芯片的通信，可以控制电机的运动，可以读取磁编的数值。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械臂的控制系统，其特征在于，包括：

芯片，所述芯片包括正弦电流寄存器和逆电磁势感应寄存器；

微处理器，与所述正弦电流寄存器和所述逆电磁势感应寄存器分别进行通信，所述微处理器访问所述正弦电流寄存器，调整输出电流以使电流输出与机械臂的扭矩相匹配；所述微处理器还访问所述逆电磁势感应寄存器，用于设置转速和扭矩的逆电磁势级别，以控制所述机械臂在扭矩负载达到实际极限时，以及所述机械臂在保持姿势时的电流，还用于根据负载和机械臂的姿势来控制机械臂的运动。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

计步器，设置在所述芯片内部；

磁编码传感器，与所述芯片进行通信，用于结合所述计步器的数据判断步进电机是否丢步。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述磁编码传感器通过ABN接口与所述芯片相连接，在电路板上所述磁编码传感器安装在与所述芯片相对的另外一侧，所述磁编码传感器正对步进电机轴心设置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

力矩测量传感器和力反馈传感器，设置在所述机械臂上，用于测量力矩和进行力反馈。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述力矩测量传感器和所述力反馈传感器分别设置有电磁接口，用于将所述力矩测量传感器和所述力反馈传感器连接至所述机械臂上。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

光电开关，设置在所述芯片上，用于在被触发后向所述微处理器上报触发事件和事件发生位置，其中，所述触发事件表示机械臂转到预设位置，所述事件发生位置表示发生触发事件时，步进电机相对于开机时旋转的步数。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微处理器通过SPI和IO口与所述芯片通信，用于对所述芯片进行参数配置，或者发送/接收信息。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：电压转换电路，与所述芯片、所述微处理器和所述磁编码传感器均连接，用于供电。

9.一种机械臂，其特征在于，包括：

权利要求1至8中任一项所述的机械臂的控制系统；

步进电机，与所述控制系统相连接，用于在所述控制系统的控制下驱动所述机械臂运动。

10.根据权利要求9所述的机械臂，其特征在于，所述步进电机用于控制所述机械臂的关节的自由度，所述机械臂还包括舵机，用于控制所述机械臂手爪的自由度。

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