CN112045671A - 一种通用机械臂运动状态检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用机械臂运动状态检测系统。该系统由多个带有信号转换模块的光电编码器和主控器组成。机械臂开始工作后，本系统通过光电编码器实时采集机械臂各自由度的运动量，将机械臂的运动状态以动态球棍模型的形式呈现，并将信息及时上报至上级控制系统。本发明使用较为简单的硬件，实现了对机械臂运动状态较为精细的检测，使得机械臂的运动状态处于完全监控状态下。本发明适应性很强，可以安装在几乎所有机械臂的外部，作为机械臂运动检测系统存在；或与机械臂自身集成的运动状态检测系统配合达到冗余检测的效果，可以极大地提高机械臂工作的安全性和可控性。

Description

一种通用机械臂运动状态检测系统

技术领域

本发明属于机器人控制及应用领域，特别是一种通用机械臂运动状态检测系统。

背景技术

随着自动化技术的不断发展，机器人的应用越来越广泛，从太空飞船的空间作业机器人到日常生活中的扫地机器人，机器人真正的走进了各行各业，每家每户。真正作为“生产力”而存在的机器人时工业生产中使用的机器人，工业上使用的机器人可以在高温，辐射，有毒等恶劣环境下长时间稳定状态工作或是在流水线上从事极度枯燥的机械性重复工作，极大地解放了人工劳动力，使得珍贵的人工资源可以更多的在较为舒适的环境中从事于创造和设计性质的工作。工业上使用的机器人功能强大，带负载能力很强，有很多还拥有人机协作的能力辅助人类工作。由于机器人的工作是由计算机系统自动完成的，对特殊情况的应变能力较弱，并且工作环境较为复杂且存在人员，由机械或控制系统故障导致的重大人员和财产损失时有发生，机器人使用过程中的安全性成为了一个不容忽视的问题。因此，在工业上要保证机器人的运动状态处于高度实时的监控下。

真正应用在工业上的机器人一般都是机械臂形式的机器人。目前，对机械臂的运动监控大多依赖于机器人生产厂家的内部集成组件，机械臂生产厂家出于商业方面的考虑，几乎不会向用户开放操作系统以下层级的使用权，用户对于机械臂的运动状态的细节是完全未知的，在监控和系统安全方面严重缺乏冗余性，一旦内部监控出现故障，机械臂将处于完全不受控制状态，系统整体安全性得不到有力的保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用机械臂运动状态检测系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种通用机械臂运动状态检测系统，包含编码器模块，信息处理模块，人机交互模块；其中：

编码器模块与信息处理模块相连以获取机械臂的运动信息，编码器模块由矢量光电编码器组组成，编码器的数量与被检测机械臂的自由度数量相同，光电编码器为矢量光电编码器，获得机械臂的运动信息后以信号脉冲形式传送至信息处理模块。

信息处理模块与人机交互模块和上级控制系统相连，将编码器模块传输的信号脉冲根据机械臂的机械参数换算为机械臂各自由度的运动量；根据机械臂运动模型的参数建立机械臂的运动模型，同时将各自由度的运动量展现在机械臂的运动模型上，完成机械臂的运动状态检测；完成运动状态检测后，将机械臂的运动状态输出到人机交互模块，同时上报上级控制系统；同时，将机械臂的实际运动状态与上级控制系统传输来的机械臂设定运动目标进行异常检测，如果机械臂实际运动情态偏离预设目标超过阈值，则认为出现异常，将结果同时输出到人机交互模块和上级控制系统。

人机交互模块与信息处理模块相连完成信息交互以及系统操作功能。在系统开始工作前，首先由人机交互模块输入机械臂运动模型的参数及归零状态；系统开始工作后，直接以图形形式输出机械臂的工作状态，当机械臂运动出现异常时，显示异常情况并进行人工处理。

上级控制系统与本系统协同工作，当接收到异常信号时，及时停止机械臂运行并通过报警模块提醒操作人员出现异常及时处理。

所述编码器测量驱动机械臂各自由度运动的运动量，编码器的数量与被检测机械臂的自由度数量相同，或者使用多个编码器对应一个自由度，在处理时取各个编码器的输出进行校正；

在设置光电编码器时，光电编码器有以下三种连接方案：

1）光电编码器与机械臂自由度轴同轴连接；

2）光电编码器与机械臂舵机同轴连接，此种连接方式在设置本系统时需输入精确的舵机驱动转速比；

3）光电编码器与机械臂自由度轴通过传动装置连接，此种连接方式在设置本系统时需输入精确的传动转速比。

所述将编码器模块传输的信号脉冲根据机械臂的机械参数换算为机械臂各自由度的运动量，具体过程为：

第一步：信号处理，将信号脉冲的数量、速度和方向记录在存储器中；

第二步：角度计算，完成信号处理后，将信号脉冲信息换算为光电编码器轴的净转动量、角速度和方向；

第三步，运动量计算，根据机械臂的机械参数将上一步得到的角度换算为机械臂各自由度的运动量。

所述将信号脉冲信息换算为光电编码器轴的净转动量，其中：净转动量是指由初始状态到当前状态转动的角度；首先在系统的设置阶段，将机械臂各自由度的角度归零值输入系统，在系统运行前令机械臂执行一次归零操作，然后启动检测系统，系统将编码器的输出值在归零值的基础上做加减处理，即可获得该自由度当前的运行角度值。

