CN209793788U - 一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，包括手腕平台和手腕关节驱动机构，所述手腕关节驱动机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，所述第一锥齿轮、所述第三锥齿轮和所述第二锥齿轮依次正交啮合；所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮，两者左右对称设置，两者在互相背对的一侧分别对称连接有一个Y向传动轴，每个所述Y向传动轴由一个电机驱动；每个所述电机输出轴上设有转矩传感器及电机编码器；所述第三锥齿轮与X向传动轴连接；所述X向传动轴与所述手腕平台固接。本实用新型本实用新型可反应仿人灵巧手操作过程中位置，姿态及转矩信息。

Description

一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统

技术领域

本实用新型涉及一种传感装置，特别涉及一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统。

背景技术

目前，仿人灵巧手是一种常见的机器人系统，作为人手的替代和延伸，它能够执行诸如工业装配，医疗辅助及空间操作等任务。随着应用场景的扩展，工作场景愈加复杂，要求仿人灵巧手不仅能模拟人手的运动，还需要能像人手一样实时感知当前运动位置、姿态以及与环境间的交互力。

手腕是人手进行负重操作的主要受力和动作关节。然而，受空间位置所限，手腕关节通常采用丝传动或带传动进行远端驱动，导致后端电机编码器角度信息和力/转矩经过多级导向轮传动后产生无法估计的迟滞、摩擦及粘弹性误差。在经过多次使用以后，由于机械间隙，还会产生随机的测量和控制误差，难以较为全面地反应机械手操作过程中的。

发明内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，包括手腕平台和手腕关节驱动机构，所述手腕关节驱动机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，所述第一锥齿轮、所述第三锥齿轮和所述第二锥齿轮依次正交啮合；所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮，两者左右对称设置，两者在互相背对的一侧分别对称连接有一个Y向传动轴，每个所述Y向传动轴由一个电机驱动；每个所述电机输出轴上设有转矩传感器及电机编码器；所述第三锥齿轮与X向传动轴连接；所述X向传动轴与所述手腕平台固接。

进一步地，所述X向传动轴上设有冗余角度传感器和冗余转矩传感器。

进一步地，还包括上位机、信号处理器和电机驱动器；所述信号处理器接收来自所述转矩传感器、所述电机编码器、所述冗余角度传感器和所述冗余转矩传感器的信号，处理后输出信号至所述上位机；所述上位机输出信号至所述电机驱动器，所述电机驱动器与所述电机电连接。

进一步地，所述信号处理器包括滤波器和模数转换器。

进一步地，所述电机通过同步带驱动所述Y向传动轴。

进一步地，所述手腕关节驱动机构还包括齿轮箱；所述第一锥齿轮、所述第二锥齿轮和所述第三锥齿轮位于所述齿轮箱内；所述X向传动轴的前后两端以及所述Y向传动轴均伸出所述齿轮箱外；所述手腕平台分别与所述X向传动轴的前后两端对称固接。

进一步地，所述手腕平台设有两个支撑臂；两个所述支撑臂分别对应与所述X向传动轴的前后两端固接。

本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型提出一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，可实时感知驱动手腕关节的电机的输出转角及相应转矩，将空间内任意方向的角度信息及转矩信息变换到两相互平行的齿轮轴上，进而实现手腕关节的转矩和位置信息的测量。本实用新型可反应仿人灵巧手操作过程中与外界交互过程中的位置，姿态及转矩信息。本实用新型采用一个位于被动齿轮轴上的冗余角度传感器和冗余转矩传感器，可对主动轴上平行放置用于测量的传感器进行自标定。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的手腕关节驱动机构的结构示意图；

