CN114098987B - 一种基于双反馈的位置同步方法、运动监测方法及其系统 - Google Patents

一种基于双反馈的位置同步方法、运动监测方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双反馈的位置同步方法、运动监测方法及其系统，其中位置同步方法包括步骤：(1)标定出运动过程中由于负载位置的变化产生的安装于电机端的第一编码器和安装于负载端的第二编码器之间的位置误差；(2)获取第一编码器和第二编码器的读数，计算第一编码器和第二编码器之间的位置偏移；(3)根据步骤(2)得到的第一编码器和第二编码器之间的位置偏移以及步骤(1)标定的当前负载位置对应的第一编码器和第二编码器之间的位置误差，对所述第一编码器和第二编码器的位置进行同步修正。本发明无需单独在外部安装传感器、光电开关等辅助设备及配件来辅助电机实现复位功能，且在复位过程中无需电机运动。

Description

一种基于双反馈的位置同步方法、运动监测方法及其系统
技术领域
本发明涉及伺服控制领域，尤其涉及一种基于双反馈的位置同步方法、运动 监测方法及其系统。
背景技术
目前微创手术已基本取代开放手术成为外科医学领域发展的主要方向，相比 于传统的开放式手术，微创手术具有创伤小、病痛轻、恢复快等优势。随着机器 人技术的发展，以达芬奇手术机器人为代表的基于机器人辅助系统的微创手术逐 渐成熟，并被广泛应用。对于以手术机器人为代表的智能医疗领域以及以工业机 器人为代表的精密加工领域，对伺服系统的精度以及安全性要求极为严苛。
为保证设备运行过程中伺服系统的精准性，在使用前需要对伺服电机进行复 位，以保证伺服系统在工作过程中更为精准、稳定以及高效。传统的复位方法无 法通过单纯的程序控制，需要在外部安装传感器、光电开关等辅助设备及配件来 帮助实现复位功能，这些设备及配件安装过程繁琐、功能复杂、成本高、稳定性 差，并且提高了设备维护的难度。基于以上所述的传统复位方法，显然复位过程 中电机需要带动负载在一定范围内运动。
手术机器人在初始复位过程中，对于产生较大运动幅度的伺服关节应尽量避 免这种复位方式，以防对医生、患者等产生不必要的伤害。再者，若手术机器人 在运行过程中发生异常掉电，需要重启设备，设备重启必然要重新复位，而这种 复位运动在重启设备过程中是绝对不被允许的。另外，伺服系统在运行过程中往 往缺少监测手段，导致伺服系统故障后设备无法及时感知，会产生意想不到的危 害。
发明内容
发明目的：本发明针对上述不足，提供了一种基于双反馈的位置同步方法、 运动监测方法及其系统，在运行过程中可实时对伺服系统进行监测。
技术方案：
一种基于双反馈的位置同步方法，包括步骤：
(1)标定出运动过程中由于负载位置的变化产生的安装于电机端的第一编 码器和安装于负载端的第二编码器之间的位置误差；
(2)获取第一编码器和第二编码器的读数，计算第一编码器和第二编码器 之间的位置偏移；
(3)根据步骤(2)得到的第一编码器和第二编码器之间的位置偏移以及步 骤(1)标定的当前负载位置对应的第一编码器和第二编码器之间的位置误差， 对所述第一编码器和第二编码器的位置进行同步修正。
所述步骤(1)具体为：
在关节的有效行程内带动负载运动，通过所述第二编码器的读数实时计算负 载质心和关节轴线构成的平面与关节零位平面之间的夹角，根据所述第一编码器 的读数标定出所述第一编码器和所述第二编码器之间的位置误差随负载质心和 关节轴线构成的平面与关节零位平面之间的夹角的变化曲线；其中，所述关节零 位平面定义为所述关节的轴线所在的竖直平面。
所述步骤(2)中，计算第一编码器和第二编码器的位置偏移具体为：
(21)根据获取得到的所述第一编码器的当前读数E1计算得到电机端的实 际位置为A1＝E1/R1，根据获取得到的第二编码器的当前读数E2计算得到负载端 的实际位置为A2＝(E2-E2Home)/R2，其中，R1、R2分别表示第一编码器和第二编码 器的分辨率；E2Home表示关节在零位处时第二编码器的读数；
当A2＞最大关节限位Pmax时，则将A2-2π作为新的A2，重复该过程直至得 到的A2＜Pmax；
当A2＜最小关节限位Pmin时，则将A2+2π作为新的A2，重复该过程直至得 到的A2＞Pmin；
其中，Pmax＝(E2max-E2Home)/R2，Pmin＝(E2min-E2Home)/R2；E2max、E2min分别为关 节在最大机械限位和最小机械限位处时第二编码器的读数；
