CN112976060B - 一种用于柔性机器人驱动器的自动标定系统及标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于柔性机器人驱动器的自动标定系统及标定方法。该标定系统包括支撑框架，所述支撑框架上分别安装有视觉定位系统、压力测量系统、气压控制系统；所述视觉定位系统用于测量柔性驱动器两端的相对位移及角度；所述气压控制系统用于给柔性驱动器的驱动端充气并测定柔性驱动器的输入气压；所述压力测量系统包括通过纵轴电机系统安装在支撑框架上的压力计以及通过横轴电机系统和旋转电机系统安装在所述支撑框架上的待标定柔性驱动器；所述支撑框架上通过横轴电机系统安装旋转电机系统，所述旋转电机系统上固定柔性驱动器的驱动端，所述柔性驱动器的自由端与所述压力计的测量端接触进行压力测量。该标定系统精度高、使用简单。

Description

一种用于柔性机器人驱动器的自动标定系统及标定方法
技术领域
本发明涉及一种用于柔性机器人驱动器的自动标定系统及标定方法，属于机器人的标定技术领域。
背景技术
在机器人领域中，软体驱动器是一种新型的驱动器，具有柔顺性高，驱动简单等优点，在机器人手爪、康复医疗、仿生机器人领域有广泛的应用，软体驱动器在使用之前，需要对其的输出特性进行标定，获得其输入量与输出量的对应关系，并确定驱动器的静态指标(最大输出力，最大弯曲角度)和动态指标(力响应曲线、位移响应曲线)。
目前，常见的标定方式有：
输出位移标定法：将驱动器的一端固定，增加输出信号，测量另一端与初始位置的位移差和角度差，得到输入气压与输出位移、旋转角度之间的关系。
最大力标定法：将柔性驱动器一端固定，在驱动器的输出方向反向放置一个挡板，在驱动器的另一端放置一个力传感器，将输入信号由零逐渐增大，检测传感器的信号，得到输入气压与输出力之间的关系。
这些方式有手动误差大，不同标定方法得出的数据不统一，难以统一比较，只能得到部分输出性能的特点。
自动标定系统将设计自动标定的算法，由人物输入标定的指令，系统自动完成标定的步骤。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种精度高、使用简单的用于柔性机器人的自动标定系统及标定方法。
为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：
一种柔性机器人驱动器的自动标定系统，包括支撑框架，所述支撑框架上分别安装有视觉定位系统、压力测量系统、气压控制系统；
所述视觉定位系统用于测量柔性驱动器两端的相对位移及角度；
所述气压控制系统用于给柔性驱动器的驱动端充气并测定柔性驱动器的输入气压；
所述压力测量系统包括通过纵轴电机系统安装在支撑框架上的压力计以及通过横轴电机系统和旋转电机系统安装在所述支撑框架上的待标定柔性驱动器；所述支撑框架上通过横轴电机系统安装旋转电机系统，所述旋转电机系统上固定柔性驱动器的驱动端，所述柔性驱动器的自由端与所述压力计的测量端接触进行压力测量。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，还包括用于指令的输入，电机位置计算及输出，摄像头数据处理，数据记录的个人电脑。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述视觉定位系统包括安装在所述支撑框架上部两端的两个摄像头系统以及设置在待标定柔性驱动器上的标记点。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述气压控制系统包括供气系统、用于与柔性驱动器驱动端连接的供气管道以及安装在供气管道上的气压计。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，每个所述的摄像头系统包括与所述支撑框架连接的摄像头支架，所述摄像头支架上通过摄像头旋转接头连接摄像头本体。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述纵轴电机系统包括用于与所述支撑框架上下两端连接的两个纵轴电机支架，两个所述纵轴电机支架之间连接两条纵轴电机导轨和一条纵轴电机丝杠，所述纵轴电机丝杠通过纵轴联轴器连接纵轴电机的动力输出端，所述纵轴电机丝杠和纵轴电机导轨上安装纵轴电机滑块，所述纵轴电机滑块上安装所述压力计。