CN113927629A - 一种连续体机械臂角度传感器标定系统及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续体机械臂角度传感器标定系统及标定方法，包括控制单元、角转动台、基座支架、感应体和辅助支架，基座支架安装在角转动台上，感应体固定于基座支架的上方，角转动台、基座支架和感应体同轴设置；待测角度传感器通过辅助支架安装在感应体的周侧，控制单元与角转动台相连，用于控制角转动台按预设角度转动，以带动基座支架上的感应体转动；待测角度传感器用于检测感应体转动而变化的磁场方向信息，并转换成角度信息；控制单元与待测角度传感器相连，用于获取待测角度传感器检测的角度信息，并与预设角度比较而实现待测角度传感器的标定。本发明能对感应式角度传感器进行检测标定，具备通用性强、操作便捷、标定迅速等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及传感器标定技术领域，具体涉及一种连续体机械臂角度传感器标定系统及标定方法。
背景技术
在连续体机械臂领域，机械臂需要通过各类外部传感器和内部传感器对自身形态进行准确检测。其中机械臂通过角度传感器对角位置进行检测，以确定当前自身关节或角度驱动单元转过的角度。角度传感器受各种因素影响不可避免地产生测量误差，在机械臂装配角度传感器时需要对角度传感器进行标定，从而提高机械臂的角度测量精度，提升机械臂形态检测能力。
现有的角度传感器标定系统缺乏通用性，经常是一种传感器对应一种标定系统，另外用于标定的用户软件功能简单，难以胜任复杂多样的标定任务，状态显示、设置、检测控制方面的软件功能薄弱。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单且操作简便的连续体机械臂角度传感器标定系统及标定方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种连续体机械臂角度传感器标定系统，包括控制单元、角转动台、基座支架、感应体和辅助支架，所述基座支架安装在角转动台上，所述感应体固定于所述基座支架的上方，所述角转动台、基座支架和感应体同轴设置；待测角度传感器通过所述辅助支架安装在感应体的周侧，且待测角度传感器的轴线与角转动台的轴线同轴或者垂直相交；所述控制单元与所述角转动台相连，用于控制所述角转动台按预设角度转动，以带动基座支架上的感应体转动；待测角度传感器用于检测感应体转动而变化的磁场方向信息，并转换成角度信息；所述控制单元与待测角度传感器相连，用于获取待测角度传感器检测的角度信息，并与预设角度比较而实现待测角度传感器的标定。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述角转动台与所述基座支架之间设置有角度检测件，用于检测所述角转动台的转动角度值；所述控制单元与所述角度检测件相连，用于根据转动角度值以实现角转动台的闭环控制，或者根据转动角度值对待测角度传感器进行标定。
所述角度检测件为圆形光栅尺。
还包括减震台，所述角转动台和辅助支架均安装在所述减震台上。
所述待测角度传感器通过锥形适配器安装于所述辅助支架上，所述锥形适配器通过紧固件紧固在所述辅助支架上。
所述基座支架包括为三爪卡盘设计，包括卡盘体、多个活动卡爪和驱动机构；多个活动卡爪均匀分布在所述卡盘体上，所述驱动机构用于驱动各所述活动卡爪围拢或散开以实现拆装。
所述基座支架底部设有圆柱形结构，与角转动台上表面相连接；或者所述基座支架通过法兰盘与角转动台上表面相连。
所述控制单元包括一体化控制器和数据采集模块，所述数据采集模块用于A/D转换、信号调理和信号测量；所述一体化控制器用于数据采集、分析和记录。
本发明还公开了一种基于如上所述的连续体机械臂角度传感器标定系统的标定方法，包括步骤：
所述控制单元控制所述角转动台按预设角度转动，以带动基座支架上的感应体转动；
待测角度传感器检测感应体转动而变化的磁场方向信息，并转换成角度信息；
所述控制单元获取待测角度传感器检测的角度信息，并与预设角度比较而实现待测角度传感器的标定。
作为上述技术方案的进一步改进：
还包括：检测角转动台的转动角度值；所述控制单元根据转动角度值以实现角转动台的闭环控制，或者根据转动角度值对待测角度传感器进行标定。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的连续体机械臂角度传感器标定系统，通过控制角转动台按预设角度转动，然后带动基座支架上的感应体转动，待测角度传感器检测感应体转动而变化的磁场方向信息，并转换成角度信息；控制单元获取待测角度传感器检测的角度信息，并与预设角度比较而实现待测角度传感器的标定，上述结构简单且操作简便；本发明连续体机械臂角度传感器标定系统能够对角度位置进行精确测量，分析指定角度分辨率下的角度传感器最小输出变化量、被测传感器的输出最大误差，并对其进行标定。
