CN211053693U - 一种机械臂 - Google Patents
一种机械臂 Download PDFInfo
- Publication number
- CN211053693U CN211053693U CN201922159819.3U CN201922159819U CN211053693U CN 211053693 U CN211053693 U CN 211053693U CN 201922159819 U CN201922159819 U CN 201922159819U CN 211053693 U CN211053693 U CN 211053693U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- joints
- imu
- mechanical arm
- joint
- coordinate system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Manipulator (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种机械臂，包括机器人本体，还包括设于机器人本体、且能够前后伸缩的前后伸缩关节；设于前后伸缩关节、用以获取前后伸缩关节相对于世界坐标系的位置关系的第一IMU。还包括设于前后伸缩关节的末端、且能够朝向内外侧方向旋转的内外旋转关节；设于内外旋转关节、用以获取前后伸缩关节和/或内外旋转关节相对于世界坐标系的位置关系的第二IMU。还包括设于内外旋转关节的末端、且能够朝向左右方向旋转的左右旋转关节；设于左右旋转关节、用以获取左右旋转关节相对于世界坐标系的位置关系的第三IMU。上述机械臂，利用IMU能够测量机械臂在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出机械臂的姿态，从而完毕后续校准操作。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，特别涉及一种机械臂。
背景技术
随着社会发展与科技的显著进步，促使微机电技术不断创新，体积小、质量轻、功耗低、可靠性高的惯性测量单元(IMU)将姿态测控系统的应用范围由传统的航空航天、工业控制领域拓展到了更为广阔的领域，特别对于一些微小型运载体或微型便携式设备的姿态测控系统研究具有巨大的促进作用。而机械臂作为一个多耦合、多变量且时变的非线性、不稳定高阶系统，同时其运动学方程具有非完整性约束，因此机械臂作为一个结构相对简单、控制相对复杂系统，是验证姿态测控系统的典型装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种机械臂，可以方便地解算出机械臂的姿态，实现机械臂电机的快速归零。
为实现上述目的，本实用新型提供一种机械臂，包括机器人本体，还包括：
设于所述机器人本体、且能够前后伸缩的前后伸缩关节；
设于所述前后伸缩关节用以获取所述前后伸缩关节相对于世界坐标系的位置关系的第一IMU。
优选地，还包括连接于所述前后伸缩关节、用以驱动所述前后伸缩关节沿前后方向伸缩的驱动缸。
优选地，还包括：
设于所述前后伸缩关节的末端、且能够朝向内外侧方向旋转的内外旋转关节；
设于所述内外旋转关节、用以获取所述前后伸缩关节和/或所述内外旋转关节相对于世界坐标系的位置关系的第二IMU。
优选地，还包括：
设于所述内外旋转关节的末端、且能够朝向左右方向旋转的左右旋转关节；
设于所述左右旋转关节、用以获取所述左右旋转关节相对于世界坐标系的位置关系的第三IMU。
优选地，还包括连接于所述内外旋转关节、用以驱动所述内外旋转关节旋转的内外旋转电机。
优选地，还包括连接于所述左右旋转关节、用以驱动所述左右旋转关节旋转的左右旋转电机。
优选地，所述机器人本体呈竖直方向设置。
相对于上述背景技术，本实用新型提供的机械臂，将IMU设置于各个关节，IMU固定在机械臂后，当机械臂旋转时，IMU随之做相应的旋转，即IMU与机械臂绕同一旋转轴旋转同样的角度；利用IMU能够测量机械臂在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出机械臂的姿态，从而完毕后续校准操作。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例所提供的机械臂的结构示意图；
图2为图1中的前后伸缩关节J0和内外旋转关节J1处的局部示意图；
图3为图1中的IMU的示意图；
图4为图1中机械臂的机器人本体坐标系、世界坐标系和姿态角关系的示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
请参考图1至图4，图1为本实用新型实施例所提供的机械臂的结构示意图；图2为图1中的前后伸缩关节J0和内外旋转关节J1处的局部示意图；图3为图1中的IMU的示意图；图4为图1中机械臂的机器人本体坐标系、世界坐标系和姿态角关系的示意图。
本文中，前后方向可以定义为如说明书附图1至附图3所示的y轴方向，内外方向可以定义为如说明书附图1至附图3所示沿x轴旋转的方向，左右方向可以定义为如说明书附图1至附图3所示沿y轴旋转的方向。
本实用新型提供的一种机械臂，包括机器人本体，机器人本体可以沿竖直方向(y轴方向)设置；其中，机器人本体还可以设置有前后伸缩关节J0，前后伸缩关节J0能够前后伸缩；前后伸缩关节J0连接有驱动缸，通过驱动缸实现前后伸缩关节J0的前后伸缩。
在前后伸缩关节J0处还设有第一IMU1，第一IMU1能够获取前后伸缩关节J0相对于世界坐标系的位置关系。针对IMU，其是指惯性测量单元，本实用新型提供的机械臂可以利用惯性测量器件加速度计、陀螺仪和磁强计共同完成位姿信息的采集。加速度计检测机械臂在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测机械臂相对于导航坐标系的角速度信号，测量机械臂在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出机械臂的姿态。