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述横轴电机系统包括用于与所述支撑框架连接的两个横轴电机支架，两个所述横轴电机支架之间连接两条横轴电机导轨和一条横轴电机丝杠，所述横轴电机丝杠通过横轴电机联轴器连接横轴电机的动力输出端，所述横轴电机丝杠和横轴电机导轨上安装横轴电机滑块，所述横轴电机滑块上安装所述旋转电机系统。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述旋转电机系统包括与所述横轴电机滑块连接的旋转电机支架，所述旋转电机支架上安装旋转电机，所述旋转电机上安装用于固定柔性驱动器的柔性驱动器托架。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述支撑框架包括底部横梁以及位于底部横梁两端的底部支脚，所述底部横梁上设置有三条立柱，其中两条立柱用于安装横轴电机系统，另一条立柱用于安装气压计，三条所述立柱顶部设置有顶部横梁，底部横梁和顶部横梁之间设置所述的纵轴电机系统，所述顶部横梁两端设置两个用于安装所述摄像头系统的支撑型材。
用上述柔性机器人驱动器的自动标定系统进行柔性机器人驱动器自动标定的方法，该方法包括：
A:输入气压与输出位移的标定：固定柔性驱动器的驱动端在柔性驱动器托架处，利用气压控制系统，控制柔性驱动器中的气压，气压值从零开始增大，步进量为最小标定单位，直到最大气压值，摄像头系统采集不同的气压下的图像，计算得到不同气压下的驱动器的位移及角度，记录数据的具体数值；
B:输入气压在不同的弯曲角度下的输出力的标定：由A得到不同的气压下，柔性驱动器的输出位移及角度，然后通过调整横轴电机系统、纵轴电机系统、旋转电机系统使得压力计的测量端，即压力计的受力点与柔性驱动器的自由端垂直处相接触，具体移动的数值分析如下：
设定横轴电机与纵轴电机的交点为坐标轴的原点，横轴电机系统的轴线为X轴，纵轴电机系统的轴线为Y轴，A为柔性驱动器的驱动端的端部线段的中点，B为柔性驱动器的自由端的端部线段的中点，连接AB两点形成线段LAB，线段LAB与X轴的夹角为θ，过B点向柔性驱动器的驱动端的端部线段做垂线，垂足为O点，令Y＝LBO,X＝LAO，
过A点作平行Y坐标轴辅助线LAF，过B点作平行纵轴坐标轴辅助线LBE，
过A点作垂直于LAO辅助线LAD,过B点作垂直于柔性驱动器的固定端的垂线LBO：
当θ＝0时，压力计刚好与驱动器末端，这时候的X轴电机坐标输出为-Y1，y轴电机坐标输出为0，Z轴电机的输出为0；
当θ>0时，当旋转电机逆旋转θ角时，驱动器末端与压力计受力端垂直,分析可得
Figure BDA0002934591890000031
Figure BDA0002934591890000032
∠EAO＝θ,
∠BAE＝α-∠EAO,
其中,
Figure BDA0002934591890000033
可以得到：
LBE＝sin∠BAE*LAB,
LAE＝cos∠BAE*LAB
这时候的x电机坐标输出为-LAE,y轴电机坐标输出为LBE，由此根据步骤A中得到的不同气压下的驱动器的位移及角度得到每一个(X,Y,θ)点的三个电机轴的输出，利用气压控制系统，控制柔性驱动器中的气压，气压值从零开始增大，步进量为最小标定单位，直到标定最大气压值，记录压力计的数据，标定完成。
有益效果：
1.标定系统采用自动标定系统，工作效率高，可以节省人力成本，降低由人为因素导致的标定误差。
2.本标定系统不仅可以标定输入气压与输出位移、输出角度之间的关系、还可以标定不同的相对位移、相对坐标的响应关系，操作简单，标定精度高。
附图说明
图1是本发明所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统的结构示意图；
图2是图1中纵轴电机系统的结构示意图；
图3是图1中支撑框架的结构示意图；
图4是图1中横轴电机系统的结构示意图；
图5是图1中示例柔性驱动器的结构示意图；
图6是图1中旋转电机的结构示意图；
图7是图1中摄像头系统的结构示意图；
图8是柔性驱动器在不同压力下的弯曲示意图；
图9是柔性驱动器数据X3,Y3坐标的测量示意图；
图10是柔性驱动器在X1,Y1坐标的测量位置及原点坐标示意图；
图11是柔性驱动器在X,Y坐标的测量位置坐标示意图；
图12是柔性驱动器弯曲简化模型分析示意图；
图13是柔性驱动器弯曲后，三个电机轴移动后的模型分析示意图。
