CN213765864U - 一种机械臂用姿态变换校准系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机械臂用姿态变换校准系统，属于医用机器人技术领域，其技术方案要点是包括转动轴，所述转动轴处设置有用于限制转动轴转动的电磁离合器，转动轴与电磁离合器之间还设置有校准装置，校准装置包括：输入电路，用于输入转动轴计划转到的角度值，并输出目标角度信号；检测电路，用于检测转动轴实际转过的角度，并输出角度检测信号；比较电路，连接于输入电路的输出端以及检测电路的输出端，用于比较目标角度信号与角度检测信号是否相等；控制电路，连接于比较电路的输出端，响应于触发信号并输出控制信号，以控制电磁离合器锁死阻止电磁离合器继续转动，达到提高机械臂姿态变换精度的效果。

Description

一种机械臂用姿态变换校准系统

技术领域

本实用新型涉及一种设备领域，特别涉及一种机械臂用姿态变换校准系统。

背景技术

目前医疗外科领域已受到世界发达国家的高度重视。机器人技术在医疗外科领域的应用不仅对手术精确定位、手术最 小创伤、手术质量等方面带来一系列的技术变革。因此，国内外应用于医疗 领域的机器人类型和数量均增加较快，新一代机器人化的高技术医疗设备研 究与开发，对临床或家庭护理及康复方面都有十分重要的意义。

现有公告号为CN2796972Y的中国专利公开了一种五自由度空间定位机器人机构，是应用于医疗外科手术的辅助定位机构，由升降臂、移动臂、小臂、腕部和针架五大部分构成，升降臂通过平移机座与移动臂连接，移动臂与小臂之间，小臂与腕部之间，腕部与针架之间用转动轴连接，各部分在电机驱动下，能够产生相对运动，所述的机器人机构驱动和控制系统由步进电机、驱动器、PLC、计算机组成。本机器人机构能够医生规划的路径自主实现高精度绝对定位，具有较大的工作空间和一定的负载能力；能够减轻医生的工作强度，减少操作误差；对患者造成的创伤小、减少患者痛苦。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：在手动控制升降臂、移动臂、小臂、腕部或针架进行手术操作时，医护工作人员手动调节机器人机构进行姿态变换的精度较低，影响机器人姿态变换时的精度。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种机械臂用姿态变换校准系统，达到效果。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的。

一种机械臂用姿态变换校准系统，包括转动轴，所述转动轴处设置有用于限制转动轴转动的电磁离合器，转动轴与电磁离合器之间还设置有校准装置，校准装置包括：

输入电路，用于输入转动轴计划转到的角度值，并输出与计划转到的角度值对应的目标角度信号；

检测电路，用于检测转动轴实际转过的角度，并输出角度检测信号；

比较电路，连接于输入电路的输出端以及检测电路的输出端，用于比较目标角度信号与角度检测信号是否相等，若目标角度信号与角度检测信号相等，则输出触发信号；

控制电路，连接于比较电路的输出端，响应于触发信号并输出控制信号，以控制电磁离合器锁死阻止电磁离合器继续转动。

通过采用上述技术方案，使用该机械臂姿态变换校准系统对机械臂的姿态变换进行辅助校准时，先通过输入电路输入目标角度，输入电路将输入的目标角度的值转换为目标角度信号，随后转动机械臂，检测电路输出的检测信号随之变换，比较电路对检测信号以及目标角度信号进行比较，当检测信号等于目标角度信号时，表示转动轴已转动至目标角度，比较电路输出触发信号，控制电路相应于触发信号并控制转动轴处的电磁离合器锁死，从而阻碍转动轴的转动，进而实现对转动轴转动角度的精确控制。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述检测电路包括编码器，编码器的转动轴与转动轴固定连接，编码器的供电端连接有直流电源VCC，编码器的接地端接地，编码器的输出端连接于比较电路。

通过采用上述技术方案，通过编码器实现对转动轴的转动角度进行测量，编码器输出的检测信号与转动轴的角度一一对应，从而实现对转动轴角度的精确测量。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述编码器为绝对值式编码器。

通过采用上述技术方案，绝对值式的编码器通过十四位格雷码与转动轴转动行程的各个角度相对应，每一个角度对应一个十四位格雷码，从而实现对角度的精确测量，且由格雷码进行角度编码可避免因多位数据同时变化造成的检测结果错误。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述编码器具有若干个并行输出端口，每个并行输出端口均与比较电路相连接。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述输入电路包括拨码开关，拨码开关内集成有若干个开关，每个开关的一端接地，开关的另一端连接有上拉电阻器，上拉电阻器的另一端连接与直流电源VCC，拨码开关中每个开关连接于上拉电阻器的一端均连接于比较电路，拨码开关中的多个开关与编码器多路并行输出端口一一对应。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述比较电路包括多输入与非门、非门以及若干个双输入与门，每个双输入与门与拨码开关中集成的每个开关以及编码器的每一个并行输出端口向对应，每个双输入与门的一个输入端连接于编码器的一个并行输出端口，另一个输入端连接于拨码开关中的一个开关相连接；若干个双输入与门的输出端均连接于多输入与门的输入端，多输入与门的输入端连接于控制电路。