图3为本实用新型的手腕平台的姿态与Y向传动轴转动角度关系图；

图4为本发明的左右电机输出转矩方向相同、大小相同时作用在手腕关节驱动机构的转矩示意图；

图5为本发明的左右电机输出转矩方向相同、大小不同时作用在手腕关节驱动机构的转矩示意图；

图6为本发明的左右电机输出转矩方向相反、大小相同时作用在手腕关节驱动机构的转矩示意图；

图7为本发明的左右电机输出转矩方向相反、大小不同时作用在手腕关节驱动机构的转矩示意图；

图8为本实用新型的传感器信号反馈及控制原理框图。

图中：1、手腕平台；2、同步带；3、转矩传感器；4、电机；5、第一锥齿轮；6、X向传动轴；7、第二锥齿轮；8、Y向传动轴；9、第三锥齿轮；10、冗余转矩传感器。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图8，一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，包括手腕平台1和手腕关节驱动机构，所述手腕关节驱动机构包括第一锥齿轮5、第二锥齿轮7和第三锥齿轮9，所述第一锥齿轮5、所述第三锥齿轮9和所述第二锥齿轮7依次正交啮合；所述第一锥齿轮5和所述第二锥齿轮7，两者左右对称设置，两者在互相背对的一侧分别对称连接有一个Y向传动轴8，每个所述Y向传动轴8由一个电机4驱动；每个所述电机4输出轴上设有转矩传感器3及电机编码器；所述第三锥齿轮9与X向传动轴6连接；所述X向传动轴6与所述手腕平台1固接。所述手腕平台1用于连接手掌。

如图1所示为本实用新型一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统的结构示意图。手腕关节驱动机构上有一个输出平台，即手腕平台1，手腕平台1用于连接手掌。手腕关节驱动机构具有两个主动驱动齿轮：即第一锥齿轮5和第二锥齿轮7，第一锥齿轮5和第二锥齿轮7，两者可分别经同步带2等传动机构与后置的电机4连接，电机4有两个，左侧的电机4称为左电机，右侧的电机4为右电机；其中第一锥齿轮5可通过同步带2等传动机构与左电机连接，第二锥齿轮7通过同步带2等传动机构与右电机连接。每个电机4的输出轴上连接有转矩传感器3和电机编码器，转矩传感器3和电机编码器的输出信号可作为反馈信号形成闭环回路。其中左电机的输出轴连接有左转矩传感器和左电机编码器，其中右电机的输出轴连接有右转矩传感器和右电机编码器。第三锥齿轮9是一个从动齿轮，其在第一锥齿轮5、第二锥齿轮7的驱动下旋转，其连接X向传动轴6，X向传动轴6与所述手腕平台1固接。

图2为本实用新型的手腕关节驱动机构的结构示意图；手腕关节驱动机构的结构如图所示，手腕关节驱动机构内部包括半径相等齿数相同的三个锥齿轮，分别为第一锥齿轮5、第二锥齿轮7和第三锥齿轮9。其中第一锥齿轮5、第二锥齿轮7平行相对放置，并分别与左右两侧的Y向传动轴8相连接。第一锥齿轮5、第二锥齿轮7与第三锥齿轮9互相垂直，第三锥齿轮9为被动齿轮，其与X向传动轴6相连接。X向传动轴6两端伸出齿轮箱与手腕平台1固连。

进一步地，所述X向传动轴6上可设有冗余角度传感器和冗余转矩传感器10。可在X向传动轴6两端设有冗余角度传感器和冗余转矩传感器10，可以安装在一端同时安装冗余角度传感器和冗余转矩传感器10，也可以一端安装冗余角度传感器，另一端安装冗余转矩传感器10，也可以每端都安装冗余角度传感器和冗余转矩传感器10。可利用电机编码器的输出角度信号计算求得手腕平台1的姿态角。

本文中的θ_a、θ_b、θ_c等表示的角度均为绝对值，τ_a、τ_b、τ_c等表示的转矩均为绝对值，除非特别指明。

规定左右两侧的Y向传动轴8的旋转正方向如图2所示，且旋转角度分别为θ_a和θ_b。当θ_b>θ_a时，平台将出现图3中所示偏转角，其中绕X向传动轴6旋转的角度为(θ_b-θ_a)/2，绕Y向传动轴8旋转的角度为(θ_b+θ_a)/2。另外，X向传动轴6上安装的冗余角度传感器和冗余转矩传感器10，可用于对两电机轴上的转矩传感器3和电机编码器进行自标定。

