CN112134341B - 机械臂掉电角度保存装置及机械臂 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种机械臂掉电角度保存装置及机械臂，其中，机械臂掉电角度保存装置包括：第一供电单元，用于对所述机械臂的控制模块进行供电；第一电压检测单元，用于对第一供电单元进行电压检测；超级电容供电模块，用于在电压检测单元检测到的电压低于第一预设值时，对控制模块进行供电；机械臂关节角度确定单元，用于根据机械臂关节驱动电机的连接的增量式编码器采集的关节驱动电机转速，确定机械臂的实时关节角度；存储单元，用于在电压检测单元检测到的电压低于预设值时，由超级电容供电模块进行供电，以保存电压低于预设值时刻的机械臂关节角度。该方案可以在第一供电单元掉电时，由超级电容供电模块进行供电来对关节角度进行保存。

Description

机械臂掉电角度保存装置及机械臂

技术领域

本发明一般涉及机器人技术领域，具体涉及一种机械臂掉电角度保存装置及机械臂。

背景技术

机械臂的关节角度是机械臂进行运动控制所需的关键信息。机械臂的控制模块根据机械臂总线获取的各关节驱动器反馈的角度，进行干涉检测、运动轨迹规划等。当机械臂意外掉电，如果不记录掉电时刻机械臂各关节角度，那么机械臂下次重启后各关节驱动器反馈的角度与机械臂实际的位姿不一致，就会造成干涉检测失败或运动轨迹或规划的轨迹不一致，导致机械臂关节相互堵转，损坏减速器、电机等传动部件，严重的会影响到人身安全。

发明内容

本申请期望提供一种机械臂掉电角度保存装置及机械臂，能够在机械臂意外掉电的情况下对机械臂的关节角度进行保存。

第一方面，本发明提供一种机械臂掉电角度保存装置，包括：

第一供电单元，用于对所述机械臂的控制模块进行供电；

第一电压检测单元，用于对第一供电单元进行电压检测；

超级电容供电模块，用于在所述电压检测单元检测到的电压低于第一预设值时，对所述控制模块进行供电；

机械臂关节角度确定单元，用于根据机械臂关节驱动电机的连接的增量式编码器采集的关节驱动电机转速，确定机械臂的实时关节角度；

存储单元，用于在所述电压检测单元检测到的电压低于预设值时，由所述超级电容供电模块进行供电，以保存电压低于预设值时刻的机械臂关节角度。

作为可实现的方式，还包括第二电压检测单元，用于检测所述超级电容供电模块中超级电容的电压，并在所述超级电容的电压低于第二预设值时，对所述超级电容进行充电。

作为可实现的方式，所述第一供电单元包括第一开关元件，第二开关元件，第一二极管、第二二极管、第三二极管及第一电感；

所述第一开关元件的第一极连接电压输入节点，所述第一开关元件的第二极连接所述第二开关元件的第一极，所述第二开关元件的第二极连接所述第一电感的第一极，所述第一电感的第二极连接电压输出节点，所述第一二极管的输入极连接所述第一开关元件的第一极，所述第一二极管的输出极连接所述第一开关元件的第二极，所述第二二极管的输入极连接所述第二开关元件的第二极，所述第二二极管的输出极连接所述第二开关元件的第一极，所述第三二极管的输入极接地，所述第三二极管的输出极连接所述第二开关元件的第二极，所述第一开关元件的第三极及所述第二开关元件的第三极均为控制极。

作为可实现的方式，所述超级电容供电模块包括超级电容、第三开关元件、第四二极管及第二电感；

所述第三开关元件的第一极接地，所述开关元件的第二极连接所述第二电感的第一极，所述开关元件的第三极为控制极，所述第二电感的第二极连接所述超级电容的第一极，所述超级电容的第二极接地，所述第二电感的第一极连接所述第四二极管的输入极，所述第四二极管的输出极连接所述电压输出节点。

作为可实现的方式，所述第一电压检测单元包括第一比较器、第一分压电阻串及第二分压电阻串；

所述第一分压电阻串包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一极连接所述电压输入节点，所述第一电阻的第二极连接所述第二电阻的第一极，所述第二电阻的第二极接地；