通过采用上述技术方案，通过拨码开关控制上拉电阻连接于拨码开关一端是否直接接地，当拨码开关将上拉电阻与地直接相连时，拨码开关的相应端口输出低电平，当拨码开关未将上拉电阻与地直接相连时，拨码开关的相应端口向比较电路输出高电平，通过调节拨码开关中若干个开关的通断状态，从而向比较电路输出十四位并行目标角度信号，目标角度信号的编码方式与编码器的编码方式相同，编码器输出的并行十四位检测信号与目标角度信号相同时，则表示转动轴转动至目标角度，从而使比较电路输出触发信号，最终使控制电路控制电磁离合器锁死，使转动轴不能继续转动。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述控制电路包括可控开关元件，可控开关元件的控制端连接于比较电路的输入端，可控开关元件的一个被控端接地，可控开关元件的另一端连接有继电器KM，继电器KM线圈的一端连接于可控开关元件，另一端连接于直流电源VCC，继电器KM的触点与电磁离合器串联于电磁离合器的供电回路中。

通过采用上述技术方案，可控开关元件接收到触发信号后导通，从而使继电器KM的线圈通电，电磁离合器通电并锁死转动轴，从而阻止转动轴继续旋转，进而提高机械臂的控制精度。

本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述继电器KM线圈的两端反并联有续流二极管VD。

通过采用上述技术方案，续流二极管VD的设置，可提高继电器KM线圈中电流的稳定性，避免继电器线圈中电流发生突变导致的继电器受损。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1、通过输入电路输入目标角度，输入电路将输入的目标角度的值转换为目标角度信号，随后转动机械臂，检测电路输出的检测信号随之变换，比较电路对检测信号以及目标角度信号进行比较，当检测信号等于目标角度信号时，表示转动轴已转动至目标角度，比较电路输出触发信号，控制电路相应于触发信号并控制转动轴处的电磁离合器锁死，从而阻碍转动轴的转动，进而实现对转动轴转动角度的精确控制；

2、绝对值式的编码器通过十四位格雷码与转动轴转动行程的各个角度相对应，每一个角度对应一个十四位格雷码，从而实现对角度的精确测量，且由格雷码进行角度编码可避免因多位数据同时变化造成的检测结果错误；

3、续流二极管VD的设置，可提高继电器KM线圈中电流的稳定性，避免继电器线圈中电流发生突变导致的继电器受损。

附图说明

图1是本实用新型结构拓扑图；

图2是检测电路的电路原理图；

图3是输入电路的电路原理图；

图4是比较电路的电路原理图；

图5是控制电路的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

一种机械臂用姿态变换校准系统，如图1所示，包括用于限制机械臂转动轴转动的电磁离合器，机械臂的转动轴上还连接有校准装置，校准装置包括输入电路、检测电路、比较电路以及控制电路。

使用该机械臂姿态变换校准系统对机械臂的姿态变换进行辅助校准时，先通过输入电路输入目标角度，输入电路将输入的目标角度的值转换为目标角度信号，随后转动机械臂，检测电路输出的检测信号随之变换，比较电路对检测信号以及目标角度信号进行比较，当检测信号等于目标角度信号时，表示转动轴已转动至目标角度，比较电路输出触发信号，控制电路相应于触发信号并控制转动轴处的电磁离合器锁死，从而阻碍转动轴的转动，进而实现对转动轴转动角度的精确控制。

参照图2，检测电路包括编码器，本申请实施例中编码器选用具有十四位并行输出端口的绝对值式编码器，编码器的供电端连接有直流电源VCC，编码器的接地端接地，编码器的转动轴与机械臂的转动轴固定连接，编码器的十四位并行输出端口均连接于比较电路。

绝对值式的编码器通过十四位格雷码与转动轴转动行程的各个角度相对应，每一个角度对应一个十四位格雷码，从而实现对角度的精确测量。

参照图3，输入电路包括拨码开关，本申请实施例中拨码开关选用两个七位拨码开关，两个七位拨码开关集成有的共十四个开关分别与编码器的十四个并行输出端口相对应；两个七位拨码开关分别为第一拨码开关SW1和第二拨码开关SW2，第一拨码开关SW1集成有的七个开关与编码器的高七位并行输出端口一一对应，第二拨码开关SW2集成有的七个开关与编码器的低七位并行输出端口一一对应。