图中：1、支撑框架；11、底部横梁；12、底部支脚；13、三条立柱；14、顶部横梁；15、支撑型材；2、视觉定位系统；21、摄像头系统；211、摄像头支架；212、摄像头旋转接头； 213、摄像头本体；3、压力测量系统；31、纵轴电机系统；311、纵轴电机支架；312、纵轴电机导轨；313、纵轴电机丝杠；314、纵轴联轴器；315、纵轴电机；316、纵轴电机滑块； 32、压力计；33、横轴电机系统；331、横轴电机支架；332、横轴电机导轨；333、横轴电机丝杠；334、横轴电机联轴器；335、横轴电机；336、横轴电机滑块；34、旋转电机系统；341、旋转电机支架；342、旋转电机；343、柔性驱动器托架；4、气压控制系统；41、供气系统； 42、供气管道；43、气压计；5、柔性驱动器；51、柔性驱动器的驱动端；52、柔性驱动器的自由端；53、标记点；6、个人电脑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1-7所示，本发明的柔性机器人驱动器的自动标定系统，包括支撑框架1，所述支撑框架上分别安装有视觉定位系统2、压力测量系统3、气压控制系统4；
所述视觉定位系统用于测量柔性驱动器5两端的相对位移及角度；
所述气压控制系统用于给柔性驱动器5的驱动端充气并测定柔性驱动器的输入气压；
所述压力测量系统包括通过纵轴电机系统31安装在支撑框架1上的压力计32以及通过横轴电机系统33和旋转电机系统34安装在所述支撑框架1上的待标定柔性驱动器5；所述支撑框架上通过横轴电机系统33安装旋转电机系统34，所述旋转电机系统上固定柔性驱动器5的驱动端51，所述柔性驱动器的自由端52与所述压力计32的测量端接触进行压力测量。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，还包括用于指令的输入，电机位置计算及输出，摄像头数据处理，数据记录的个人电脑6。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述视觉定位系统2包括安装在所述支撑框架上部两端的两个摄像头系统21以及设置在待标定柔性驱动器上的标记点53。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述气压控制系统4包括供气系统41、用于与柔性驱动器驱动端连接的供气管道42以及安装在供气管道上的气压计43。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，每个所述的摄像头系统21包括与所述支撑框架连接的摄像头支架211，所述摄像头支架上通过摄像头旋转接头212连接摄像头本体213。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述纵轴电机系统31包括用于与所述支撑框架上下两端连接的两个纵轴电机支架311，两个所述纵轴电机支架之间连接两条纵轴电机导轨312和一条纵轴电机丝杠313，所述纵轴电机丝杠通过纵轴联轴器314连接纵轴电机315 的动力输出端，所述纵轴电机丝杠和纵轴电机导轨上安装纵轴电机滑块316，所述纵轴电机滑块上安装所述压力计。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述横轴电机系统33包括用于与所述支撑框架连接的两个横轴电机支架331，两个所述横轴电机支架之间连接两条横轴电机导轨332和一条横轴电机丝杠333，所述横轴电机丝杠通过横轴电机联轴器334连接横轴电机335的动力输出端，所述横轴电机丝杠和横轴电机导轨上安装横轴电机滑块336，所述横轴电机滑块上安装所述旋转电机系统。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述旋转电机系统34包括与所述横轴电机滑块连接的旋转电机支架341，所述旋转电机支架上安装旋转电机342，所述旋转电机上安装用于固定柔性驱动器的柔性驱动器托架343。
所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，所述支撑框架1包括底部横梁11以及位于底部横梁两端的底部支脚12，所述底部横梁上设置有三条立柱13，其中两条立柱用于安装横轴电机系统，另一条立柱用于安装气压计，三条所述立柱顶部设置有顶部横梁14，底部横梁和顶部横梁之间设置所述的纵轴电机系统，所述顶部横梁两端设置两个用于安装所述摄像头系统的支撑型材15。
用上述柔性机器人驱动器的自动标定系统进行柔性机器人驱动器自动标定的方法，该方法包括：