(22)根据步骤(21)得到的电机端和负载端的实际位置A1和A2，计算得 到位置偏移offset＝A1-A2。
在所述电机端与所述负载端之间还设有传动比为Ra的谐波减速机，则所述 负载端的理论位置为A1＝E1/(R1*Ra)。
所述第一编码器为增量编码器，所述第二编码器为单圈绝对值编码器或多圈 绝对值编码器。
一种采用前述基于双反馈的位置同步方法的运动监测方法，在所述负载端运 动过程中，控制器周期性地计算负载端的目标位置及两个编码器的反馈位置，并 据此判断是否出现故障；判断依据为：
根据两个编码器的反馈位置判断二者之间的经过同步修正后的位置误差是 否处于设定的第一阈值范围内，同时判断负载端的目标位置与第一编码器经过修 正后的位置之间的位置误差是否在第二阈值范围内；
若两者都在阈值范围内，则认为检测结果正常；否则存在故障，判断伺服失 能，控制控制器对其进行制动。
所述故障判断具体为：
定义两个编码器经过同步修正后的位置误差为M，负载端的目标位置与第 一编码器经过修正后的位置之间的位置误差为N；
若M处于第一阈值范围内，而N处于第二阈值范围外，则认为存在外部干 涉导致电机堵转；
若M处于第一阈值范围外，而N处于第二阈值范围内，则认为传动出现故 障；
若M处于第一阈值范围外，而N处于第二阈值范围外，则认为出现多故障 耦合。
所述第一阈值和所述第二阈值均设置为0.1rad。
一种采用前述基于双反馈的位置同步方法的系统，包括：
位置标定模块，在关节在其运动行程内运动时，根据前述同步方法计算得到 第一编码器和第二编码器之间的位置误差；
位置同步模块，根据前述同步方法计算得到第一编码器与第二编码器之间的 位置偏移，并结合所述位置标定模块计算得到的第一编码器和第二编码器之间的 位置误差对双编码器的位置进行同步修正。
还包括运动监测模块，其周期性地获取所述负载端的目标位置及两个编码器 的反馈位置，并判断是否出现故障及对应故障类型。
有益效果：本发明无需单独在外部安装传感器、光电开关等辅助设备及配件 来辅助电机实现复位功能，且在复位过程中无需电机运动。而且本发明采用双反 馈方式可对伺服系统在运行过程中进行实时监测，避免伺服系统故障后设备无法 及时感知从而产生意想不到的危害的风险。
附图说明
图1为关节模组剖面图；
图2为本发明的流程图；
图3为负载质心处于零位平面的示意图；
图4为负载质心与零位平面行程夹角的示意图；
图5为双编码器的位置误差Err的变化曲线示意图；
图6为位置标定的流程图；
图7为位置同步计算的流程图；
图8为运动检测的流程图。
其中，1为关节模组，2为负载；11为电机，12为谐波减速机，13为制动 器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
图1为本发明所涉关节模组的剖视图，如图1所示，本发明所涉关节模组1 包括电机11、与电机11输出端固定连接的谐波减速机12及安装于电机11上用 于对电机11进行制动的制动器13，负载2与谐波减速机12的输出端连接，其 中，谐波减速机12的传动比为Ra。
谐波减速机由于柔轮的存在，在运行过程中负载位置的变化会使传动产生随 之变化的位置误差，因此需要对该误差进行标定。
图2为本发明基于双反馈的位置同步方法流程图，如图2所示，本发明的基 于双反馈的位置同步方法包括如下步骤：
(1)在电机端安装第一编码器，用以采集电机11输出端的转动量及转速； 在负载端安装第二编码器，用以采集负载2的转动量及转速；
其中，第二编码器也可以安装于谐波减速机12的输出端上。
进一步地，第一编码器为增量编码器，第二编码器为单圈绝对值编码器或多 圈绝对值编码器。
更进一步地，第一编码器的分辨率为R1，第二编码器的分辨率为R2；
(2)控制关节模组1分别运动至其最大机械限位处、最小机械限位处及零 位处，并分别记录相应的第二编码器的读数E2max、E2min、E2Home，并据此计算得 到最大关节限位Pmax＝(E2max-E2Home)/R2和最小关节限位Pmin＝(E2min-E2Home)/R2；
本发明中，为了保护关节模组1，实际运动过程中机器人控制系统会提供一 个第二编码器的最大限位阈值和最小限位阈值，其分别小于前述第二编码器的最 大关节限位和最小关节限位；
(3)将关节模组1位于其零位处，定义对应第一编码器和第二编码器的位 置为相应编码器的零点；