通过拨码开关控制上拉电阻连接于拨码开关一端是否直接接地，当拨码开关将上拉电阻与地直接相连时，拨码开关的相应端口输出低电平，当拨码开关未将上拉电阻与地直接相连时，拨码开关的相应端口向比较电路输出高电平，通过调节拨码开关中若干个开关的通断状态，从而向比较电路输出十四位并行目标角度信号，目标角度信号的编码方式与编码器的编码方式相同，编码器输出的并行十四位检测信号与目标角度信号相同时，则表示转动轴转动至目标角度，从而使比较电路输出触发信号，最终使控制电路控制电磁离合器锁死，使转动轴不能继续转动。

参照图4，比较电路包括四个74LS08芯片、两个74LS30芯片以及一个SN74LVC2G04芯片，74LS08芯片为集成有四个双输入与门的芯片，74LS30芯片为八输入与非门芯片，SN74LVC2G04芯片为集成有两个非门的芯片。

第一个74LS08芯片的第一引脚连接于编码器的第一位并行输出端口，第二引脚连接于第一拨码开关SW1的中第一个开关未接地的一端，第三引脚连接于第一个74LS30芯片的第一引脚，第四引脚连接于编码器的第二位并行输出端口，第五引脚连接于第一拨码开关SW1的第二个开关未接地的一端，第六引脚连接于第一个74LS30芯片的第二引脚，第七引脚接地，第八引脚连接于第一个74LS30芯片的第三引脚，第九引脚连接于第一拨码开关SW1的中第三个开关未接地的一端，第十引脚连接于编码器的第三位并行输出端口，第十一引脚连接于第一个74LS30芯片的第四引脚，第十二引脚连接于第一拨码开关SW1的中第四个开关未接地的一端，第十三引脚连接于编码器的第四位并行输出端口，第十四引脚连接于直流电源VCC。

第二个74LS08芯片的第一引脚连接于编码器的第五位并行输出端口，第二引脚连接于第一拨码开关SW1的中第五个开关未接地的一端，第三引脚连接于第一个74LS30芯片的第五引脚，第四引脚连接于编码器的第六位并行输出端口，第五引脚连接于第一拨码开关SW1的第六个开关未接地的一端，第六引脚连接于第一个74LS30芯片的第六引脚，第七引脚接地，第八引脚连接于第一个74LS30芯片的第十一引脚，第九引脚连接于第一拨码开关SW1的中第七个开关未接地的一端，第十引脚连接于编码器的第七位并行输出端口，第十四引脚连接于直流电源VCC。

第三个74LS08芯片的第一引脚连接于编码器的第八位并行输出端口，第二引脚连接于第二拨码开关SW2的中第一个开关未接地的一端，第三引脚连接于第二个74LS30芯片的第一引脚，第四引脚连接于编码器的第九位并行输出端口，第五引脚连接于第二拨码开关SW2的第二个开关未接地的一端，第六引脚连接于第二个74LS30芯片的第二引脚，第七引脚接地，第八引脚连接于第二个74LS30芯片的第三引脚，第九引脚连接于第二拨码开关SW2的中第三个开关未接地的一端，第十引脚连接于编码器的第十位并行输出端口，第十一引脚连接于第二个74LS30芯片的第四引脚，第十二引脚连接于第二拨码开关SW2的中第四个开关未接地的一端，第十三引脚连接于编码器的第十一位并行输出端口，第十四引脚连接于直流电源VCC。

第四个74LS08芯片的第一引脚连接于编码器的第十二位并行输出端口，第二引脚连接于第二拨码开关SW2的中第五个开关未接地的一端，第三引脚连接于第二个74LS30芯片的第五引脚，第四引脚连接于编码器的第十三位并行输出端口，第五引脚连接于第二拨码开关SW2的第六个开关未接地的一端，第六引脚连接于第二个74LS30芯片的第六引脚，第七引脚接地，第八引脚连接于第二个74LS30芯片的第十一引脚，第九引脚连接于第二拨码开关SW2的中第七个开关未接地的一端，第十引脚连接于编码器的第十四位并行输出端口，第十四引脚连接于直流电源VCC。

第一个74LS30芯片的第七引脚接地，第十四引脚连接于第十二引脚，且第十四引脚连接与直流电源VCC，第八引脚连接于SN74LVC2G04芯片的第一引脚，第八引脚还连接有第一指示发光二极管LED1，第一指示发光二极管LED1的阴极接地，阳极连接于第一个74LS30芯片的第八引脚；第二个74LS30芯片的第七引脚接地，第十四引脚连接于第十二引脚，且第十四引脚连接与直流电源VCC，第八引脚连接于SN74LVC2G04芯片的第三引脚，第八引脚还连接有第二指示发光二极管LED2，第二指示发光二极管LED2的阴极接地，阳极连接于第二个74LS30芯片的第八引脚；SN74LVC2G04芯片的第二引脚接地，第四引脚连接于第四个74LS30芯片的第十三引脚，第五引脚连接于直流电源VCC，第六引脚连接于第四个74LS30芯片的第十二引脚，第十一引脚连接于控制电路的输入端。