A:输入气压与输出位移的标定：固定柔性驱动器的驱动端在柔性驱动器托架处，利用气压控制系统，控制柔性驱动器中的气压，气压值从零开始增大，步进量为最小标定单位，直到最大气压值，摄像头系统采集不同的气压下的图像，计算得到不同气压下的驱动器的位移及角度，记录数据的具体数值；记录信息在表格1中。
表1
气压(KPa) 0 20 40 60 80 100 …
X(mm) X1 X2 X3 X4 X5 X6 …
Y(mm) Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 …
θ(°) θ<sub>1</sub> θ<sub>2</sub> θ<sub>3</sub> θ<sub>4</sub> θ<sub>5</sub> θ<sub>6</sub> …
B:输入气压在不同的弯曲角度下的输出力的标定：由A得到不同的气压下，柔性驱动器的输出位移及角度，然后通过调整横轴电机系统、纵轴电机系统、旋转电机系统使得压力计的测量端，即压力计的受力点与柔性驱动器的自由端垂直处相接触，具体移动的数值分析如下：设定坐标轴的原点如图10所示。
设定横轴电机与纵轴电机的交点为坐标轴的原点，横轴电机系统的轴线为X轴，纵轴电机系统的轴线为Y轴，A为柔性驱动器的驱动端的端部线段的中点，B为柔性驱动器的自由端的端部线段的中点，连接AB两点形成线段LAB,线段LAB与X轴的夹角为θ，过B点向柔性驱动器的驱动端的端部线段做垂线，垂足为O点，令Y＝LBO,X＝LAO，
过A点作平行Y坐标轴辅助线LAF，过B点作平行纵轴坐标轴辅助线LBE，
过A点作垂直于LAO辅助线LAD,过B点作垂直于柔性驱动器的固定端的垂线LBO：
当θ＝0时，压力计刚好与驱动器末端，这时候的X轴电机坐标输出为-Y1，y轴电机坐标输出为0，Z轴电机的输出为0；
当θ>0时，压力计刚好与驱动器末端垂直接触如图11所示，简化弯曲后的模型为图12 所示，当旋转电机逆旋转θ角时，驱动器末端与压力计受力端垂直，这时的模型简化为图13，分析可得：
Figure BDA0002934591890000071
Figure BDA0002934591890000072
∠EAO＝θ,
∠BAE＝α-∠EAO,
其中,
Figure BDA0002934591890000073
可以得到：
LBE＝sin∠BAE*LAB,
LAE＝cos∠BAE*LAB
这时候的x电机坐标输出为-LAE,y轴电机坐标输出为LBE，由此根据步骤A中得到的不同气压下的驱动器的位移及角度得到每一个(X,Y,θ)点的三个电机轴的输出，利用气压控制系统，控制柔性驱动器中的气压，气压值从零开始增大，步进量为最小标定单位，直到标定最大气压值，记录压力计的数据，标定完成，记录在表2中：
表2
气压(KPa) 0 20 40 60 80 100 …
(X1,Y1,θ<sub>1</sub>) 0 …
(X2,Y2,θ<sub>2</sub>) 0 0 …
(X1,Y1,θ<sub>3</sub>) 0 0 0 …
… … … … … … … …

Claims (10)

1.一种柔性机器人驱动器的自动标定系统，其特征在于：包括支撑框架，所述支撑框架上分别安装有视觉定位系统、压力测量系统、气压控制系统；
所述视觉定位系统用于测量柔性驱动器两端的相对位移及角度；
所述气压控制系统用于给柔性驱动器的驱动端充气并测定柔性驱动器的输入气压；
所述压力测量系统包括通过纵轴电机系统安装在支撑框架上的压力计以及通过横轴电机系统和旋转电机系统安装在所述支撑框架上的待标定柔性驱动器；所述支撑框架上通过横轴电机系统安装旋转电机系统，所述旋转电机系统上固定柔性驱动器的驱动端，所述柔性驱动器的自由端与所述压力计的测量端接触进行压力测量。
2.根据权利要求1所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，其特征在于：还包括用于指令的输入，电机位置计算及输出，摄像头数据处理，数据记录的个人电脑。
3.根据权利要求1或2所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，其特征在于：所述视觉定位系统包括安装在所述支撑框架上部两端的两个摄像头系统以及设置在待标定柔性驱动器上的标记点。
4.根据权利要求1或2所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，其特征在于：所述气压控制系统包括供气系统、用于与柔性驱动器驱动端连接的供气管道以及安装在供气管道上的气压计。