如图4至图7所示为本发明的左右电机输出转矩方向和大小变化时作用在手腕关节驱动机构的转矩示意图，反映手腕关节驱动机构受到的外力转矩与转矩传感器示数映射关系。其中，图4至图7方框内转矩表示手腕关节驱动机构受到的外力转矩。设定第一锥齿轮5、第二锥齿轮7半径相等，将图1中手腕关节驱动机构受到的外力转矩分解至X轴方向和Y轴方向，则电机4输出转矩与外力转矩具有以下四种情况：

1，如图4所示，左电机、右电机输出转矩方向相同，大小相等设均为τ_a，则此时手腕关节驱动机构受到的外力转矩仅加载于Y轴方向上，大小为2τ_a，方向与电机转矩方向相反。

2，如图5所示，左电机、右电机输出转矩方向相同，大小分别为τ_a和τ_b且τ_a>τ_b，则此时手腕关节驱动机构受到的外力转矩在Y轴方向上的转矩大小为2τ_b，方向与电机转矩方向相反，手腕关节驱动机构受到的外力转矩在X轴方向上的转矩大小为(τ_b-τ_b)/2，方向如图5中所示。

3，如图6所示，左电机、右电机输出转矩方向相反，大小相等设均为τ_a，则此时手腕关节驱动机构受到的外力转矩仅加载于X轴方向上，大小为2τ_a，方向如图6中所示。

4，如图7所示，左电机、右电机输出转矩方向相反，大小分别为τ_a和τ_b且τ_a>τ_b，则此时手腕关节驱动机构受到的外力转矩在Y轴方向上的转矩大小为τ_b-τ_b，手腕关节驱动机构受到的外力转矩在X轴方向上的转矩大小为(τ_b+τ_b)/2，方向分别如图7中所示。

进一步地，还可包括上位机、信号处理器和电机驱动器；所述信号处理器接收来自所述转矩传感器3、所述电机编码器、所述冗余角度传感器和所述冗余转矩传感器10的信号，处理后输出信号至所述上位机；所述上位机输出信号至所述电机驱动器，所述电机驱动器与所述电机4电连接。电机为伺服电机时，电机驱动器，即为伺服驱动器，伺服电机和伺服驱动器相匹配；电机为步进电机时，电机驱动器，即为步进电机驱动器，步进电机和步进电机驱动器相匹配；电机为变频电机时，电机驱动器，即为变频器，变频电机和变频器相匹配。

进一步地，所述信号处理器可包括滤波器和模数转换器。所述信号处理器可将传感器得到的信号进行滤波及模数转换后，经485总线等现场总线传送至上位机，并在上位机内进一步进行数据分析。

在信号处理领域中，对于信号处理的实时性、快速性的要求越来越高。而在许多信息处理过程中，如对信号的过滤、检测、预测等，都要广泛地用到滤波器。滤波器可选用多路滤波器，现有技术中有许多成型的滤波器，包括模拟滤波器和数字滤波器，模拟滤波器有有源和无源的，有源滤波器主要包括运算放大器、电阻和电容。无源的滤波器主要是由电阻、电感和电容构成。数字滤波器可以是集成电路芯片来搭建，其将模拟信号x(t)进行采样(如A/D变换)得到数字信号x(n)，再将这些数字信号通过数字滤波器，此时滤波器输出的是数字信号y(n)，y(n)再进行一个D/A转换器就得到了y(t)。从x(t)到y(t)可以理解为模拟滤波。数字滤波器对外界环境不太敏感，具有更高的可靠性。数字滤波器可以实现精确的线性相位和多速率处理等模拟滤波器无法实现的功能。数字滤波器只要提高字长，可以实现任意精度的信号处理。数字滤波器实现更加灵活，并能同时进行信号的存储。可在现有技术中滤波器中进行选择与匹配，比如可选用模拟滤波器，也可选择数字滤波器，或者两者结合使用。模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号，可在现有技术中模数转换器中进行选择与匹配，比如可选AD公司生产的AD7705、AD7714、AD7888等。

