CN111388093B - 一种基于协作关节电机的机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于协作关节电机的机器人及其控制方法。所述基于协作关节电机的机器人采用三个直流力矩电机作为动力系统，三个电机安装在固定底盘上；绝对值编码器为空心轴式，安装在电机末端；电机通过胀紧套与三条主动臂相连，通过旋转副驱动三组从动臂运动；三条运动支链在底盘与移动平台两平面上呈120度均布构成空间闭环，形成并联形式。这样机构的操作手部分具有空间X‑Y‑Z三个平移自由度，可以控制从端机器人在空间中的定位。采用本发明所提供的基于协作关节电机的机器人及其控制方法能够降低机器人结构摩擦因素以及系统空回误差，提高机器人整体精度。

Description

一种基于协作关节电机的机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人及其控制领域，特别是涉及一种基于协作关节电机的机器人及其控制方法。

背景技术

并联机器人具有精度高，反应速度快，占用空间小的特点，常用于工业上食品包装行业、3D打印行业及医疗机器人行业。

现有的用于远程医疗的并联机器人的机构和控制方案多采用普通直流电机或伺服电机加行星减速器作为动力系统，增量式编码器作为速度反馈装置。这样的设计主要有这样几个问题：其一，机构的精度对行星减速器的精度依赖较大，减速器会给整体结构引入摩擦因素，对整体模型构建带来了极大的不确定性，无法精确建模且会给系统带来极大的能量损失；其二，减速器会给整体结构带来空回误差，导致操作主手无法正确跟随从端传给主端的接触力信号，这就导致了远程医疗过程中，医生无法感知从端机器人对患者施加力的大小，会给远程医疗带来极大的隐患；其三，增量式编码器应用于这种对位置反馈信号的精度要求极高的环境下表现不佳，无法达到系统的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于协作关节电机的机器人及其控制方法，以解决现有的用于远程医疗的并联机器人的机构和控制方案结构摩擦因素大，系统空回误差高，导致机器人整体精度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于协作关节电机的机器人，包括：三条主动臂、胀紧套、三个电机座、固定平台、移动平台、操作手柄、三个直流力矩电机、三条从动臂、绝对值式编码器、支撑杆以及底座；

所述固定平台通过所述支撑杆垂直设于所述底座上；三个所述电机座均设于所述固定平台上，三个所述直流力矩电机分别设于三个所述电机座上；所述绝对值式编码器设于所述直流力矩电机的末端；所述主动臂以及所述从动臂相连接，形成运动支链；所述直流力矩电机通过所述胀紧套连接所述运动支链的一端，所述运动运动支链的另一端与所述移动平台相连接；所述移动平台上设有操作手柄；

利用三个所述直流力矩电机作为动力系统，三条所述运动支链在所述固定平台与移动平台两平面之间呈120度均布构成空间闭环，形成并联机构。

可选的，所述直流力矩电机为永磁式直流力矩电机。

可选的，所述绝对值式编码器为空心轴式，所述绝对值式编码器通过顶丝固定于所述直流力矩电机的末端，所述绝对值式编码器在单圈工作模式下旋转一圈可产生2¹⁷个脉冲。

可选的，所述主动臂为镂空结构，所述主动臂上设有限位销，所述电机座上设有所述限位销相匹配的限位槽。

可选的，所述从动臂的材料为碳纤维材料。

可选的，所述电机座为L型结构。

一种基于协作关节电机的机器人的控制方法，包括：

获取三个直流力矩电机的电机转角以及当前电流；

通过静力学运算，根据所述电机转角确定并联机构处于当前位置静力平衡时，三个所述直流力矩电机所需提供的转矩；

获取所述直流力矩电机的转矩灵敏度；

根据所述转矩以及所述转矩灵敏度确定目标电流值；

根据所述目标电流值以及所述当前电流确定电流差值信号；

以所述电流差值信号作为PID控制器的输入，以驱动器提供给所述直流力矩电机的PWM脉冲信号个数为输出，控制所述直流力矩电机维持所述并联机构在当前位置保持静力平衡。

可选的，所述通过静力学运算，根据所述电机转角确定并联机构处于当前位置静力平衡时，三个所述直流力矩电机所需提供的转矩，具体包括：

根据公式

确定并联机构处于当前位置静力平衡时，三个所述直流力矩电机所需提供的转矩；其中，M为并联机构处于当前位置静力平衡时，三个所述直流力矩电机所需提供的转矩；m₁为主动臂的质量，m₂为从动臂的质量；m₃为移动平台与操作手柄质量之和；L1为主动臂的长度；θ_i为电机转角；