本发明配置三爪卡盘基座支架和辅助支架、锥形适配器，可检测多种感应式角度传感器，可根据角度传感器实际尺寸不同，配置使用不同的锥形适配器，具有通用性、适配性较强，操作便捷的特点；本发明为实现对角角度传感器的精确标定，配置有专门设计的工作台，其包括有数据采集系统、电控系统和用户计算机，可对角度传感器的旋转角度进行任意调整、同步记录角转动台的标准角度输出和被测角度传感器的角度输出、记录并分析给定角度分辨率下的最小输出变化量和被测角度传感器的最大绝对误差和最大相对误差。
本发明对软件系统进行专门设计，用于人机交互，控制信号通过USB接口对电控系统进行命令的读写操作，数据采集信号通过以太网接口对数据采集系统进行命令读写操作，可通过鼠标、键盘、显示器用于用户控制操作。其次软件系统设计为标准的测控软件界面，符合传感器检测标定习惯；软件系统的测试功能包含功能齐全的用户操作按钮，可对数据读取、写入、保存进行操作，同时具备波形图显示、数据显示、状态显示、测试操作、自检操作等用户所需的功能；软件系统的设置功能，可进行基本显示设置、数值框显示设置、波形图显示设置。软件系统整体操作便捷迅速，实时性好，功能逻辑严密，软件风格符合行业习惯。
附图说明
图1为本发明的标定系统在实施例的方框图。
图2为本发明的标定系统在具体应用时的实施例图。
图3为本发明的标定系统中的辅助支架在实施例的立体结构图。
图4为本发明的标定系统中的锥形适配器在实施例的立体结构图。
图5为本发明的标定系统中的基座支架在实施例的立体结构图。
图6为本发明的标定方法在实施例的流程图。
图例说明：1、角转动台；2、角度检测件；201、光栅尺；3、基座支架；4、感应体；5、辅助支架；6、待测角度传感器；7、适配器；8、减震台；9、控制单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本发明实施例的连续体机械臂角度传感器标定系统，包括控制单元9、角转动台1、基座支架3、感应体4和辅助支架5，基座支架3安装在角转动台1上，感应体4固定于基座支架3的上方，角转动台1、基座支架3和感应体4同轴设置；待测角度传感器6通过辅助支架5安装在感应体4的周侧，且待测角度传感器6的轴线与角转动台1的轴线同轴或者垂直相交；控制单元9与角转动台1相连，用于控制角转动台1按预设角度转动，以带动基座支架3上的感应体4转动；待测角度传感器6用于检测感应体4转动而变化的磁场方向信息，并转换成角度信息；控制单元9与待测角度传感器6相连，用于获取待测角度传感器6检测的角度信息，并与预设角度比较而实现待测角度传感器6的标定。具体地，感应体4在其周围区域产生均匀磁场，供待测角度传感器6采集磁场方向信息，并重新编码为角度信息，通过线缆传输到控制单元9。
本发明的连续体机械臂角度传感器标定系统，通过控制角转动台1按预设角度转动，然后带动基座支架3上的感应体4转动，待测角度传感器6检测感应体4转动而变化的磁场方向信息，并转换成角度信息；控制单元9获取待测角度传感器6检测的角度信息，并与预设角度比较而实现待测角度传感器6的标定，上述结构简单且操作简便；本发明连续体机械臂角度传感器标定系统能够对角度位置进行精确测量，分析指定角度分辨率下的角度传感器最小输出变化量和被测传感器的输出最大误差，并对其进行标定。
在一具体实施例中，角转动台1与基座支架3之间设置有角度检测件2(如圆形光栅尺201等)，用于检测角转动台1的转动角度值；控制单元9与角度检测件2相连，用于根据转动角度值以实现角转动台1的闭环控制，保证角转动台1转动的可靠性；或者根据转动角度值对待测角度传感器6进行标定，从而提高标定的可靠性。
在一具体实施例中，还包括减震台8，角转动台1通过M6螺丝安装在减震台8上。基座支架3通过M6螺丝固定在角转动台1的顶端。辅助支架5通过M6螺丝安装在减震台8上。辅助支架5主体材料为不导电的非磁材料尼龙66，表面打磨处理。辅助支架5的顶部和两侧设计内径为100mm的安装孔，锥角为60度，两侧设计M4的安装螺纹孔，用于锥形适配器7的安装与定心。锥形适配器7为类圆台设计，顶端台面直径为100mm，锥角为60度，根据不同角度传感器的尺寸加工专用尺寸的锥形适配器7，角度传感器安装于锥形适配器7的中心圆孔内，锥形适配器7通过上下两端的M4螺纹孔与辅助支架5连接固定，待测角度传感器6通过锥形适配器7安装于辅助支架5上。如图2所示，其中锥形适配器7的安装位置有三个，一个位于辅助支架5的顶端，另两个则分别位于辅助支架5的左右两侧。其中锥形适配器7中心有一通孔，待测角度传感器6的感应头穿过该通孔，并过M4螺丝固定在锥心适配器7上。
