[發(fā)明專利]一種基于協(xié)作關(guān)節(jié)電機的機器人及其控制方法

有效

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• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111388093B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊學博;王立偉;符永清;林偉陽
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: A61B34/35
• 分類號: A61B34/35;A61B34/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 楊媛媛

本發(fā)明涉及一種基于協(xié)作關(guān)節(jié)電機的機器人及其控制方法。所述基于協(xié)作關(guān)節(jié)電機的機器人采用三個直流力矩電機作為動力系統(tǒng)，三個電機安裝在固定底盤上；絕對值編碼器為空心軸式，安裝在電機末端；電機通過脹緊套與三條主動臂相連，通過旋轉(zhuǎn)副驅(qū)動三組從動臂運動；三條運動支鏈在底盤與移動平臺兩平面上呈120度均布構(gòu)成空間閉環(huán)，形成并聯(lián)形式。這樣機構(gòu)的操作手部分具有空間X?Y?Z三個平移自由度，可以控制從端機器人在空間中的定位。采用本發(fā)明所提供的基于協(xié)作關(guān)節(jié)電機的機器人及其控制方法能夠降低機器人結(jié)構(gòu)摩擦因素以及系統(tǒng)空回誤差，提高機器人整體精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機器人及其控制領(lǐng)域，特別是涉及一種基于協(xié)作關(guān)節(jié)電機的機器人及其控制方法。

背景技術(shù)

并聯(lián)機器人具有精度高，反應速度快，占用空間小的特點，常用于工業(yè)上食品包裝行業(yè)、3D打印行業(yè)及醫(yī)療機器人行業(yè)。

現(xiàn)有的用于遠程醫(yī)療的并聯(lián)機器人的機構(gòu)和控制方案多采用普通直流電機或伺服電機加行星減速器作為動力系統(tǒng)，增量式編碼器作為速度反饋裝置。這樣的設(shè)計主要有這樣幾個問題：其一，機構(gòu)的精度對行星減速器的精度依賴較大，減速器會給整體結(jié)構(gòu)引入摩擦因素，對整體模型構(gòu)建帶來了極大的不確定性，無法精確建模且會給系統(tǒng)帶來極大的能量損失；其二，減速器會給整體結(jié)構(gòu)帶來空回誤差，導致操作主手無法正確跟隨從端傳給主端的接觸力信號，這就導致了遠程醫(yī)療過程中，醫(yī)生無法感知從端機器人對患者施加力的大小，會給遠程醫(yī)療帶來極大的隱患；其三，增量式編碼器應用于這種對位置反饋信號的精度要求極高的環(huán)境下表現(xiàn)不佳，無法達到系統(tǒng)的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于協(xié)作關(guān)節(jié)電機的機器人及其控制方法，以解決現(xiàn)有的用于遠程醫(yī)療的并聯(lián)機器人的機構(gòu)和控制方案結(jié)構(gòu)摩擦因素大，系統(tǒng)空回誤差高，導致機器人整體精度低的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于協(xié)作關(guān)節(jié)電機的機器人，包括：三條主動臂、脹緊套、三個電機座、固定平臺、移動平臺、操作手柄、三個直流力矩電機、三條從動臂、絕對值式編碼器、支撐桿以及底座；

所述固定平臺通過所述支撐桿垂直設(shè)于所述底座上；三個所述電機座均設(shè)于所述固定平臺上，三個所述直流力矩電機分別設(shè)于三個所述電機座上；所述絕對值式編碼器設(shè)于所述直流力矩電機的末端；所述主動臂以及所述從動臂相連接，形成運動支鏈；所述直流力矩電機通過所述脹緊套連接所述運動支鏈的一端，所述運動運動支鏈的另一端與所述移動平臺相連接；所述移動平臺上設(shè)有操作手柄；

利用三個所述直流力矩電機作為動力系統(tǒng)，三條所述運動支鏈在所述固定平臺與移動平臺兩平面之間呈120度均布構(gòu)成空間閉環(huán)，形成并聯(lián)機構(gòu)。

可選的，所述直流力矩電機為永磁式直流力矩電機。

可選的，所述絕對值式編碼器為空心軸式，所述絕對值式編碼器通過頂絲固定于所述直流力矩電機的末端，所述絕對值式編碼器在單圈工作模式下旋轉(zhuǎn)一圈可產(chǎn)生2¹⁷個脈沖。

可選的，所述主動臂為鏤空結(jié)構(gòu)，所述主動臂上設(shè)有限位銷，所述電機座上設(shè)有所述限位銷相匹配的限位槽。

可選的，所述從動臂的材料為碳纖維材料。

可選的，所述電機座為L型結(jié)構(gòu)。

一種基于協(xié)作關(guān)節(jié)電機的機器人的控制方法，包括：

獲取三個直流力矩電機的電機轉(zhuǎn)角以及當前電流；

通過靜力學運算，根據(jù)所述電機轉(zhuǎn)角確定并聯(lián)機構(gòu)處于當前位置靜力平衡時，三個所述直流力矩電機所需提供的轉(zhuǎn)矩；

獲取所述直流力矩電機的轉(zhuǎn)矩靈敏度；

根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩以及所述轉(zhuǎn)矩靈敏度確定目標電流值；