所述第二分压电阻串包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的第一极连接所述电压输出节点，所述第三电阻的第二极连接所述第四电阻的第一极，所述第四电阻的第二极接地；

所述第一比较器的第一输入端连接所述第一电阻的第一极，所述第一比较器的第二输入端连接所述第一电阻的第二极，所述第一比较器的第一供电端连接所述电压输入节点及所述第一比较器的第一输入端，所述第一比较器的第二供电端连接所述第三电阻的第二极；

还包括互感器和第四开关元件，所述第四开关元件的第一极与所述电压输出节点连接，所述第四开关元件的第二极与所述互感器输入端连接，所述互感器的输出端与所述超级电容的第一极连接，所述第四开关元件的第三极与所述第一比较器的输出极连接，所述第四开关元件的第三极为控制极。

作为可实现的方式，所述第二电压检测单元包括第二比较器、第三分压电阻串；

所述第三分压电阻串包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一极连接所述超级电容的第一极，所述第五电阻的第二极连接所述第六电阻的第一极，所述第六电阻的第二极接地，所述第二比较器的第一输入端连接所述第五电阻的第二极，所述第二比较器的第二输入端连接参考电压，所述第二比较器的第三极连接所述第四开关元件的第三极。

第二方面，本发明提供一种机械臂，包括上述的机械臂掉电角度保存装置。

上述方案，在检测到第一供电单元的电压电压低于第一预设值时，这时就说明机械臂意外掉电，此刻超级电容供电模块开始对控制模块进行供电，以使存储单元保存电压低于预设值时刻的机械臂关节角度，由于机械臂掉电后，其会保持在掉电使的位姿，机械臂在下次重启后读取所存储的关节角度，所读取的关节角度就是机械臂当前位姿下各关节的实际角度，依照此关节角度进行正常的干涉检测失败或运动，不会存在导致因控制模块反馈的关节角度与机械臂的实际关节角度不一致，导致机械臂关节相互堵转，损坏减速器、电机等传动部件的问题发生。此外，由于采用超级电容供电模块在掉电后进行供电，超级电容的工作温度可达-40℃-85℃，因此可以应用于工况恶劣的环境中，还有，超级电容的充放电次数可以达到10万次以上，相较于采用可充电电池，其可以不用进行更换维护。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明第一实施例提供的机械臂掉电角度保存装置的示意图；

图2为本发明第二实施例提供的机械臂掉电角度保存装置的示意图；

图3为本发明第三实施例提供的机械臂掉电角度保存装置的示意图；

图4为本发明第四实施例提供的机械臂掉电角度保存装置的示意图；

图5为本发明第五实施例提供的机械臂掉电角度保存装置的示意图；

图6为本发明第六实施例提供的机械臂掉电角度保存装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。

机械臂一般具有多个顺次活动连接的驱动臂构成，相邻的两个驱动臂通过电驱动单元进行传动连接，一般是，一个驱动臂上固定连接关节驱动电机，关节驱动电机的驱动轴上连接减速器，减速器的输出轴与另一驱动臂固定连接，通过关节驱动电机的转动来控制两个驱动臂之间的转动角度。在关节驱动电机转动轴的后端可以设置增量式编码器采集的关节驱动电机转速，然后根据减速器的减速比可以计算得到相应关节的关节角，也即两个相邻驱动臂之间的角度。

如图1所示，本发明实施例提供一种机械臂掉电角度保存装置，包括：

第一供电单元1，用于对所述机械臂的控制模块进行供电；一般地，第一供电单元1是直流供电电压，例如但不限于可以为控制模块提供5V、12V等电压值的直流电，至少供控制模块来控制机械臂的动作。第一供电单元1对电压输入节点Vin输入的电压进行降压后输出至电压输出节点Vout。

第一电压检测单元5，用于对第一供电单元1进行电压检测；第一电压检测单元5实时的对第一供电单元1进行电压检测，以在第一供电单元1电压低于预定值时，切换到下述的超级电容供电模块4对控制模块进行供电，防止因第一供电单元1供电故障，如突然掉电或电压过低等，造成机械臂关节角度不能存储。