具体地，角转动台1包括转动台主体、伺服电机，材料为铝合金，表面经阳极氧化发黑处理，采用蜗轮蜗杆结构，用于进行正向或反向旋转；角转动台1的中心通孔和旋转中心同轴；设计消空回结构，用于调整长期使用造成的空回间隙；台面外围采用激光工艺刻印标尺，进行初始定位和读数。角转动台1的伺服电机整体防护等级IP65，具备短路保护功能，伺服驱动器具备过载保护功能。
在一具体实施例中，基座支架3包括为三爪卡盘设计，包括卡盘体、多个活动卡爪和驱动机构；多个活动卡爪均匀分布在卡盘体上，驱动机构用于驱动各活动卡爪围拢或散开以实现拆装。基座支架3底部设有圆柱形结构，与角转动台1上表面相连接；或者基座支架3通过法兰盘与角转动台1上表面相连。整体结构简单且操作简便。
在一具体实施例中，控制单元9包括电控系统、计算机软件系统、数据采集系统。电控系统通过USB接口与计算机软件系统连接，计算机软件系统通过以太网接口与数据采集系统连接。电控系统与角转动台1连接，电控系统通过USB接口与计算机软件系统连接，计算机软件系统通过以太网接口与数据采集系统连接。数据采集系统包括一体化控制器和数据采集模块，数据采集模块用于A/D转换、信号调理和信号测量；一体化控制器用于数据采集、数据分析、记录数据。电控系统包括电控机箱和运控控制卡，安装于电控机箱内部。电控机箱外部面板设计电源开关和急停按钮，使用脉冲输出和编码器反馈形式，通过USB接口与计算机软件系统连接，各轴控制带有减速和限位开关接口，用于控制角度和角速度。用户软件具备测试功能、设置功能和数据显示功能。其中为用户提供测试界面，包括菜单按钮、测试选项卡、设置选项卡、多模态显示。测试功能包括菜单按钮操作、波形图显示、数值显示、测试操作状态显示。菜单按钮操作包括打开操作、保存操作、另存为操作、测试指令编辑、帮助按钮，用于对测试数据进行对应操作和编辑测试指令。波形图功能可以通过波形图对应按钮进行放大、缩小、平移操作；数据显示功能可以显示角度传感器的最大相对误差、最小变化量和最大绝对误差；测试操作状态显示功能可以显示所述角转动台1、数值采集系统、计算机、电控系统之间的连接通讯状态；可以输入角位移数值控制角转动台1的角位置；可以通过对应按钮控制所述角转动台1的开始、停止、暂停、故障指示；自检操作，向电控系统、数据采集系统、角转动台1发出自检信号，通过返回的信号确定各个设备的运行状况。设置功能包括基本显示设置、数值框显示设置和波形图显示设置。基本显示功能可以设置角度传感器的最大量程、最小分辨率和数据采集通道；数值框显示设置可以选择显示或不显示对应测试项目，包括角度传感器数值、最小变化量、最大绝对误差、最大相对误差；波形图显示设置可以选择显示或不显示误差曲线、数据采集通道、波形曲线。
本发明配置三爪卡盘基座支架3、辅助支架5和锥形适配器7，可检测多种感应式角度传感器，可根据角度传感器实际尺寸不同，配置使用不同的锥形适配器7，具有通用性、适配性较强，操作便捷的特点；
本发明为实现对角角度传感器的精确标定，配置有专门设计的工作台，其包括有数据采集系统、电控系统和用户计算机，可对角度传感器的旋转角度进行任意调整、同步记录角转动台1的标准角度输出和被测角度传感器的角度输出、记录并分析给定角度分辨率下的最小输出变化量和被测角度传感器的最大绝对误差和最大相对误差。
本发明对软件系统进行专门设计，用于人机交互，控制信号通过USB接口对电控系统进行命令的读写操作，数据采集信号通过以太网接口对数据采集系统进行命令读写操作，可通过鼠标、键盘、显示器用于用户控制操作。其次软件系统设计为标准的测控软件界面，符合传感器检测标定习惯；软件系统的测试功能包含功能齐全的用户操作按钮，可对数据读取、写入、保存进行操作，同时具备波形图显示、数据显示、状态显示、测试操作、自检操作等用户所需的功能；软件系统的设置功能，可进行基本显示设置、数值框显示设置、波形图显示设置。软件系统整体操作便捷迅速，实时性好，功能逻辑严密，软件风格符合行业习惯。
如图6所示，本发明实施例的基于如上所述的连续体机械臂角度传感器标定系统的标定方法，包括步骤：
控制单元9控制角转动台1按预设角度转动，以带动基座支架3上的感应体4转动；
待测角度传感器6检测感应体4转动而变化的磁场方向信息，并转换成角度信息；