进一步地，为提高传动精度，所述电机4可通过同步带2驱动所述Y向传动轴8。也可以通过齿轮、联轴器等驱动所述Y向传动轴8。

进一步地，为便于维护和延长手腕关节驱动机构使用寿命，所述手腕关节驱动机构还可包括齿轮箱，齿轮箱内可注入齿轮油，减少齿轮之间的摩损；所述第一锥齿轮5、所述第二锥齿轮7和所述第三锥齿轮9位于所述齿轮箱内；所述X向传动轴6的前后两端以及所述Y向传动轴8均伸出所述齿轮箱外；所述手腕平台1可分别与所述X向传动轴6的前后两端对称固接。

进一步地，为提高传动精度，所述手腕平台1可设有两个支撑臂；两个所述支撑臂分别对应与所述X向传动轴6的前后两端固接。

可通过第三锥齿轮9连接的X向传动轴6上的冗余角度传感器对左、右电机输出轴上安装的电机编码器进行标定。

具体流程如下：

步骤a-1，驱动左右两侧的电机4，可使左右两侧的Y向传动轴8旋转方向从同一侧看相同且两者的旋转角度均可为θ_a，θ_a可通过电机编码器输出的检测值确定；θ_a可通过左电机编码器和右电机编码器的输出信号实时反馈获得。

可通过观察X向传动轴6上冗余角度传感器示数，若此时示数为零，则第一锥齿轮5和第二锥齿轮7旋转角度相同，则左电机编码器和右电机编码器相对对应的Y向传动轴8实际旋转角度无误差，结束标定；若冗余角度传感器显示X向传动轴6向右偏转θ_b，则此时第二锥齿轮7比第一锥齿轮5多2θ_b的旋转角度；若冗余角度传感器显示X向传动轴6向左偏转θ_b，则此时第一锥齿轮5比第二锥齿轮7多2θ_b的旋转角度。

可根据X向传动轴6上冗余角度传感器检测值进行判断，若冗余角度传感器检测值为零时，则可结束标定；若冗余角度传感器检测值显示X向传动轴6向右或向左偏转θ_b时，则可进行下一步；

步骤a-2，可驱动左右两侧的电机4，可使左右两侧的Y向传动轴8旋转方向从同一侧看相反且两者的旋转角度均为θ_a，θ_a可通过电机编码器输出的检测值确定；θ_a可通过左电机编码器和右电机编码器的输出信号实时反馈获得。

可通过观察X向传动轴6上冗余角度传感器示数，若此时示数为θ_a，则第一锥齿轮5和第二锥齿轮7旋转角度相同，则左电机编码器和右电机编码器无误差，结束标定；若有误差时，冗余角度传感器示数为θ_c，则左电机编码器和右电机编码器共有误差量的和为2θ_a-2θ_c；

可根据X向传动轴6上冗余角度传感器检测值进行判断，若冗余角度传感器检测值为θ_a时，则可结束标定；若冗余角度传感器检测值为θ_c，且θ_c与θ_a的绝对值不相等时，则可进行下一步；

步骤a-3，可设左侧Y向传动轴8对应的电机编码器检测值，与左侧Y向传动轴8实际转动角度之间的误差为θe1；可设右侧Y向传动轴8对应的电机编码器检测值，与右侧Y向传动轴8实际转动角度之间的误差为θe2；可根据步骤a-1和步骤a-2得到的冗余角度传感器检测值，如果步骤a-1中，冗余角度传感器右偏θ_b，则得到θe1＝θ_a-θ_b-θ_c，θe2＝θ_a+θ_b-θ_c；如果步骤a-1中，冗余角度传感器左偏θ_b，则得到θe1＝θ_a+θ_b-θ_c，θe2＝θ_a-θ_b-θ_c。

