CN208744839U - 一种采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，包括视觉识别模块、上位机控制模块和多个圆筒式弹性驱动器模块，所述视觉识别模块和各圆筒式弹性驱动器模块分别与所述上位机控制模块连接，所述圆筒式弹性驱动器模块设置在采摘机器人的相应关节处；所述视觉识别模块，用来获取采摘机器人所处的环境信息；所述上位机控制模块，根据所述视觉识别模块传送来的信息发出相应指令给相应的圆筒式弹性驱动器模块；所述圆筒式弹性驱动器模块，接收并执行所述上位机控制模块的指令。本实用新型构建了圆筒式弹性驱动器的控制系统，对弹性驱动器的控制和应用进行了深入具体地研究和实践。

Description

一种采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统

技术领域

本实用新型属于农业服务机器人技术领域，具体涉及一种采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统。

背景技术

弹性驱动器作为一种新型的驱动器，一直受到国内外高校和研究所的关注，主要应用于需要柔顺性或弹性的机器人机构中。如在单足跳跃机器人机构，人体关节医疗辅助机构，双足步行机器人，外骨骼服，人体上肢机构等中的应用。它相当于在力输出端与负载之间加入弹簧作为力矩的传递机构，它可以单独承受动力源驱动力和负载反作用力，其所具有的高力保真度和低阻抗特性，使得它在人机交互环境中具有良好的应用前景。而现有的对弹性驱动器的控制往往是通过牺牲速度控制精确度以换取物理性人机交互的安全性，较大地限制了弹性驱动器的应用场景。为了对弹性驱动器的控制和应用进行深入地、具体地研究，设计了一种采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，构建了圆筒式弹性驱动器的控制系统，完成力与速度的精确控制。

实用新型内容

本实用新型设计了一种采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，实用性强，便于推广，对弹性驱动器的控制和应用进行深入地、具体地研究，解决了现有技术中的驱动器难以根据复杂的环境，准确快速的对姿态动作做出相应调整的问题。

为了实现上述目的、解决上述技术问题，本实用新型采用了以下技术方案：

一种采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，包括视觉识别模块、上位机控制模块和多个圆筒式弹性驱动器模块，所述视觉识别模块和各圆筒式弹性驱动器模块分别与所述上位机控制模块连接，所述圆筒式弹性驱动器模块设置在采摘机器人的相应关节处；

所述视觉识别模块，用来获取采摘机器人所处的环境信息；

所述上位机控制模块，根据所述视觉识别模块传送来的信息计算出相应圆筒式弹性驱动器模块中驱动电机的转向、转动角度并调用预先存入的调试好的相应驱动电机的转速信息，发出指令给相应的圆筒式弹性驱动器模块；

所述圆筒式弹性驱动器模块，接收并执行所述上位机控制模块的指令。

进一步，所述圆筒式弹性驱动器模块包括电机驱动器、驱动电机和圆筒式弹性驱动器，所述圆筒式弹性驱动器的输入端通过谐波减速器和所述驱动电机连接，所述圆筒式弹性驱动器的输出端和相应负载连接；所述负载是采摘机器人的转动臂杆或末端采摘执行器。

进一步，所述圆筒式弹性驱动器包括输入圆盘和输出圆筒，所述输入圆盘包括下输入圆盘和上输入圆盘，所述下输入圆盘一端的连接轴穿过所述输出圆筒与所述上输入圆盘固定连接；所述上输入圆盘上对称地设置有一对凸块，所述输出圆筒的一端对称地设置有一对挡块，所述凸块与所述挡块相间布置，且相邻的凸块和挡块之间设置有弹性元件，所述下输入圆盘与所述输出圆筒之间设置有轴承；所述下输入圆盘通过相对应谐波减速器和相对应驱动电机连接，所述输出圆筒与相应负载连接。

进一步，所述弹性元件是柱形压缩弹簧；所述柱形压缩弹簧垂直安装在相对应挡块和凸块之间，且相邻的柱形压缩弹簧互呈90°设置。

进一步，所述挡块和所述凸块与所述柱形压缩弹簧配合的工作面上均设置有限位凹槽。

进一步，所述输出圆筒是一筒状结构，筒状结构的中部设置有一横向挡板，所述横向挡板的中央设置有孔结构以便于所述下输入圆盘的连接轴穿过；所述横向挡板的下端面与所述滚动轴承配合，所述挡块对称地设置在所述横向挡板的上端面边缘。