所述机械臂运动模型的参数包括以下两种类型：

第一种，采用机械臂运动学领域通用的D-H参数模型；

第二种，采用逐自由度描述运动学参数模型，即每个自由度都有一套自己的参数，具体如下：

(1)自由度的类型，选项有关节、转轴和伸缩环节；

(2)自由度的延伸位置，该参数为一个空间向量，起点为本自由度轴心位置，终点为下一自由度的轴心位置，如果本自由度是机械臂的末端，则终点为机械臂的末端，以上位置均为机械臂处于归零状态下的坐标；

(3)自由度的竖直方向，该参数为一个空间方向向量，起点为本自由度轴心位置，指向本自由度的竖直方向；

(4)自由度的水平方向，该参数为一个空间方向向量，起点为本自由度轴心位置，指向本自由度的水平方向；

在完成机械臂运动模型参数设置基础上，需完成归零参数和附加参数的设置，具体为：设置机械臂处于归零状态下各自由度的运动量，机械臂外型尺寸、机械臂舵机类型参数、驱动减速比。

步骤1中所述将机械臂的运动状态输出到人机交互模块，具体为：将机械臂在视觉上等效为球棍模型，将得到的各自由度的运动量以视频及字符的形式输出至人机交互模块。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：（1）对任意自由度的任意结构机械臂都有很好的适应性，通用性强；（2）不依赖于机械臂生产厂家的支持，可以自行安装使用；（3）与机械臂集成的内部系统几乎不存在耦合，两套系统独立工作，稳定性和可靠性高；（4）可以获得机械臂各个关键点在空间上的位置，大幅提高提高系统安全性。

附图说明

图1是本发明所述系统的总体结构。

图2是本发明的一种典型实现。

图3是状态检测系统检测到的机械臂的归零运动状态。

图4是状态检测系统检测到的机械臂的给定运动状态。

图5是状态检测系统检测到的机械臂的异常运动状态。

具体实施方式

本发明一种通用机械臂运动状态检测系统，可以安装在无运动传感器的机械臂上作为机械臂安全和运动状态的监测系统，也可以安装在已集成运动传感器的机械臂外部作为机械臂的冗余安全和运动状态的监测系统，可以极大的提升机械臂的工作精度和安全性。在本系统中，可以向使用者提供每个自由度的运动量，并且可以基于外部机械参数计算出当前机械臂的姿态和各个端点所在的空间位置。

该系统一种典型的实现方式如图2所示，由主控器，RS485总线和集成信号转换器的编码器组成，其中，1为主控器，2为触摸屏，3为DB9接口，4为USB接口，5为RJ45接口，用于网络通信，6为RS485总线，7为集成信号转换器的矢量光电编码器，连接在RS485总线上，共有N个且数量N可以调整，在不引起歧义的情况下，本专利的其他部分将其简称为编码器。主控器使用嵌入式操作系统，推荐搭载Linux系统；可以通过3和5根据需要提供RS232或RS485串口通信和网络功能；也可以通过4提供更加强大的多功能扩展。

本发明一种通用机械臂运动状态检测系统的检测方法，具体实施步骤如下：

步骤1、根据目标机械臂的自由度或轴数确定编码器的数量N；

步骤2、将编码器安装在每个轴的外部同轴连接，如果条件不允许也可以搭配传动系统间接连接；

步骤3、设置机械臂各自由度的物理属性及启动或归零状态下各轴的初始转动角度；

步骤4、实时获取当前各个自由度的转动角度；

步骤5、通过各自由度的物理特性和转动角度建立当前自由度末端点的局部坐标；

步骤6、将局部坐标通过坐标转化得到全局坐标；

步骤7、按自由度的数量迭代进行步骤4到步骤6，直到得到机械臂各个关键点在空间中的绝对位置。

步骤8、生成运动模型，并将信息上报至上级控制系统进一步处理。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

通过实验验证本发明提出的一种通用机械臂运动状态检测系统的性能，情况如下：

1)实验条件

将本发明中的监测系统安装于一个3自由度机械臂上，使用3个光电编码器，两个安装在手臂电机轴上，一个安装在底座电机轴上，并且将机械臂的机械参数输入系统中，使用直角坐标形式，具体为：

a.底座高度230mm；

b.第一自由度为转台，延伸位置(0,0,30)，竖直方向(0,0,1)，水平方向(0,1,0),归零角度值为0；

c.第二自由度为关节，延伸位置(0,0,150)，竖直方向(0,0,1)，水平方向(0,1,0),归零角度值为0；

d.第三自由度为关节，延伸位置(0,0,150)，竖直方向(0,0,1)，水平方向(0,1,0),归零角度值为

.