除此之外，在前后伸缩关节J0的末端还可以设置内外旋转关节J1，内外旋转关节J1能够朝向内外侧方向旋转；内外旋转关节J1设置第二IMU2，用以获取前后伸缩关节J0和/或所述内外旋转关节J1相对于世界坐标系的位置关系的第二IMU。当然，为了实现内外旋转关节J1能够朝向内外侧方向旋转，内外旋转电机与内外旋转关节J1相连，进而完成内外旋转关节J1的旋转。
内外旋转关节J1的末端还可以设置左右旋转关节J4，左右旋转关节J4能够朝向左右方向旋转，第三IMU3设置于左右旋转关节J4，用以获取左右旋转关节J4相对于世界坐标系的位置关系。当然，为了实现左右旋转关节J4的左右方向旋转，左右旋转电机连接于左右旋转关节J4。其中，上述内外旋转电机和左右旋转电机可以设置为舵机或其他类型的电机。如说明书附图1所示，还可以设置竖直运动关节J3，其能够实现沿竖直方向伸缩，本文并不考虑其具体位姿。
IMU的具体设置方式可以参考现有技术，如说明书附图3所示；且各个IMU获取姿态角的方法(也即IMU的使用方法)同样可参考现有技术，本文不再赘述。
每个IMU与各个关节之间可以采用诸如螺钉连接、卡接等方式实现固定，从而确保每个IMU与不同关节同步运动，以采集各个关节的位姿，以便根据采集到的位姿完成后续校准操作。
通过设置上述IMU，在离线时，IMU采集机械臂的运动轨迹数据和空间姿态数据，将运动轨迹数据和空间姿态数据显示在三维环境中。根据校准数据计算得到校准模型，IMU测得的姿态角计算得到相应的旋转矩阵，将姿态角分解到机械臂驱动电机的轴向上。IMU固定在机械臂上，固定装置如说明书附图2所示。在机械臂运动范围内进行基准点的预标定，并根据所述基准点建立三维坐标系，在三维坐标系中分解姿态角计算得到机械臂的旋转角度。
在机械臂运动范围内基准点的预标定过程中，可以定义世界坐标系和惯性测量单元的载体坐标系：世界坐标系W采用东(E)、北(N)、天(U)的地理坐标系；载体坐标系O采用惯性测量单元默认坐标系，如图3所示。从世界坐标系W到载体坐标系O的变换矩阵可以表示为RW→O。如说明书附图4所示，从世界坐标系W到载体坐标系O的变换可以分解为三次旋转，定义三次旋转的角度为ψ、θ和γ，分别为航向角(yaw)、俯仰角(pitch)和横滚角(roll)。也即，各个IMU能够实时返回自身坐标系(载体坐标系O)和世界坐标系W的关系，而该关系用欧拉角表示；其中，世界坐标系W到载体坐标系O的转换公式可以参考现有技术，本文不再赘述。
然后将IMU测得的姿态角分解后，在线开机时等待机械臂稳定后(机械臂稳定是指对IMU和电机通电后，机械臂不再做任何运动)，根据IMU测量到的校准数据以及相应的校准模型得到机械臂的初始角度。
最后，根据上述步骤计算得到机械臂的初始角度，将期望机械臂运动角度与机械臂初始测量角度的差值作为重置计算舵机的执行角度，实现无绝对编码器情况下对机械臂初始零位校准。
根据获取所述IMU的位置信息序列，生成所述IMU的运动轨迹数据和空间姿态数据，获取三维坐标系参数及对应的时间信息，得到机械臂的轨迹姿态信息。在三维坐标系中分解姿态角计算得到机械臂的旋转角度，根据IMU测量到的校准数据以及相应的校准模型得到机械臂的初始角度，将期望机械臂运动角度与机械臂初始测量角度的差值作为重置计算电机的执行角度，实现无绝对编码器情况下对机械臂初始零位校准。
本实用新型的核心在于，将多个IMU分别设于各个关节处，获取每个关节的姿态角，并通过现有技术中的计算方法得到各个关节的当前位置，也即获取在线开机后机械臂所处的状态，并可以依据当前状态与期望状态的差值作为电机(可以为舵机或其他部件)的执行角度，实现机械臂的零位校准，这一过程可以简化为，将处于随机姿态的机械臂校准至初始姿态，而初始姿态可以根据实际需要而定，本文并不作出具体限制。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本实用新型所提供的机械臂进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种机械臂，包括机器人本体，其特征在于，还包括：
设于所述机器人本体、且能够前后伸缩的前后伸缩关节(J0)；
设于所述前后伸缩关节(J0)、用以获取所述前后伸缩关节(J0)相对于世界坐标系的位置关系的第一IMU。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，还包括连接于所述前后伸缩关节(J0)、用以驱动所述前后伸缩关节(J0)沿前后方向伸缩的驱动缸。
3.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，还包括：
设于所述前后伸缩关节(J0)的末端、且能够朝向内外侧方向旋转的内外旋转关节(J1)；
设于所述内外旋转关节(J1)、用以获取所述前后伸缩关节(J0)和/或所述内外旋转关节(J1)相对于世界坐标系的位置关系的第二IMU。
4.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，还包括：
设于所述内外旋转关节(J1)的末端、且能够朝向左右方向旋转的左右旋转关节(J4)；
设于所述左右旋转关节(J4)、用以获取所述左右旋转关节(J4)相对于世界坐标系的位置关系的第三IMU。
5.根据权利要求3所述的机械臂，其特征在于，还包括连接于所述内外旋转关节(J1)、用以驱动所述内外旋转关节(J1)旋转的内外旋转电机。
6.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，还包括连接于所述左右旋转关节(J4)、用以驱动所述左右旋转关节(J4)旋转的左右旋转电机。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的机械臂，其特征在于，所述机器人本体呈竖直方向设置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201922159819.3U CN211053693U (zh) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | 一种机械臂 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201922159819.3U CN211053693U (zh) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | 一种机械臂 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN211053693U true CN211053693U (zh) | 2020-07-21 |