超级电容供电模块4，用于在所述电压检测单元检测到的电压低于第一预设值时，对所述控制模块进行供电；第一预设值为特定的电压值，其可以根据实际需要确定，例如但不限于为0.5V、1V、2V等。

机械臂关节角度确定单元2，用于根据机械臂关节驱动电机的连接的增量式编码器采集的关节驱动电机转速，确定机械臂的实时关节角度；在初始状态下，两相邻驱动臂之间的位置是已知的，也即其关节角度是已知的，在机械臂工作时，通过增量式编码器采集的关节驱动电机转速，可以得到其在一定的时间内的转动角度，然后根据减速器的减速比可以确定其中一个驱动臂相对另一个驱动臂的转动角度，该角度作为机械臂的实时关节角度。机械臂每一个关节位置处均具有其自身的关节角度，其中，每两相邻的驱动臂的连接处构成一个关节。

存储单元3，用于在所述电压检测单元检测到的电压低于预设值时，由所述超级电容供电模块4进行供电，以保存电压低于预设值时刻的机械臂关节角度。存储单元3可以是Flash存储器或Eeprom存储器，其由超级电容供电模块4进行供电，以存储电压低于预设值时刻的机械臂关节角度。以在机械臂下次启动时，可以从存储单元3读取存储的机械臂关节角度，防止机械臂关节角度丢失。

上述方案，在检测到第一供电单元1的电压电压低于第一预设值时，这时就说明机械臂意外掉电，此刻超级电容供电模块4开始对控制模块进行供电，以使存储单元3保存电压低于预设值时刻的机械臂关节角度，由于机械臂掉电后，其会保持在掉电使的位姿，机械臂在下次重启后读取所存储的关节角度，所读取的关节角度就是机械臂当前位姿下各关节的实际角度，依照此关节角度进行正常的干涉检测失败或运动，不会存在导致因控制模块反馈的关节角度与机械臂的实际关节角度不一致，导致机械臂关节相互堵转，损坏减速器、电机等传动部件的问题发生。此外，由于采用超级电容供电模块4在掉电后进行供电，超级电容SuperCap的工作温度可达-40℃-85℃，因此可以应用于工况恶劣的环境中，还有，超级电容SuperCap的充放电次数可以达到10万次以上，相较于采用可充电电池，其可以不用进行更换维护。

另外，通过增量式编码器采集的关节驱动电机转速来确定确定机械臂的实时关节角度，较在在关节驱动电机转速设置增量式编码器采集的关节驱动电机转速且在关节驱动电机连接的减速器的输出轴设置绝对式编码器采集关节角度的方式，省去了绝对式编码器，降低了费用，且无需对现有机械臂的总线进行更换。

作为可实现的方式，基于上述实施例，另参见图2所示，还包括第二电压检测单元6，用于检测所述超级电容供电模块4中超级电容SuperCap的电压，并在所述超级电容SuperCap的电压低于第二预设值时，对所述超级电容SuperCap进行充电。通过设置第二电压检测单元6可以实时的检测超级电容SuperCap的电压，在超级电容SuperCap的电压低于第一与设置时，则开始对超级电容SuperCap进行充电，并在超级电容SuperCap的电压达到设定值时，停止对超级电容SuperCap充电。

下文的各开关元件均可以为晶体管，各晶体管可以为mos管或场效应管或其他特性相同的器件，其可以为N型晶体管，也可以为P 型晶体管，采用不同类型的晶体管主要考虑其导通形式，对于N型晶体管采用低电平导通，P型晶体管采用高电平导通。为区分晶体管除控制极之外的两极，将其中一极称为第一极，另一极称为第二极。其中，控制极为栅极，第一极可以为漏极，第二极可以为源极；或者，控制极为栅极，第一极可以为源极，第二极可以为漏极。

