一种用于机器人关节的串联弹性驱动器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种用于机器人关节的串联弹性驱动器及其控制方法，包括电机控制器连接旋转编码器，电机控制器连接直流电机；电机控制器连接实时计算机控制系统；数据采集系统的输出端连接实时计算机控制系统，输入端连接模拟多路选择器；旋转编码器、直流电机和减速箱依次连接；换向器的输入端连接减速箱，输出端的输出轴线上设置由依次固定连接的弹性元件、弹簧连杆转接件和机器人关节连杆组成的传动机构；第一绝对角度传感器同轴设置于弹性元件上；第二绝对角度传感器设置于所述机器人关节连杆。本发明专利技术可应用于需要与人或环境产生直接物理接触的机器人的关节驱动，可以保证人与环境以及机器人自身的安全性和人机接触时的舒适性。

Series elastic actuator for robot joint and control method thereof

The invention relates to a method for robot joint series elastic actuator and its control method, including motor controller is connected with the rotary encoder, the motor controller is connected with the DC motor; motor controller is connected with a real-time computer control system; the output data acquisition system is connected with real-time computer control system is connected with the input end of analog multiplexer; rotary encoder, DC motor and gear box are connected in sequence; the commutator is connected with the input end of the gear box, the transmission mechanism is arranged on the output end of the output axis followed by elastic elements, connected to the spring connecting rod connector and robot joint connecting rod; the first coaxial absolute angle sensor is arranged on the elastic element; second absolute angle sensor is arranged on the connecting rod joint robot. The invention can be applied to the joint drive of a robot which needs direct physical contact with human or environment, and can guarantee the safety of the human and the environment, the robot itself and the comfort of the man-machine contact.