Family
ID=71592144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201922159819.3U Active CN211053693U (zh) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | 一种机械臂 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN211053693U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110779554A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-02-11 | 上海钛米机器人科技有限公司 | 一种机械臂、基于imu的初始位姿的校准系统与方法 |
-
2019
- 2019-12-05 CN CN201922159819.3U patent/CN211053693U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110779554A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-02-11 | 上海钛米机器人科技有限公司 | 一种机械臂、基于imu的初始位姿的校准系统与方法 |
| CN110779554B (zh) * | 2019-12-05 | 2024-06-04 | 上海钛米机器人科技有限公司 | 一种机械臂、基于imu的初始位姿的校准系统与方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107053156B (zh) | 一种七自由度仿生体感机械臂 | |
| CN109859275B (zh) | 一种基于s-r-s结构的康复机械臂的单目视觉手眼标定方法 | |
| CN109079799B (zh) | 一种基于仿生的机器人感知控制系统及控制方法 | |
| JP2021041532A (ja) | 自然なピッチとロール | |
| CN109141410B (zh) | Agv组合导航的多传感器融合定位方法 | |
| CN109895099B (zh) | 一种基于自然特征的飞行机械臂视觉伺服抓取方法 | |
| US11346495B2 (en) | Control method for non-orthogonal gimbal, gimbal thereof, and storage device | |
| CN109605372B (zh) | 一种用于测量工程机械臂的位姿的方法和系统 | |
| Yongguo et al. | Trajectory planning algorithm based on quaternion for 6-DOF aircraft wing automatic position and pose adjustment method | |
| CN104772756A (zh) | 基于惯性测量单元的机械臂及其控制方法 | |
| CN201313307Y (zh) | 环境探测球形机器人 | |
| CN114216456B (zh) | 一种基于imu与机器人本体参数融合的姿态测量方法 | |
| CN211053693U (zh) | 一种机械臂 | |
| CN107253497A (zh) | 一种腿臂融合四足机器人 | |
| CN111590899B (zh) | 用于机械臂3d打印的视觉辅助定位装置及其定位方法 | |
| CN105643619A (zh) | 一种采用框架描述的工业机器人工具位姿控制方法 | |
| CN110779554B (zh) | 一种机械臂、基于imu的初始位姿的校准系统与方法 | |
| CN107856762B (zh) | 一种摩托车型机器人 | |
| CN111152260A (zh) | 一种串联旋转关节机械臂的关节转角辅助测量系统及方法 | |
| CN112643678A (zh) | 机械臂及其控制装置、机械臂的控制系统和控制方法 | |
| CN113218249B (zh) | 跟随式遥操作战车及控制方法 | |
| Konyev et al. | Walking Robot “ANTON”: Design, Simulation, Experiments | |
| Sun et al. | Design of a snake robot based on modular joint | |
| Zhang et al. | Research on UAV attitude data fusion algorithm based on quaternion gradient descent | |
| CN100593690C (zh) | 数字式惯性测量单元 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Room 513-517, No. 351 Guoshoujing Road, Shanghai Pudong New Area Free Trade Pilot Area, 201210 Patentee after: Shanghai TIMI robot Co.,Ltd. Address before: Room 513-517, No. 351 Guoshoujing Road, Shanghai Pudong New Area Free Trade Pilot Area, 201210 Patentee before: SHANGHAI TMI ROBOT TECHNOLOGY Co.,Ltd. |