手动将关节模组1运动至其零位处，且令负载2质心O落入其零位平面P 内，此时负载2质心O与关节模组1轴线构成的平面与零位平面P之间的夹角 为0；其中，零位平面P定义为关节模组1轴线所在的竖直平面，如图3所示； 分别获取此时第一编码器和第二编码器的读数，并获取得到第一编码器和第二编 码器之间的位置偏差，并分别定义此时的第一编码器和第二编码器的位置为其零 位，那么此时第一编码器和第二编码器之间的位置误差为0；
(4)获取第一编码器和第二编码器之间的位置误差Err随着负载2质心和 关节模组1轴线构成的平面与零位平面之间夹角θ的变化曲线；
在关节模组1的有效运动行程内，关节模组1根据控制目标带动负载2慢速 运行，通过第二编码器的读数实时计算得到负载2质心O和关节模组1轴线构 成的平面与零位平面P之间的夹角θ，如图4所示，从而根据第一编码器的读数 标定出第一编码器和第二编码器之间的位置误差Err，那么随着负载2运动可以 得到第一编码器和第二编码器之间的位置误差Err随着负载2质心O和关节模组 1轴线构成的平面与零位平面之间的夹角θ的变化曲线，如图5所示，其中，负 载2质心O和关节模组1轴线构成的平面与零位平面之间的夹角为θ1时，第一 编码器和第二编码器之间的位置误差为Err1；
(5)计算第一编码器与第二编码器之间的位置偏移；
(51)获取第一编码器的当前读数E1和第二编码器的当前读数E2；
(52)根据第一编码器的当前读数E1计算得到电机端的实际位置为A1＝ E1/(R1*Ra)，根据第二编码器的当前读数E2计算得到负载2的实际位置为A2＝(E2-E2Honme)/R2；
且当A2＞Pmax时，则将A2-2π作为新的A2，重复该过程直至得到的A2＜Pmax；
当A2＜Pmin时，则将A2+2π作为新的A2，重复该过程直至得到的A2＞Pmin；
(53)根据步骤(52)得到的电机端和负载2的实际位置A1、A2，计算得 到位置偏移offset＝A1-A2；
(6)根据步骤(4)得到的第一编码器和第二编码器之间的位置误差Err随 着夹角θ的变化曲线以及步骤(5)得到的第一编码器与第二编码器之间的位置 偏移offset，得到双反馈同步因子factory＝Err+offset，对双编码器的位置进行 同步修正，以确保在任意位置的同步结果均与在零位标定的结果一致；
根据双反馈同步因子及第二编码器的绝对位置(即负载端的实际位置A2) 标定得到第一编码器的当前位置。
本发明还提供了一种基于双反馈位置的运动监测方法，如图8所示，在关节 模组1运动过程中，通过控制器周期性地计算负载2的目标位置及两个编码器的 反馈位置，并据此判断是否出现故障；其中，负载2的目标位置根据控制目标得 到；判断依据为：
根据两个编码器的反馈位置判断二者之间经过前述基于双反馈的位置同步 方法修正后的第一编码器和第二编码器之间的位置误差M是否处于设定的第一 阈值范围内，同时判断负载2的目标位置与第一编码器经过修正后的位置之间的 位置误差N是否在第二阈值范围内；其中，第一阈值和第二阈值均设置为0.1rad；
若M处于第一阈值范围内，且N处于第二阈值范围内，则认为检测结果正 常；否则存在故障，判断伺服失能，控制制动器对其进行制动，具体故障类型为：
若M处于第一阈值范围内，而N处于第二阈值范围外，则认为存在外部干 涉导致电机堵转；
若M处于第一阈值范围外，而N处于第二阈值范围内，则认为传动出现故 障；
若M处于第一阈值范围外，而N处于第二阈值范围外，则认为出现多故障 耦合。
本发明还提供了一种基于前述运动监测方法的运动监测系统，包括位置标定 模块、位置同步模块及控制模块；
关节模组1在其有效运动行程内进行运动时，位置标定模块根据前述方法得 到第一编码器和第二编码器之间的位置误差Err随着负载2质心和关节模组1轴 线构成的平面与零位平面之间的变化曲线；
位置同步模块根据前述方法计算得到第一编码器与第二编码器之间的位置 偏移，并根据位置标定模块得到的变化曲线计算得到双反馈同步因子以对双编码 器的位置进行同步修正，以确保在任意位置的同步结果均与在零位标定的结果一 致。
进一步地，本发明还包括运动监测模块，其周期性地获取负载2的目标位置 及两个编码器的反馈位置，并根据前述方法判断是否出现故障及对应故障类型。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式 中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种 等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于双反馈的位置同步方法，其特征在于：包括步骤：