该方法同样适用于转矩传感器3的标定。

本实用新型的工作原理：

手腕关节驱动机构是一个由三个锥齿轮构成的差动机构，三个锥齿轮中，其中第一锥齿轮5和第二锥齿轮7是主动齿轮，第三锥齿轮9是被动齿轮，主动齿轮连接在Y向传动轴上，Y向传动轴又称为主动齿轮轴，被动齿轮连接在X向传动轴上，X向传动轴又称为被动齿轮轴。三个锥齿轮中，被动齿轮分别与两个主动齿轮正交啮合。电机4的输出轴连接有测量电机输出转矩的转矩传感器3，以及测量电机输出轴旋转角度的电机编码器。电机4的输出轴通过同步带2等传动机构与两相对平行放置的主动齿轮轴连接，通过转矩传感器3和电机编码器的检测信号反馈形成闭环回路；冗余角度传感器及冗余转矩传感器10位于被动齿轮轴，即位于X向传动轴上，可用于对转矩传感器3和电机编码器的标定。

结合差动布置的传感器特性，设计了一种测量传感器信息与手腕关节空间所受物理状态的映射关系。利用转矩传感器3与电机编码器，可实时感知当前电机的输出转角及相应转矩，将空间内任意方向的角度信息及转矩信息变换到两相互平行的齿轮轴上，进而实现手腕关节的转矩和位置信息的测量。

手腕关节驱动机构上的冗余角度传感器及冗余转矩传感器10提供的冗余信息，可对转矩传感器3与电机编码器进行自标定。通过一次同方向等角度旋转，可得到两电机编码器误差的差值；通过一次反方向等角度旋转，可得到两电机编码器误差的和值，则可计算出两电机编码器各自的误差，同理该方法对转矩传感器3的自标定同样适用。

以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本实用新型的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本实用新型的专利范围，即凡本实用新型所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本实用新型的专利范围内。

Claims (7)

1.一种用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，其特征在于，包括手腕平台和手腕关节驱动机构，所述手腕关节驱动机构包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，所述第一锥齿轮、所述第三锥齿轮和所述第二锥齿轮依次正交啮合；所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮，两者左右对称设置，两者在互相背对的一侧分别对称连接有一个Y向传动轴，每个所述Y向传动轴由一个电机驱动；每个所述电机输出轴上设有转矩传感器及电机编码器；所述第三锥齿轮与X向传动轴连接；所述X向传动轴与所述手腕平台固接。

2.根据权利要求1所述的用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，其特征在于，所述X向传动轴上设有冗余角度传感器和冗余转矩传感器。

3.根据权利要求2所述的用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，其特征在于，还包括上位机、信号处理器和电机驱动器；所述信号处理器接收来自所述转矩传感器、所述电机编码器、所述冗余角度传感器和所述冗余转矩传感器的信号，处理后输出信号至所述上位机；所述上位机输出信号至所述电机驱动器，所述电机驱动器与所述电机电连接。

4.根据权利要求3所述的用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，其特征在于，所述信号处理器包括滤波器和模数转换器。

5.根据权利要求1所述的用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，其特征在于，所述电机通过同步带驱动所述Y向传动轴。

6.根据权利要求1所述的用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，其特征在于，所述手腕关节驱动机构还包括齿轮箱；所述第一锥齿轮、所述第二锥齿轮和所述第三锥齿轮位于所述齿轮箱内；所述X向传动轴的前后两端以及所述Y向传动轴均伸出所述齿轮箱外；所述手腕平台分别与所述X向传动轴的前后两端对称固接。

7.根据权利要求6所述的用于仿人灵巧手手腕关节的传感系统，其特征在于，所述手腕平台设有两个支撑臂；两个所述支撑臂分别对应与所述X向传动轴的前后两端固接。