作为可实现的方式，另参见图3，所述第一供电单元1包括第一开关元件T3，第二开关元件T4，第一二极管T1、第二二极管T2、第三二极管T6及第一电感L1；

所述第一开关元件T3的第一极连接电压输入节点Vin，所述第一开关元件T3的第二极连接所述第二开关元件T4的第一极，所述第二开关元件T4的第二极连接所述第一电感L1的第一极，所述第一电感L1的第二极连接电压输出节点Vout，所述第一二极管T1的输入极连接所述第一开关元件T3的第一极，所述第一二极管T1的输出极连接所述第一开关元件T3的第二极，所述第二二极管T2的输入极连接所述第二开关元件T4的第二极，所述第二二极管T2的输出极连接所述第二开关元件T4的第一极，所述第三二极管T6的输入极接地，所述第三二极管T6的输出极连接所述第二开关元件T4的第二极，所述第一开关元件T3的第三极及所述第二开关元件T4的第三极均为控制极。

作为可实现的方式，另参见图4，所述超级电容供电模块4包括超级电容SuperCap、第三开关元件T8、第四二极管T7及第二电感L2；

所述第三开关元件T8的第一极接地，所述开关元件的第二极连接所述第二电感L2的第一极，所述开关元件的第三极为控制极，所述第二电感L2的第二极连接所述超级电容SuperCap的第一极，所述超级电容SuperCap的第二极接地，所述第二电感L2的第一极连接所述第四二极管T7的输入极，所述第四二极管T7的输出极连接所述电压输出节点Vout。

作为可实现的方式，另参见图5所示，所述第一电压检测单元5包括第一比较器U1、第一分压电阻串及第二分压电阻串；

所述第一分压电阻串包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1的第一极连接所述电压输入节点Vin，所述第一电阻R1的第二极连接所述第二电阻R2的第一极，所述第二电阻R2的第二极接地；

所述第二分压电阻串包括第三电阻R3和第四电阻R4，所述第三电阻R3的第一极连接所述电压输出节点Vout，所述第三电阻R3的第二极连接所述第四电阻R4的第一极，所述第四电阻R4的第二极接地；

所述第一比较器U1的第一输入端连接所述第一电阻R1的第一极，所述第一比较器U1的第二输入端连接所述第一电阻R1的第二极，所述第一比较器U1的第一供电端连接所述电压输入节点Vin及所述第一比较器U1的第一输入端，所述第一比较器U1的第二供电端连接所述第三电阻R3的第二极；

还包括互感器G和第四开关元件T5，所述第四开关元件T5的第一极与所述电压输出节点Vout连接，所述第四开关元件T5的第二极与所述互感器输入端连接，所述互感器G的输出端与所述超级电容SuperCap的第一极连接，所述第四开关元件T5的第三极与所述第一比较器U1的输出极连接，所述第四开关元件T5的第三极为控制极。

在第一比较器U1检测到第一供电单元的电压低于第一预设值时，其输出电平信号Trige,此时，第四开关元件T5断开，控制模块向第三开关元件T8输出脉冲控制信号，使第三开关元件T8进行启闭。

作为可实现的方式，另参见图6所示，所述第二电压检测单元6包括第二比较器U2、第三分压电阻串；

所述第三分压电阻串包括第五电阻R5和第六电阻R6，所述第五电阻R5的第一极连接所述超级电容SuperCap的第一极，所述第五电阻R5的第二极连接所述第六电阻R6的第一极，所述第六电阻R6的第二极接地，所述第二比较器U2的第一输入端连接所述第五电阻R5的第二极，所述第二比较器U2的第二输入端连接参考电压REF,参考电压REF为一恒定电压，所述第二比较器U2的第三极连接所述第四开关元件T5的第三极，在检测出超级电容SuperCap电压低于需要充电的电压时，第二比较器U2发出电平信号使第四开关元件T5闭合，电压输出节点Vout的输出电流经互感器G对超级电容SuperCap进行充电。

第二方面，本发明提供一种机械臂，包括上述的机械臂掉电角度保存装置。

该机械臂采用上述的机械臂掉电角度保存装置，其效果及工作原理参见上述描述，这里不再赘述。

需要理解的是，上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种机械臂掉电角度保存装置，其特征在于，包括：