为三个电机在固定平台的位置角度；F为外力；J为雅可比矩阵；J(1)为x方向的雅可比向量；N·m为转矩M的单位。

可选的，所述根据所述转矩以及所述转矩灵敏度确定目标电流值，具体包括：

根据公式I＝M/kT确定目标电流值；其中，I为目标电流值，kT为电机转矩灵敏度。

可选的，所述以所述电流差值信号作为PID控制器的输入，以驱动器提供给所述直流力矩电机的PWM脉冲信号个数为输出，控制所述直流力矩电机维持所述并联机构在当前位置保持静力平衡，具体包括：

根据公式

输入所述电流差值信号得到电机所需PWM脉冲个数，控制所述直流力矩电机维持所述并联机构在当前位置保持静力平衡；其中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；u(t)为驱动器应提供给所述直流力矩电机的PWM脉冲个数；e(t)为电流差值信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于协作关节电机的机器人及其控制方法，采用直流力矩电机，无需减速器作为传动转置，直流力矩电机直接与执行机构相连，电机的功率被充分地利用，且联轴器为胀紧套，胀紧套属于刚性联轴器，整体机构不确定性只出现在运动链的连接处，而运动链关节采用旋转副以轴承相互连接，整个机构只存在轴承内的滚动摩擦，在轴承质量足够高的情况下，摩擦对系统的影响极低，系统的不确定性极低。

此外，由于整体不含减速器，系统周期性运动精度高，无空回误差，可以准确地将从端的接触力反应到主手上，在远程医疗中可以使医生端可以极为真实地获得患者受到的压力，从而避免患者端机器人压力过大对患者造成伤害，同时可以有效提高远程医疗的手术精度。

最后，本发明采用绝对值式编码器，在单圈模式下，一圈可以产生131072个脉冲，每个脉冲对应0.0027度，即三条主动臂任何不小于0.0027度的微小运动都可以反映在编码器的读数上，使整体系统具有极高的位置反馈信号精度，在实际应用中，可以使医生的操作更加真实地复现在从端机器人上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的基于协作关节电机的机器人结构图；

图2为本发明所提供的主动臂与胀紧套连接图；

图3为本发明所提供的电机与编码器连接图；

图4为本发明所提供的单一电机控制连接图；

图5为本发明所提供的基于协作关节电机的机器人的控制方法流程图。

符号说明：1.主动臂 2.胀紧套 3.电机座 4.固定平台 5.移动平台 6.操作手柄7.直流力矩电机 8.从动臂 9.绝对值式编码器 10.支撑杆 11.底座 12.限位销 13.滚动轴承 14.电机座连接螺栓。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于协作关节电机的机器人及其控制方法，能够降低机器人结构摩擦因素以及系统空回误差，提高机器人整体精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

整体机构结构图如图1所示，系统主要包括：主动臂1、胀紧套2、电机座3、固定平台4、移动平台5、操作手柄6、直流力矩电机7、从动臂8、绝对值式编码器9、支撑杆10以及底座11。

底座11为整个机构的基座，支撑杆10连接固定平台4使整体机构水平放置，这样使机构作为主手使用时可以保证较大有效的工作空间；三个直流力矩电机7在固定平台4上呈120度均布，并通过电机座3连接到固定平台4上；三个绝对值式编码器9与电机7的后轴相连，作为传感器给控制系统传递电机位置信号使系统构成闭环；三条主动臂1分别通过胀紧套2连接到电机7的转轴上，平行四边形从动臂8通过滚动轴承与主动臂1构成旋转副；从动臂8再通过轴承与移动平台5构成旋转副；操作手柄6固定在移动平台5上。通过这样连接，操作手柄在空间中仅具有X-Y-Z三个方向上的平移自由度。