（1）标定出运动过程中由于负载位置的变化产生的安装于电机端的第一编码器和安装于负载端的第二编码器之间的位置误差；具体为：
在关节的有效行程内带动负载运动，通过所述第二编码器的读数实时计算负载质心和关节轴线构成的平面与关节零位平面之间的夹角，根据所述第一编码器的读数标定出所述第一编码器和所述第二编码器之间的位置误差随负载质心和关节轴线构成的平面与关节零位平面之间的夹角的变化曲线；其中，所述关节零位平面定义为所述关节轴线所在的竖直平面；
（2）获取第一编码器和第二编码器的读数，计算第一编码器和第二编码器之间的位置偏移；
（3）根据步骤（2）得到的第一编码器和第二编码器之间的位置偏移以及步骤（1）标定的当前负载位置对应的第一编码器和第二编码器之间的位置误差，对所述第一编码器和第二编码器的位置进行同步修正。
2.根据权利要求1所述的基于双反馈的位置同步方法，其特征在于：所述步骤（2）中，计算第一编码器和第二编码器的位置偏移具体为：
（21）根据获取得到的所述第一编码器的当前读数E1计算得到电机端的实际位置为A1=E1/R1，根据获取得到的第二编码器的当前读数E2计算得到负载端的实际位置为A2=(E2-E2Home)/R2，其中，R1、R2分别表示第一编码器和第二编码器的分辨率；E2Home表示关节在零位处时第二编码器的读数；
当A2＞最大关节限位Pmax时，则将A2-2π作为新的A2，重复该过程直至得到的A2＜Pmax；
当A2＜最小关节限位Pmin时，则将A2+2π作为新的A2，重复该过程直至得到的A2＞Pmin；
其中，Pmax=(E2max-E2Home)/R2，Pmin=(E2min-E2Home)/R2；E2max、E2min分别为关节在最大机械限位和最小机械限位处时第二编码器的读数；
（22）根据步骤（21）得到的电机端和负载端的实际位置A1和A2，计算得到位置偏移offset=A1-A2。
3.根据权利要求2所述的基于双反馈的位置同步方法，其特征在于：在所述电机端与所述负载端之间还设有传动比为Ra的谐波减速机，则所述负载端的理论位置为A1= E1/(R1*Ra)。
4.根据权利要求1所述的基于双反馈的位置同步方法，其特征在于：所述第一编码器为增量编码器，所述第二编码器为单圈绝对值编码器或多圈绝对值编码器。
5.一种采用权利要求1~4任一所述的基于双反馈的位置同步方法的运动监测方法，其特征在于：在所述负载端运动过程中，控制器周期性地计算负载端的目标位置及两个编码器的反馈位置，并据此判断是否出现故障；判断依据为：
根据两个编码器的反馈位置判断二者之间的经过同步修正后的位置误差是否处于设定的第一阈值范围内，同时判断负载端的目标位置与第一编码器经过修正后的位置之间的位置误差是否在第二阈值范围内；
若两者都在阈值范围内，则认为检测结果正常；否则存在故障，判断伺服失能，控制控制器对其进行制动。
6.根据权利要求5所述的运动监测方法，其特征在于：所述故障判断具体为：
定义两个编码器经过同步修正后的位置误差为M，负载端的目标位置与第一编码器经过修正后的位置之间的位置误差为N；
若M处于第一阈值范围内，而N处于第二阈值范围外，则认为存在外部干涉导致电机堵转；
若M处于第一阈值范围外，而N处于第二阈值范围内，则认为传动出现故障；
若M处于第一阈值范围外，而N处于第二阈值范围外，则认为出现多故障耦合。
7.根据权利要求6所述的运动监测方法，其特征在于：所述第一阈值和所述第二阈值均设置为0.1rad。
8.一种采用权利要求1~4任一所述的基于双反馈的位置同步方法的系统，其特征在于：包括：
位置标定模块，在关节在其运动行程内运动时，根据权利要求1~4任一所述的同步方法计算得到第一编码器和第二编码器之间的位置误差；
位置同步模块，根据权利要求1~4任一所述的同步方法计算得到第一编码器与第二编码器之间的位置偏移，并结合所述位置标定模块计算得到的第一编码器和第二编码器之间的位置误差对双编码器的位置进行同步修正。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：还包括运动监测模块，其周期性地获取所述负载端的目标位置及两个编码器的反馈位置，并判断是否出现故障及对应故障类型。
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