5.根据权利要求3所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，其特征在于：每个所述的摄像头系统包括与所述支撑框架连接的摄像头支架，所述摄像头支架上通过摄像头旋转接头连接摄像头本体。
6.根据权利要求1或2所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，其特征在于：所述纵轴电机系统包括用于与所述支撑框架上下两端连接的两个纵轴电机支架，两个所述纵轴电机支架之间连接两条纵轴电机导轨和一条纵轴电机丝杠，所述纵轴电机丝杠通过纵轴联轴器连接纵轴电机的动力输出端，所述纵轴电机丝杠和纵轴电机导轨上安装纵轴电机滑块，所述纵轴电机滑块上安装所述压力计。
7.根据权利要求1或2所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，其特征在于：所述横轴电机系统包括用于与所述支撑框架连接的两个横轴电机支架，两个所述横轴电机支架之间连接两条横轴电机导轨和一条横轴电机丝杠，所述横轴电机丝杠通过横轴电机联轴器连接横轴电机的动力输出端，所述横轴电机丝杠和横轴电机导轨上安装横轴电机滑块，所述横轴电机滑块上安装所述旋转电机系统。
8.根据权利要求1或2所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，其特征在于：所述旋转电机系统包括与所述横轴电机滑块连接的旋转电机支架，所述旋转电机支架上安装旋转电机，所述旋转电机上安装用于固定柔性驱动器的柔性驱动器托架。
9.根据权利要求1或2所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统，其特征在于：所述支撑框架包括底部横梁以及位于底部横梁两端的底部支脚，所述底部横梁上设置有三条立柱，其中两条立柱用于安装横轴电机系统，另一条立柱用于安装气压计，三条所述立柱顶部设置有顶部横梁，底部横梁和顶部横梁之间设置所述的纵轴电机系统，所述顶部横梁两端设置两个用于安装摄像头系统的支撑型材。
10.一种用权利要求1-9任一项所述的柔性机器人驱动器的自动标定系统进行柔性机器人驱动器自动标定的方法，其特征在于：该方法包括：
A:输入气压与输出位移的标定：固定柔性驱动器的驱动端在柔性驱动器托架处，利用气压控制系统，控制柔性驱动器中的气压，气压值从零开始增大，步进量为最小标定单位，直到最大气压值，摄像头系统采集不同的气压下的图像，计算得到不同气压下的驱动器的位移及角度，记录数据的具体数值；
B:输入气压在不同的弯曲角度下的输出力的标定：由A得到不同的气压下，柔性驱动器的输出位移及角度，然后通过调整横轴电机系统、纵轴电机系统、旋转电机系统使得压力计的测量端，即压力计的受力点与柔性驱动器的自由端垂直处相接触，具体移动的数值分析如下：
设定横轴电机与纵轴电机的交点为坐标轴的原点，横轴电机系统的轴线为X轴，纵轴电机系统的轴线为Y轴，A为柔性驱动器的驱动端的端部线段的中点，B为柔性驱动器的自由端的端部线段的中点，连接AB两点形成线段LAB,线段LAB与X轴的夹角为θ，过B点向柔性驱动器的驱动端的端部线段做垂线，垂足为O点，令Y＝LBO,X＝LAO，
过A点作平行Y坐标轴辅助线LAF，过B点作平行纵轴坐标轴辅助线LBE，
过A点作垂直于LAO辅助线LAD,过B点作垂直于柔性驱动器的固定端的垂线LBO：
当θ＝0时，压力计刚好与驱动器末端，这时候的X轴电机坐标输出为-Y1，y轴电机坐标输出为0，Z轴电机的输出为0；
当θ>0时，当旋转电机逆旋转θ角时，驱动器末端与压力计受力端垂直,分析可得
Figure FDA0003656593320000021
Figure FDA0003656593320000022
∠EAO＝θ,
∠BAE＝α-∠EAO,
其中,
Figure FDA0003656593320000031
可以得到：
LBE＝sin∠BAE*LAB,
LAE＝cos∠BAE*LAB
这时候的x电机坐标输出为-LAE,y轴电机坐标输出为LBE，由此根据步骤A中得到的不同气压下的驱动器的位移及角度得到每一个(X,Y,θ)点的三个电机轴的输出，利用气压控制系统，控制柔性驱动器中的气压，气压值从零开始增大，步进量为最小标定单位，直到标定最大气压值，记录压力计的数据，标定完成。
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