其中主动臂1结构如图2所示，胀紧套2外环与主动臂1相接，内环抱在电机轴上，当胀紧套2的压紧螺母旋紧时会在内环与电机轴、外环与主动臂1之间产生极大的抱紧力，这样就实现了电机轴与主动臂1的无键刚性连接。主动臂上1安装限位销12，电机座3上有与之对应的限位槽，可以通过结构来限制机构的运动范围用以规避机构空间的奇异点，并减小实际应用中机器人所占空间。

其中电机7安装结构图如图3所示，电机座3采用L型结构，在减轻整体机构质量的情况下可以保证足够的结构强度，电机7通过四个呈90度均布的螺栓与电机座3相连，电机座通过连接螺母14与固定平台4相连。绝对值编码器9选用空心轴式，编码器9的空心轴通过顶丝与电机7相连，可以保证在工作中使电机轴与编码器空心轴连接紧密且具有相同的运动速度。

本发明主要是使用上位机与以单片机为核心的电机驱动器之间相互通信，以上位机发送指令来控制电机，实现机构作为远程医疗机器人主手的功能。

所述力矩电机为永磁式直流力矩电机；所述编码器为绝对值式编码器，该编码器在单圈工作模式下旋转一圈可产生2^17个脉冲；联轴器采用胀紧套，动力系统通过胀紧套与执行机构相连；所述运动支链由主动臂与从动臂通过转动副相连组合而成，其中主动臂采用镂空结构，从动臂采用碳纤维材料，在保证结构强度的情况下尽量减轻质量；上位机与以单片机为核心的电机驱动器之间的通信协议采用Can总线协议。

具体控制系统连接方式：每个电机的控制系统接线如图4所示，电源给驱动板提供27V电压，驱动板上设置稳压芯片将27V电压分别化为5V、3.3V供给编码器和单片机；PC通过J-link将编写的驱动器程序烧录进单片机中；PC上运行控制机器人的上位机程序，上位机与驱动器之间通过CAN-USB转换器相连，两者间的通信采用CAN总线协议；编码器通过RS485协议将电机位置信号传到驱动板进行处理；驱动板通过H桥驱动方式给电机提供最高27V电压。

本发明在结构上采用三个直流力矩电机作为动力系统，三个电机安装在固定底盘上；绝对值编码器为空心轴式，安装在电机末端；电机通过胀紧套与三条主动臂相连，通过旋转副驱动三组从动臂运动；三条运动支链在底盘与移动平台两平面上呈120度均布构成空间闭环，形成并联形式。这样机构的操作手部分具有空间X-Y-Z三个平移自由度，可以控制从端机器人在空间中的定位。

本发明提供一种基于协作关节电机的机器人的控制方法，具体控制流程如图5所示，具体实施流程如下：

步骤1，操作人员按图4连接各模块后打开电源，运行上位机程序，按CAN通信协议初始化CAN-USB接口，初始化驱动板参数值。

步骤2，上位机通过CAN总线发送指令将三个驱动器设置为电流模式，并设置驱动器向上位机反馈编码器数值的周期，上位机开始接收驱动器发来的参数。

步骤3，驱动器按照底层设置好的周期读取各自编码器数值s，和电机当前电流值In。各驱动器通过RS485协议获取编码器数值s；电机驱动器设计时添加了采样电阻，可通过读取采样电阻两端的参数得到电机当前的电流值In。

上位机按照步骤1中设置的反馈周期获得三个驱动器同时发来的电机转角θ与电机当前电流In。这里我们在驱动器底层对三个驱动器进行编号01、02、03，这样通过CAN总线同时发送数据时，不同驱动器发来的参数带有各自编号，可以保证不会发生数据错乱现象。上位机获取编码器数值s后，可通过计算获得电机转角：已知编码器的脉冲个数每转2^17个与机构整体安装方式，可得主动臂1与固定平台4的空间夹角，即电机转角θ_i＝((90-s/2^17)·π/180)/rad。