十四个双输入与门可同时对十四位并行检测信号与十四位目标角度信号进行同时比较，当检测信号的高七位与目标角度信号的高七位相同时，第一个74LS30芯片输出低电平，SN74LVC2G04芯片的第六引脚输出高电平，第一指示发光二极管LED1亮起，从而提醒工作人员检测信号的高七位已与目标角度信号的高七位一致，应当减慢调节速度，减小调节幅度，当检测信号的低七位与目标角度信号的低七位相同时，第二个74LS30芯片输出低电平，SN74LVC2G04芯片的第四引脚输出高电平，第二指示发光二极管LED2亮起，第四个74LS08芯片的第十二、第十三引脚输入高电平，从而使第十一引脚向控制电路输出高电平的触发信号。

控制电路包括可控开关元件，本实施例中，可控开关元件包括三极管Q1，三极管Q1为NPN型三极管，三极管Q1的基极连接于第四个74LS30芯片的第十一引脚，三极管Q1的发射极端接地，三极管Q1的集电极连接有继电器KM，继电器KM线圈的一端连接于三极管Q1，另一端连接于直流电源VCC，继电器KM的触点与电磁离合器串联于电磁离合器的供电回路中。

控制电路接收到高电平的触发信号后，三极管Q1的基极输入高电平导通，从而是继电器KM的线圈通电并吸合触点，电磁离合器通电并锁死转动轴，从而阻止转动轴继续旋转，进而提高机械臂的控制精度。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机械臂用姿态变换校准系统，包括转动轴，其特征在于：所述转动轴处设置有用于限制转动轴转动的电磁离合器，转动轴与电磁离合器之间还设置有校准装置，校准装置包括：

输入电路，用于输入转动轴计划转到的角度值，并输出与计划转到的角度值对应的目标角度信号；

检测电路，用于检测转动轴实际转过的角度，并输出角度检测信号；

比较电路，连接于输入电路的输出端以及检测电路的输出端，用于比较目标角度信号与角度检测信号是否相等，若目标角度信号与角度检测信号相等，则输出触发信号；

控制电路，连接于比较电路的输出端，响应于触发信号并输出控制信号，以控制电磁离合器锁死阻止电磁离合器继续转动。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂用姿态变换校准系统，其特征在于：所述检测电路包括编码器，编码器的转动轴与转动轴固定连接，编码器的供电端连接有直流电源VCC，编码器的接地端接地，编码器的输出端连接于比较电路。

3.根据权利要求2所述的一种机械臂用姿态变换校准系统，其特征在于：所述编码器为绝对值式编码器。

4.根据权利要求3所述的一种机械臂用姿态变换校准系统，其特征在于：所述编码器具有若干个并行输出端口，每个并行输出端口均与比较电路相连接。

5.根据权利要求4所述的一种机械臂用姿态变换校准系统，其特征在于：所述输入电路包括拨码开关，拨码开关内集成有若干个开关，每个开关的一端接地，开关的另一端连接有上拉电阻器，上拉电阻器的另一端连接与直流电源VCC，拨码开关中每个开关连接于上拉电阻器的一端均连接于比较电路，拨码开关中的多个开关与编码器多路并行输出端口一一对应。

6.根据权利要求5所述的一种机械臂用姿态变换校准系统，其特征在于：所述比较电路包括多输入与非门、非门以及若干个双输入与门，每个双输入与门与拨码开关中集成的每个开关以及编码器的每一个并行输出端口向对应，每个双输入与门的一个输入端连接于编码器的一个并行输出端口，另一个输入端连接于拨码开关中的一个开关相连接；若干个双输入与门的输出端均连接于多输入与门的输入端，多输入与门的输入端连接于控制电路。

7.根据权利要求1所述的一种机械臂用姿态变换校准系统，其特征在于：所述控制电路包括可控开关元件，可控开关元件的控制端连接于比较电路的输入端，可控开关元件的一个被控端接地，可控开关元件的另一端连接有继电器KM，继电器KM线圈的一端连接于可控开关元件，另一端连接于直流电源VCC，继电器KM的触点与电磁离合器串联于电磁离合器的供电回路中。

8.根据权利要求7所述的一种机械臂用姿态变换校准系统，其特征在于：所述继电器KM线圈的两端反并联有续流二极管VD。

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