[發(fā)明專利]基于電流力矩混合傳感的機(jī)械臂關(guān)節(jié)柔性控制裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710719964.5
• 申請(qǐng)日: 2017-08-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107511821B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜寶森;劉書(shū)選;劉嘉宇;楊濤;張科;鄧濤;鄒河彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所;中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): B25J9/12
• 分類(lèi)號(hào): B25J9/12;B25J9/16;B25J13/00
• 代理公司: 11009 中國(guó)航天科技專利中心
• 代理人: 張曉飛<國(guó)際申請(qǐng)>=<國(guó)際公布>=<進(jìn)入

本發(fā)明基于電流力矩混合傳感的機(jī)械臂關(guān)節(jié)柔性控制裝置及方法，包括關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器、關(guān)節(jié)電流傳感器模塊、關(guān)節(jié)力矩傳感器模塊；關(guān)節(jié)電流傳感器模塊采集關(guān)節(jié)電機(jī)三相電流，當(dāng)三相電流發(fā)生變化時(shí)，關(guān)節(jié)力矩傳感器模塊開(kāi)始采集力矩?cái)?shù)據(jù)，并送至關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器；關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)力矩?cái)?shù)據(jù)判斷關(guān)節(jié)是否受到外力作用；當(dāng)判斷受到外力作用時(shí)，關(guān)節(jié)電流傳感器模塊采集關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的功率電流，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)采集到的關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的功率電流計(jì)算獲得計(jì)算機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，并控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)械臂柔順力控制領(lǐng)域，涉及到一種機(jī)械臂關(guān)節(jié)作用力傳感和控制裝置。

背景技術(shù)

柔順性控制分為被動(dòng)柔順和主動(dòng)柔順。被動(dòng)柔順主要是設(shè)計(jì)特殊的機(jī)構(gòu)使機(jī)器人能夠進(jìn)行依從運(yùn)動(dòng)，不具有通用性。主動(dòng)柔順是機(jī)器人通過(guò)反饋信息處理控制機(jī)器人末端主動(dòng)跟蹤位置和力，具有一定的智能性。機(jī)器人主動(dòng)柔順控制是機(jī)器人控制技術(shù)中的難點(diǎn)，目前在實(shí)際應(yīng)用中僅有少數(shù)的機(jī)器人在與環(huán)境接觸中具有非常有限的主動(dòng)柔順能力。關(guān)節(jié)力矩傳感器是機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)的重要傳感元件。關(guān)節(jié)力矩傳感器不僅為實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂柔順控制提供力感信息，而且可以用于關(guān)節(jié)的基于力矩反饋的位置控制。基于力矩反饋的位置控制系統(tǒng)對(duì)于提高低剛度的關(guān)節(jié)機(jī)器人的位置響應(yīng)帶寬和改善控制品質(zhì)具有非常重要的作用。各國(guó)都對(duì)機(jī)器人力/力矩傳感器進(jìn)行了大量的研究，設(shè)計(jì)出了很多種結(jié)構(gòu)形式的力矩傳感器。

現(xiàn)有的關(guān)節(jié)力矩傳感器主要通過(guò)多組應(yīng)變片的成對(duì)組合構(gòu)建半橋電路和惠更斯全橋電路，以達(dá)到提高測(cè)量精度并減小零漂和溫漂的目的，但未涉及力矩傳感器數(shù)據(jù)的有效性判定。而采用電流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩控制，受到驅(qū)動(dòng)電流噪聲和跳變的影響，容易產(chǎn)生誤判。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于電流力矩混合傳感的機(jī)械臂關(guān)節(jié)柔性控制裝置，解決了機(jī)械臂在人機(jī)交互操作過(guò)程中受到外加作用力下機(jī)械臂關(guān)節(jié)主動(dòng)力控的問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于電流力矩混合傳感的機(jī)械臂關(guān)節(jié)柔性控制裝置，包括關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器、關(guān)節(jié)電流傳感器模塊、關(guān)節(jié)力矩傳感器模塊；關(guān)節(jié)電流傳感器模塊采集關(guān)節(jié)電機(jī)三相電流，當(dāng)三相電流發(fā)生變化時(shí)，關(guān)節(jié)力矩傳感器模塊開(kāi)始采集力矩?cái)?shù)據(jù)，并送至關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器；關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)力矩?cái)?shù)據(jù)判斷關(guān)節(jié)是否受到外力作用；當(dāng)判斷受到外力作用時(shí)，關(guān)節(jié)電流傳感器模塊采集關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的功率電流，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)采集到的關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的功率電流計(jì)算獲得計(jì)算機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，并控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

所述關(guān)節(jié)力矩傳感器模塊包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)、N個(gè)彈性梁和N組力矩傳感器；彈性梁連接內(nèi)環(huán)和外環(huán)，力矩傳感器放置于彈性梁上，每個(gè)彈性梁對(duì)應(yīng)一組力矩傳感器；內(nèi)環(huán)與本機(jī)械臂關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)電機(jī)輸出軸固定，外環(huán)連接下一個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)；力矩傳感器的導(dǎo)線通過(guò)位于內(nèi)圓中心的中孔穿過(guò)結(jié)構(gòu)件和關(guān)節(jié)輸出軸接入關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器；N為大于3的正整數(shù)。

所述力矩傳感器由一對(duì)應(yīng)變電阻對(duì)稱分布在對(duì)應(yīng)的彈性梁的兩側(cè)。

所述關(guān)節(jié)力矩傳感器為三組，三組力矩傳感器所在的彈性梁夾角成120°圓周分布。

所述內(nèi)環(huán)、外環(huán)和N個(gè)彈性梁一體成型，材料選用鋁合金。

一種基于電流力矩混合傳感的機(jī)械臂關(guān)節(jié)柔性控制方法，步驟如下：

1)關(guān)節(jié)電流傳感器模塊采集關(guān)節(jié)電機(jī)三相電流，當(dāng)三相電流發(fā)生變化時(shí)，關(guān)節(jié)力矩傳感器模塊開(kāi)始采集力矩?cái)?shù)據(jù)，并送至關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器；

2)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)力矩?cái)?shù)據(jù)判斷關(guān)節(jié)是否受到外力作用；

3)當(dāng)判斷受到外力作用時(shí)，關(guān)節(jié)電流傳感器模塊采集關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的功率電流，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)采集到的關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的功率電流計(jì)算獲得計(jì)算機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，并控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

所述判斷三相電流發(fā)生變化的判據(jù)是：變化量大于10％或者大于10mA。