步骤4，通过静力学运算，求出机构处于当前位置静力平衡时，三个电机所需提供的转矩，静力学计算公式如下：

其中：m₁m₂分别是运动支链上主动臂与从动臂的质量；L1为主动臂1的长度；θ_i为电机转角，即主动臂1与固定平台4的夹角；

为三个电机在固定平台的位置角度；F为外力；J为机构速度雅可比矩阵。

步骤5，上位机由电机固有参数转矩灵敏度，可以算出，当电机能够输出步骤4中求出的转矩时，电机需要多少电流，电流计算公式如下：

I＝M/电机转矩灵敏度(A)；其中：M：三个电机所需提供转矩；

此处使用的直流力矩电机的电机转矩灵敏度＝0.483，单位是N*m/A。

上位机将计算得出的目标电流值I发给驱动器，驱动器底层将目标电流I与当前电流In的差值e(t)输入到PID控制器中，其控制规律如下：

其中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；这三个系数与电机固有性质有关；u(t)为驱动器应提供给电机的PWM脉冲个数；e(t)为目标电流值I与当前实际电流值In的差值即：e(t)＝I-In。

电流差值信号e(t)作为PID控制器的输入，驱动器应提供给电机的PWM脉冲信号个数为输出，用以控制电机维持机构在当前位置保持静力平衡。

步骤6，上位机检测是否有关机信号传入，若未检测到关机信号则重复步骤3-5，若检测到关机信号，上位机发送停止指令给驱动器，驱动器控制机构回到初始位置，同时关闭CAN总线，清除缓存数据，运行结束。

本发明在控制方案上，三块驱动器分别与电机相连，编码器反馈回的信号通过RS485协议传输到驱动器上，驱动器通过Can总线与上位机做信息交互，当机构操作柄被拖动时，驱动器将编码器位置信号发送到上位机，上位机通过正向运动学解算，可以得出操作柄在空间固定坐标系下的坐标，之后上位机根据机构空间静力学模型可以得出操作手柄处于当前位置时三个电机所需提供的转矩，再根据已知的电机参数将转矩信号转化为电机电流信号传给驱动器，再由驱动器提供给电机相应的电流，从而使机构在工作空间的任意位置可以随意拖拽并反馈给上位机真实的空间坐标信息。

本发明中涉及的Delta并联机器人主要用于远程医疗技术中作为医生操作端。医生可以通过操作Delta机器人来远程控制患者端的机器人，实现远程医疗，要求操作端可以跟随主手在空间中的位置，主手可以反馈给医生从手对患者的接触力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种基于协作关节电机的机器人的控制方法，其特征在于，包括：

获取三个直流力矩电机的电机转角以及当前电流；

通过静力学运算，根据所述电机转角确定并联机构处于当前位置静力平衡时，三个所述直流力矩电机所需提供的转矩；所述通过静力学运算，根据所述电机转角确定并联机构处于当前位置静力平衡时，三个所述直流力矩电机所需提供的转矩，具体包括：

根据公式

确定并联机构处于当前位置静力平衡时，三个所述直流力矩电机所需提供的转矩；其中，M为并联机构处于当前位置静力平衡时，三个所述直流力矩电机所需提供的转矩；m₁为主动臂的质量，m₂为从动臂的质量；m₃为移动平台与操作手柄质量之和；L1为主动臂的长度；θ_i为电机转角；

为三个电机在固定平台的位置角度；F为外力；J为雅可比矩阵；J(1)为x方向的雅可比向量；N·m为转矩M的单位；

获取所述直流力矩电机的转矩灵敏度；

根据所述转矩以及所述转矩灵敏度确定目标电流值；

根据所述目标电流值以及所述当前电流确定电流差值信号；

以所述电流差值信号作为PID控制器的输入，以驱动器提供给所述直流力矩电机的PWM脉冲信号个数为输出，控制所述直流力矩电机维持所述并联机构在当前位置保持静力平衡。

2.根据权利要求1所提供的基于协作关节电机的机器人的控制方法，其特征在于，所述根据所述转矩以及所述转矩灵敏度确定目标电流值，具体包括：

根据公式I＝M/kT确定目标电流值；其中，I为目标电流值，kT为电机转矩灵敏度。

3.根据权利要求1所提供的基于协作关节电机的机器人的控制方法，其特征在于，所述以所述电流差值信号作为PID控制器的输入，以驱动器提供给所述直流力矩电机的PWM脉冲信号个数为输出，控制所述直流力矩电机维持所述并联机构在当前位置保持静力平衡，具体包括：

根据公式

输入所述电流差值信号得到电机所需PWM脉冲个数，控制所述直流力矩电机维持所述并联机构在当前位置保持静力平衡；其中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；u(t)为所述直流力矩电机所需PWM脉冲个数；e(t)为电流差值信号。

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