第一供电单元，用于对所述机械臂的控制模块进行供电；

第一电压检测单元，用于对第一供电单元进行电压检测；

超级电容供电模块，用于在所述电压检测单元检测到的电压低于第一预设值时，对所述控制模块进行供电；

机械臂关节角度确定单元，用于根据机械臂关节驱动电机的连接的增量式编码器采集的关节驱动电机转速，确定机械臂的实时关节角度；

存储单元，用于在所述电压检测单元检测到的电压低于预设值时，由所述超级电容供电模块进行供电，以保存电压低于预设值时刻的机械臂关节角度。

2.根据权利要求1所述的机械臂掉电角度保存装置，其特征在于，还包括第二电压检测单元，用于检测所述超级电容供电模块中超级电容的电压，并在所述超级电容的电压低于第二预设值时，对所述超级电容进行充电。

3.根据权利要求2所述的机械臂掉电角度保存装置，其特征在于，所述第一供电单元包括第一开关元件，第二开关元件，第一二极管、第二二极管、第三二极管及第一电感；

所述第一开关元件的第一极连接电压输入节点，所述第一开关元件的第二极连接所述第二开关元件的第一极，所述第二开关元件的第二极连接所述第一电感的第一极，所述第一电感的第二极连接电压输出节点，所述第一二极管的输入极连接所述第一开关元件的第一极，所述第一二极管的输出极连接所述第一开关元件的第二极，所述第二二极管的输入极连接所述第二开关元件的第二极，所述第二二极管的输出极连接所述第二开关元件的第一极，所述第三二极管的输入极接地，所述第三二极管的输出极连接所述第二开关元件的第二极，所述第一开关元件的第三极及所述第二开关元件的第三极均为控制极。

4.根据权利要求3所述的机械臂掉电角度保存装置，其特征在于，所述超级电容供电模块包括超级电容、第三开关元件、第四二极管及第二电感；

所述第三开关元件的第一极接地，所述开关元件的第二极连接所述第二电感的第一极，所述开关元件的第三极为控制极，所述第二电感的第二极连接所述超级电容的第一极，所述超级电容的第二极接地，所述第二电感的第一极连接所述第四二极管的输入极，所述第四二极管的输出极连接所述电压输出节点。

5.根据权利要求4所述的机械臂掉电角度保存装置，其特征在于，所述第一电压检测单元包括第一比较器、第一分压电阻串及第二分压电阻串；

所述第一分压电阻串包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一极连接所述电压输入节点，所述第一电阻的第二极连接所述第二电阻的第一极，所述第二电阻的第二极接地；

所述第二分压电阻串包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的第一极连接所述电压输出节点，所述第三电阻的第二极连接所述第四电阻的第一极，所述第四电阻的第二极接地；

所述第一比较器的第一输入端连接所述第一电阻的第一极，所述第一比较器的第二输入端连接所述第一电阻的第二极，所述第一比较器的第一供电端连接所述电压输入节点及所述第一比较器的第一输入端，所述第一比较器的第二供电端连接所述第三电阻的第二极；

还包括互感器和第四开关元件，所述第四开关元件的第一极与所述电压输出节点连接，所述第四开关元件的第二极与所述互感器输入端连接，所述互感器的输出端与所述超级电容的第一极连接，所述第四开关元件的第三极与所述第一比较器的输出极连接，所述第四开关元件的第三极为控制极。

6.根据权利要求5所述的机械臂掉电角度保存装置，其特征在于，所述第二电压检测单元包括第二比较器、第三分压电阻串；

所述第三分压电阻串包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一极连接所述超级电容的第一极，所述第五电阻的第二极连接所述第六电阻的第一极，所述第六电阻的第二极接地，所述第二比较器的第一输入端连接所述第五电阻的第二极，所述第二比较器的第二输入端连接参考电压，所述第二比较器的第三极连接所述第四开关元件的第三极。

7.一种机械臂，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的机械臂掉电角度保存装置。

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