进一步，所述输出圆筒的外柱面上设置有连接板，连接板通过连接件与相应负载连接。

进一步，所述上输入圆盘的中央设置有螺钉过孔，连接螺钉穿过相对应的螺钉过孔与所述下输入圆盘上的连接轴端部相对应的连接孔配合。

进一步，所述下输入圆盘上围绕所述连接轴设置有一环形凸台以安装所述滚动轴承。

进一步，所述驱动电机为无刷电机；所述无刷电机配置加速加速度、匀速速度、减速加速度转速信息，并将所述转速信息储存在所述上位机控制模块的控制器存储器中。

进一步，还包括多个接近开关，所述接近开关和所述圆筒式弹性驱动器模块一一对应；所述接近开关分别与所述上位机控制模块的控制器和相对应圆筒式弹性驱动器模块的电机驱动器连接，作为限位接口用于对相应驱动电机正反转行程进行限位。

进一步，还包括多个力反馈传感器，所述力反馈传感器和所述圆筒式弹性驱动器模块一一对应，所述力反馈传感器和相对应圆筒式弹性驱动器同轴安装在相应负载的末端，所述力反馈传感器的输出端与所述上位机控制模块的控制器上的A/D转换模块相连接。

进一步，所述视觉识别模块包括双目摄像头和微处理器，所述双目摄像头通过微处理器与所述上位机控制模块连接。

进一步，所述上位机控制模块包括控制器，所述控制器与各圆筒式弹性驱动器模块中的电机驱动器连接；所述控制器通过485通讯方式与所述电机驱动器连接，所述控制器每两个输出端口对应一个电机驱动器，其中一个输出端口输出相对应驱动电机的转向及转动角度信息，另一个输出端口输出相对应驱动电机的转速信息。

进一步，所述控制器是嵌入式控制器；所述控制器采用定时器产生若干路PWM波，所述若干路PWM波分别与各圆筒式弹性驱动器模块中的电机驱动器的转速信息传输端口相连接。

该采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统具有以下有益效果：

（1）本实用新型实现了精确地速度控制，降低了负载变化、电机转动惯量和摩擦等因素的影响。

（2）本实用新型中，机器人用驱动器要求力有低输出阻尼及适应外部负载力的高带宽变化，通过对圆筒式弹性驱动器的控制系统的优化已达到符合机器人作业要求的输出阻尼和输出带宽。

（3）本实用新型实现了精确地力与力矩控制。期望的力矩值直接作用在负载上，几乎不受重力、摩擦和阻尼等非线性因素的影响。

（4）本实用新型构建了圆筒式弹性驱动器的控制系统，对弹性驱动器的控制和应用进行了深入地、具体地研究和实践，完成力与速度的精确控制。

附图说明

图1：本实用新型实施方式中采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人控制系统的结构示意图；

图2：本实用新型实施方式中圆筒式弹性驱动器模块的结构示意图；

图3：本实用新型实施方式中圆筒式弹性驱动器的结构示意图；

图4：本实用新型实施方式中圆筒式弹性驱动器模块与上位机控制模块的通讯模式示意图。

附图标记说明：

1—视觉识别模块；11—双目摄像头；12—微处理器；2—上位机控制模块；21—控制器；3—接近开关；4—圆筒式弹性驱动器模块；41—电机驱动器；42—驱动电机；43—谐波减速器；44—圆筒式弹性驱动器；441—下输入圆盘；442—轴承；443—输出圆筒；444—柱形压缩弹簧；445—上输入圆盘；45—负载；5—力反馈传感器；6—连接件；7—电平转换器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图1至图4示出了本实用新型采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人控制系统的具体实施方式。图1是本实施方式中采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人控制系统的结构示意图；图2是本实施方式中本实施方式中圆筒式弹性驱动器模块的结构示意图；图3是本实施方式中圆筒式弹性驱动器的结构示意图；图4是本实施方式中圆筒式弹性驱动器模块与上位机模块的通讯模式示意图。