2）结果分析

启动机械臂，机械臂完成归零初始状态后，启动检测系统，检测系统输出运动模型如图3所示，检测系统成功运行；控制机械臂末端运动到点(0,256,184)，,检测系统输出当前运动模型如图4所示，各个节点三轴方向误差在

5mm以内，认为系统工作可靠；模拟机械臂故障情况，使用外力扭动机械臂出现较大的状态变化，机械臂控制器末端坐标依然显示(0,256,184)不变，但是检测系统输出当前运动模型如图5所示，末端坐标为(0.12,212.14,260.35)，上级系统可以通过对比数据发现异常并及时停止机械臂运动，保证机械臂安全工作。

Claims (6)

1.一种通用机械臂运动状态检测系统，其特征在于，包含编码器模块，信息处理模块和人机交互模块；其中：

编码器模块，与信息处理模块相连以获取机械臂的运动信息，编码器模块由矢量光电编码器组组成，获得机械臂的运动信息后以信号脉冲形式传送至信息处理模块；

信息处理模块，与人机交互模块和上级控制系统相连，将编码器模块传输的信号脉冲根据机械臂的机械参数换算为机械臂各自由度的运动量；根据机械臂运动模型的参数建立机械臂的运动模型，同时将各自由度的运动量展现在机械臂的运动模型上，完成机械臂的运动状态检测；完成运动状态检测后，将机械臂的运动状态输出到人机交互模块，同时上报上级控制系统；同时，将机械臂的实际运动状态与上级控制系统传输来的机械臂设定运动目标进行异常检测，如果机械臂实际运动情态偏离预设目标超过阈值，则认为出现异常，将结果同时输出到人机交互模块和上级控制系统；

人机交互模块，与信息处理模块相连完成信息交互以及系统操作功能；在系统开始工作前，首先由人机交互模块输入机械臂运动模型的参数及归零状态；系统开始工作后，直接以图形形式输出机械臂的工作状态，当机械臂运动出现异常时，显示异常情况。

2.根据权利要求1中所述的通用机械臂运动状态检测系统，其特征在于：所述编码器测量驱动机械臂各自由度运动的运动量，编码器的数量与被检测机械臂的自由度数量相同，或者使用多个编码器对应一个自由度，在处理时取各个编码器的输出进行校正；

在设置光电编码器时，光电编码器有以下三种连接方案：

1）光电编码器与机械臂自由度轴同轴连接；

2）光电编码器与机械臂舵机同轴连接，此种连接方式在设置本系统时需输入精确的舵机驱动转速比；

3）光电编码器与机械臂自由度轴通过传动装置连接，此种连接方式在设置本系统时需输入精确的传动转速比。

3.根据权利要求1中所述的通用机械臂运动状态检测系统，其特征在于，所述将编码器模块传输的信号脉冲根据机械臂的机械参数换算为机械臂各自由度的运动量，具体过程为：

第一步：信号处理，将信号脉冲的数量、速度和方向记录在存储器中；

第二步：角度计算，完成信号处理后，将信号脉冲信息换算为光电编码器轴的净转动量、角速度和方向；

第三步，运动量计算，根据机械臂的机械参数将上一步得到的角度换算为机械臂各自由度的运动量。

4.根据权利要求3中所述的通用机械臂运动状态检测系统，其特征在于，所述将信号脉冲信息换算为光电编码器轴的净转动量，其中：净转动量是指由初始状态到当前状态转动的角度；首先在系统的设置阶段，将机械臂各自由度的角度归零值输入系统，在系统运行前令机械臂执行一次归零操作，然后启动检测系统，系统将编码器的输出值在归零值的基础上做加减处理，即可获得该自由度当前的运行角度值。

5.根据权利要求1中所述的通用机械臂运动状态检测系统，其特征在于，所述机械臂运动模型的参数包括以下两种类型：

第一种，采用机械臂运动学领域通用的D-H参数模型；

第二种，采用逐自由度描述运动学参数模型，即每个自由度都有一套自己的参数，具体如下：

(1)自由度的类型，选项有关节、转轴和伸缩环节；

(2)自由度的延伸位置，该参数为一个空间向量，起点为本自由度轴心位置，终点为下一自由度的轴心位置，如果本自由度是机械臂的末端，则终点为机械臂的末端，以上位置均为机械臂处于归零状态下的坐标；

(3)自由度的竖直方向，该参数为一个空间方向向量，起点为本自由度轴心位置，指向本自由度的竖直方向；

(4)自由度的水平方向，该参数为一个空间方向向量，起点为本自由度轴心位置，指向本自由度的水平方向；

在完成机械臂运动模型参数设置基础上，需完成归零参数和附加参数的设置，具体为：设置机械臂处于归零状态下各自由度的运动量，机械臂外型尺寸、机械臂舵机类型参数、驱动减速比。

6.根据权利要求1或5中所述的通用机械臂运动状态检测系统，其特征在于，步骤1中所述将机械臂的运动状态输出到人机交互模块，具体为：将机械臂在视觉上等效为球棍模型，将得到的各自由度的运动量以视频及字符的形式输出至人机交互模块。

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