控制单元9获取待测角度传感器6检测的角度信息，并与预设角度比较而实现待测角度传感器6的标定。
本发明的标定方法过程简单且操作简便。
在一具体实施例中，还包括：检测角转动台1的转动角度值；控制单元9根据转动角度值以实现角转动台1的闭环控制，或者根据转动角度值对待测角度传感器6进行标定。
其中角度传感器标定软件的流程为：软件程序开始后，建立运动控制卡、数据采集系统以及控制计算机之间的联系，完成后进行自检过程，自检不合格时，根据自检情况报出的故障代码显示在故障指示框内，说明故障类型；自检合格后开始角转动台1的测试，通过鼠标拖动和键盘输入数值的方式设置角位移传感器的数据采集通道、最大量程、最小分辨率，设置波形图和数值框的显示选项，当设定的数值超过限制时弹出警告框并指示用户重新设置；设置完成后测试开始，若测试失败，可重新设置参数再次测试，测试成功后用户在软件界面填写测试编号和备注，保存测试数据文件后结束程序。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种连续体机械臂角度传感器标定系统，其特征在于，包括控制单元(9)、角转动台(1)、基座支架(3)、感应体(4)和辅助支架(5)，所述基座支架(3)安装在角转动台(1)上，所述感应体(4)固定于所述基座支架(3)的上方，所述角转动台(1)、基座支架(3)和感应体(4)同轴设置；待测角度传感器(6)通过所述辅助支架(5)安装在感应体(4)的周侧，且待测角度传感器(6)的轴线与角转动台(1)的轴线同轴或者垂直相交；所述控制单元(9)与所述角转动台(1)相连，用于控制所述角转动台(1)按预设角度转动，以带动基座支架(3)上的感应体(4)转动；待测角度传感器(6)用于检测感应体(4)转动而变化的磁场方向信息，并转换成角度信息；所述控制单元(9)与待测角度传感器(6)相连，用于获取待测角度传感器(6)检测的角度信息，并与预设角度比较而实现待测角度传感器(6)的标定。
2.根据权利要求1所述的连续体机械臂角度传感器标定系统，其特征在于，所述角转动台(1)与所述基座支架(3)之间设置有角度检测件(2)，用于检测所述角转动台(1)的转动角度值；所述控制单元(9)与所述角度检测件(2)相连，用于根据转动角度值以实现角转动台(1)的闭环控制，或者根据转动角度值对待测角度传感器(6)进行标定。
3.根据权利要求2所述的连续体机械臂角度传感器标定系统，其特征在于，所述角度检测件(2)为圆形光栅尺(201)。
4.根据权利要求1或2或3所述的连续体机械臂角度传感器标定系统，其特征在于，还包括减震台(8)，所述角转动台(1)和辅助支架(5)均安装在所述减震台(8)上。
5.根据权利要求1或2或3所述的连续体机械臂角度传感器标定系统，其特征在于，所述待测角度传感器(6)通过锥形适配器(7)安装于所述辅助支架(5)上，所述锥形适配器(7)通过紧固件紧固在所述辅助支架(5)上。
6.根据权利要求1或2或3所述的连续体机械臂角度传感器标定系统，其特征在于，所述基座支架(3)包括为三爪卡盘设计，包括卡盘体、多个活动卡爪和驱动机构；多个活动卡爪均匀分布在所述卡盘体上，所述驱动机构用于驱动各所述活动卡爪围拢或散开以实现拆装。
7.根据权利要求6所述的连续体机械臂角度传感器标定系统，其特征在于，所述基座支架(3)底部设有圆柱形结构，与角转动台(1)上表面相连接；或者所述基座支架(3)通过法兰盘与角转动台(1)上表面相连。
8.根据权利要求1或2或3所述的连续体机械臂角度传感器标定系统，其特征在于，所述控制单元(9)包括一体化控制器和数据采集模块，所述数据采集模块用于A/D转换、信号调理和信号测量；所述一体化控制器用于数据采集、分析和记录。
9.一种基于权利要求1～8中任意一项所述的连续体机械臂角度传感器标定系统的标定方法，其特征在于，包括步骤：
所述控制单元(9)控制所述角转动台(1)按预设角度转动，以带动基座支架(3)上的感应体(4)转动；
待测角度传感器(6)检测感应体(4)转动而变化的磁场方向信息，并转换成角度信息；
所述控制单元(9)获取待测角度传感器(6)检测的角度信息，并与预设角度比较而实现待测角度传感器(6)的标定。
10.根据权利要求9所述的标定方法，其特征在于，还包括：检测角转动台(1)的转动角度值；所述控制单元(9)根据转动角度值以实现角转动台(1)的闭环控制，或者根据转动角度值对待测角度传感器(6)进行标定。
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