如图1所示，本实施方式中的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人控制系统，包括视觉识别模块1、上位机控制模块2和多个圆筒式弹性驱动器模块4，视觉识别模块1和各圆筒式弹性驱动器模块4分别与上位机控制模块2连接，圆筒式弹性驱动器模块4设置在采摘机器人的相应关节处；

所述视觉识别模块1，用来获取采摘机器人所处的环境信息；

所述上位机控制模块2，根据视觉识别模块1传送来的信息计算出相应圆筒式弹性驱动器模块4中驱动电机42的转向、转动角度并调用预先存入的调试好的相应驱动电机42的转速信息，发出指令给相应的圆筒式弹性驱动器模块4；

所述圆筒式弹性驱动器模块4，接收并执行上位机控制模块2的指令。

本实施例的附图1中，示例性的示出了一个圆筒式弹性驱动器模块4与上位机控制模块2的连接方式。

优选地，圆筒式弹性驱动器模块4包括电机驱动器41、驱动电机42和圆筒式弹性驱动器44，圆筒式弹性驱动器44的输入端通过谐波减速器43和驱动电机42连接，圆筒式弹性驱动器44的输出端和相应负载45连接，如图2所示。驱动电机42带动圆筒式弹性驱动器44转动，将动力传递给负载45，从而完成动力与转动的柔顺传递。这里的负载45可以是采摘机器人的转动臂杆、末端采摘执行器等。

优选地，圆筒式弹性驱动器44包括输入圆盘和输出圆筒443，所述输入圆盘包括下输入圆盘441和上输入圆盘445，下输入圆盘441一端的连接轴穿过输出圆筒443与上输入圆盘445固定连接；上输入圆盘441上对称地设置有一对凸块，输出圆筒443的一端对称地设置有一对挡块，所述凸块与所述挡块相间布置，且相邻的凸块和挡块之间设置有弹性元件，下输入圆盘441与输出圆筒443之间还设置有轴承442，如图3所示；下输入圆盘441通过相对应谐波减速器43和相对应驱动电机42连接，输出圆筒443与相应负载45连接，如图2所示。

优选地，所述弹性元件是柱形压缩弹簧444；柱形压缩弹簧444垂直安装在相对应挡块和凸块之间，且相邻的柱形压缩弹簧444互呈90°设置。

优选地，挡块和凸块与柱形压缩弹簧444配合的工作面上均设置有限位凹槽，限位凹槽在本实施例中的附图中没画出。

优选地，输出圆筒443是一筒状结构，筒状结构的中部设置有一横向挡板，横向挡板的中央设置有孔结构以便于下输入圆盘441的连接轴穿过；横向挡板的下端面与轴承442配合，所述挡块对称地设置在横向挡板的上端面边缘。

优选地，输出圆筒443的外柱面上设置有连接板，连接板通过连接件6与相应负载45连接。

优选地，下输入圆盘441上围绕所述连接轴设置有一环形凸台以安装轴承442 。

优选地，上输入圆盘445的中央设置有螺钉过孔，连接螺钉穿过相对应的螺钉过孔与下输入圆盘441上的连接轴端部相对应的连接孔配合。

优选地，驱动电机42为无刷电机；所述无刷电机配置加速加速度、匀速速度、减速加速度等转速信息，并将所述转速信息储存在上位机控制模块2的控制器21存储器中。

优选地，还包括多个接近开关3，接近开关3和圆筒式弹性驱动器模块4一一对应，接近开关3分别与上位机控制模块2的控制器21和相对应电机驱动器41连接，作为限位接口用于对相应驱动电机42正反转行程进行限位。

优选地，还包括多个力反馈传感器5，力反馈传感器5和圆筒式弹性驱动器模块4一一对应，力反馈传感器5和相对应圆筒式弹性驱动器44同轴安装在相应负载45的末端，力反馈传感器5的输出端与上位机控制模块2的控制器21上的A/D转换模块相连接。控制器21将接收到的力反馈传感器5传来的力测量信号进行处理以控制相应圆筒式弹性驱动器模块4中的驱动电机。

优选地，视觉识别模块1包括双目摄像头11和微处理器12，双目摄像头11通过微处理器12与上位机控制模块2连接，如图1所示。

优选地，上位机控制模块2包括控制器21，控制器21与各圆筒式弹性驱动器模块4中的电机驱动器41连接；控制器21通过485通讯方式与电机驱动器41连接，控制器21每两个输出端口对应一个电机驱动器41，其中一个输出端口输出相对应驱动电机42的转向及转动角度信息，另一个输出端口输出相对应驱动电机42的转速信息。

优选地，控制器21是嵌入式控制器；控制器21采用定时器产生若干路PWM波，若干路PWM波分别与各圆筒式弹性驱动器模块4中的电机驱动器41的转速信息传输端口相连接。

具体地，如图4所示，各电机驱动器41的信号线A、B分别经过相应的电平转换器7与控制器21的485总站3信号线A、B连接。为了信号更稳定，可将每台电机驱动器41的COM相连后与主站的信号地相连。本实施例中，示例性的示出了三个圆筒式弹性驱动器模块与上位机控制模块的通讯模式。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，包括视觉识别模块、上位机控制模块和多个圆筒式弹性驱动器模块，所述视觉识别模块和各圆筒式弹性驱动器模块分别与所述上位机控制模块连接，所述圆筒式弹性驱动器模块设置在采摘机器人的相应关节处。

2.根据权利要求1所述的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，所述圆筒式弹性驱动器模块包括电机驱动器、驱动电机和圆筒式弹性驱动器，所述圆筒式弹性驱动器的输入端通过谐波减速器和所述驱动电机连接，所述圆筒式弹性驱动器的输出端和相应负载连接；所述负载是采摘机器人的转动臂杆或末端采摘执行器。

3.根据权利要求2所述的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，所述圆筒式弹性驱动器包括输入圆盘和输出圆筒，所述输入圆盘包括下输入圆盘和上输入圆盘，所述下输入圆盘一端的连接轴穿过所述输出圆筒与所述上输入圆盘固定连接；所述上输入圆盘上对称地设置有一对凸块，所述输出圆筒的一端对称地设置有一对挡块，所述凸块与所述挡块相间布置，且相邻的凸块和挡块之间设置有弹性元件，所述下输入圆盘与所述输出圆筒之间还设置有轴承；所述下输入圆盘通过相对应谐波减速器和相对应驱动电机连接，所述输出圆筒与相应负载连接。

4.根据权利要求3所述的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，所述弹性元件是柱形压缩弹簧；所述柱形压缩弹簧垂直安装在相对应挡块和凸块之间，且相邻的柱形压缩弹簧互呈90°设置。

5.根据权利要求3所述的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，所述输出圆筒是一筒状结构，筒状结构的中部设置有一横向挡板，所述横向挡板的中央设置有孔结构以便于所述下输入圆盘的连接轴穿过；所述横向挡板的下端面与所述轴承配合，所述挡块对称地设置在所述横向挡板的上端面边缘。

6.根据权利要求2所述的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，所述驱动电机为无刷电机；所述无刷电机配置加速加速度、匀速速度、减速加速度转速信息，并将所述转速信息储存在所述上位机控制模块的控制器存储器中。

7.根据权利要求1至6任一所述的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，还包括多个接近开关，所述接近开关和所述圆筒式弹性驱动器模块一一对应；所述接近开关分别与所述上位机控制模块的控制器和相对应圆筒式弹性驱动器模块的电机驱动器连接。

8.根据权利要求1至6任一所述的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，还包括多个力反馈传感器，所述力反馈传感器和所述圆筒式弹性驱动器模块一一对应，所述力反馈传感器和相对应圆筒式弹性驱动器同轴安装在相应负载的末端，所述力反馈传感器的输出端与所述上位机控制模块的控制器上的A/D转换模块相连接。

9.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，所述视觉识别模块包括双目摄像头和微处理器，所述双目摄像头通过微处理器与所述上位机控制模块连接。

10.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的采用了圆筒式弹性驱动器的采摘机器人的控制系统，其特征在于，所述上位机控制模块包括控制器，所述控制器与各圆筒式弹性驱动器模块中的电机驱动器连接；所述控制器通过485通讯方式与所述电机驱动器连接，所述控制器每两个输出端口对应一个电机驱动器，其中一个输出端口输出相对应驱动电机的转向及转动角度信息，另一个输出端口输出相对应驱动电机的转速信息。