【技术实现步骤摘要】
一种用于机器人关节的串联弹性驱动器及其控制方法
本专利技术涉及新型服务与医疗康复训练机器人领域，具体地说是一种用于机器人关节的串联弹性驱动器与控制方法。
技术介绍
人机接触、交互、合作正在成为新一代机器人发展的主流方向。传统机器人被设计为禁止在工作时与人接触，以保证人身安全。对于新型服务机器人来说，与人和环境的接触正在发展成为不可避免的趋势，而对于新型服务医疗康复训练机器人，这种接触更将必然发生。由于传统机器人的工作场合往往具有结构化或无人化的特点，并且在这些场合中应用的机器人常常被隔离在安全围栏中用于做固定模式的重复劳动，同时通过在其周围设置各种类型的传感器以判断人员的接近并发出安全警报。这些采用静态安全设备的机器人只能完成程序化的工作，并且不具备与人交互的能力，因此无法直接利用来辅助人完成各种复杂多变的日常行为和康复训练任务。新一代机器人将应用到越来越广泛的服务与医疗领域，并且人与机器人也将越来越紧密的合作，寻求新型人机交互的安全保障手段将成为急需突破的实际难题。常见的人机安全保护手段有安装力/力矩传感器、设置接近传感器和限制机器人运动速度等。但是安装昂贵的力/力矩传感器会大幅增加机器人成本，且力/力矩传感器为刚性元件，只能起到力/力矩检测功能，难以实现自动的安全反应。而接近传感器只能检测到一定区域的人机相对位置，安全范围过于保守。而通过降低运动速度来获得安全性的方式大大限制了机器人潜力的发挥，无法体现出机器人的灵活性和工作高效性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种具有机械柔性，能够保证人机接触安全舒适的新的机器人关节驱动器及其控制方法，使得机器人关节具有机械的柔顺性和可调整的刚度。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于机器人关节的串联弹性驱动器，包括电机控制器通过信号线与旋转编码器连接，电机控制器通过电力线与直流电机连接，对直流电机进行伺服控制；电机控制器通过总线连接实时计算机控制系统，接收计算机在每个控制周期所生成的控制量，并对直流电机进行实时控制；数据采集系统的输出端连接实时计算机控制系统，输入端连接模拟多路选择器，接收选择信号；旋转编码器、直流电机和减速箱依次连接；换向器的输入端连接减速箱，输出端的输出轴线上设置由依次固定连接的弹性元件、弹簧连杆转接件和机器人关节连杆组成的传动机构；第一绝对角度传感器同轴设置于弹性元件上，用于测量换向器输出轴的绝对位置；第二绝对角度传感器设置于所述机器人关节连杆，用于测量机器人关节连杆的绝对位置；所述第一绝对角度传感器和第二绝对角度传感器的输出端连接所述模拟多路选择器的模拟输入端。所述弹性元件为一种平面螺旋线形的线性元件，截面为矩形。所述直流电机为内置霍尔传感器的直流无刷电机，所述霍尔传感器通过信号线连接电机控制器。所述模拟多路选择器为二选一模拟多路选择器，具有三个输入端口，分别是选通端口、第一模拟输入端口和第二模拟输入端口，具有一个输出端口为模拟输出端口。所述数据采集系统包括一个A/D转换器和一个通用数字I/O端口，A/D转换器的输入通道与模拟多路选择器的模拟输出端口相连，通用数字I/O端口与模拟多路选择器的选通端口相连，用于选通相应的绝对角度传感器，并将被选通的绝对角度传感器输出的模拟信号转换成数字信号。绝对角度传感器的输出量在系统掉电的情况下不丢失。一种用于机器人关节的串联弹性驱动器的控制方法，包括以下步骤：步骤1：由绝对角度传感器获取机器人关节连杆绝对位置；步骤2：由数据采集系统将绝对角度传感器的模拟信号转换成数字量输入到实时计算机控制系统中；步骤3：实时计算机控制系统根据原始的电机控制输入量和获取到的机器人关节连杆绝对位置计算新的电机控制量；步骤4：计算机控制系统将新的电机控制量输出到电机控制器，对直流电机进行控制。还可以使用低通滤波器对数据采集系统角度数字信号进行滤波降噪处理，再输入到实时计算机控制系统。所述新的电机控制量为：θsn＝K1θs-K2θ2其中，θsn是新的电机控制量，θs为原始的电机控制输入量，θ2为机器人关节连杆转角的绝对位置，K1为原始电机控制量权重系数，K2为机器人关节角度权重系数。所述原始电机控制量权重系数K1的计算过程：所述机器人关节角度权重系数K2的计算过程为：其中，K′为所期望获得的机器人关节等效刚度系数，K为安装于机器人关节的弹性元件的特征刚度系数。本专利技术具有以下有益效果及优点：本专利技术能够将机器人手臂的质量和机器人底座的质量通过弹性元件隔离开来，当人或环境和机器人发生物理碰撞的过程中，通过弹性元件的吸收和释放能量来产生缓冲效果从而减小人与环境和机器人碰撞力的大小，避免对人和环境造成伤害。在使用固定刚度的弹性元件的基础上，同时采用基于软件控制的等效刚度控制方法，以获得在不同工况下需要的不同关节刚度，有助于扩展该机器人的使用范围。附图说明图1为本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的系统连接结构框图；图2为本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的立体示意图；图3为本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的连杆角度传感器主视图；图4为本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的减速箱角度传感器和电机控制器主视图；图5为本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的弹性元件主视图；图6为本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的弹性元件安装示意图；图7为本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的可变刚度控制方法的流程图；其中1为旋转编码器，2为直流无刷电机，3为减速箱，4为弹性元件，5为弹簧连杆转接件，6为机器人关节连杆，7为第二绝对角度传感器，8为第一绝对角度传感器，9为模拟多路选择器，10为数据采集系统，11为实时计算机控制系统，12为电机控制器，13为换向器。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。如图1所示为本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的系统连接结构框图。本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器主要包括：增量式光电脉冲编码器1，每圈可计数2000个脉冲，实现电机输出轴的精确控制；带霍尔传感器的直流无刷电机2，用于提供驱动力输出；减速箱3，用于降低转速，提高驱动力矩；弹性元件4，能有效隔离机器人基座惯性负载，缓冲吸收冲击能量；弹簧连杆转接件5，用于连接弹性元件与机器人关节连杆；机器人关节连杆6；第一绝对角度传感器8、第二绝对角度传感器7，分别安装于减速箱3输出轴和机器人关节连杆6轴上，用于测量两个轴转动的绝对位置；模拟多路选择器9，分别选通每个角度传感器进行角度测量；数据采集系统10，控制多路选择器选通某个角度传感器，将角度传感器的模拟信号转化为数字信号；实时计算机控制系统11，定时采集角度传感器信息，并控制电机按照控制算法转动；电机控制器12，采集光电脉冲编码器1和直流无刷电机2内部的霍尔传感器信号并对直流无刷电机2进行实际控制。如图2所示本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的立体示意图。旋转光电脉冲编码器1、直流无刷电机2、减速箱3在机械结构上为同轴线安装，并通过换向器13转换传动方向，从而保证紧凑的关节安装空间。电机控制器12安装在机器人关节上，进一步提高了系统的集成度。如图3所示为本专利技术的用于机器人关节的串联弹性驱动器的连杆角度传感器主视图；第二绝对角度传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于：包括电机控制器通过信号线与旋转编码器连接，电机控制器通过电力线与直流电机连接，对直流电机进行伺服控制；电机控制器通过总线连接实时计算机控制系统，接收计算机在每个控制周期所生成的控制量，并对直流电机进行实时控制；数据采集系统的输出端连接实时计算机控制系统，输入端连接模拟多路选择器，接收选择信号；旋转编码器、直流电机和减速箱依次连接；换向器的输入端连接减速箱，输出端的输出轴线上设置由依次固定连接的弹性元件、弹簧连杆转接件和机器人关节连杆组成的传动机构；第一绝对角度传感器同轴设置于弹性元件上，用于测量换向器输出轴的绝对位置；第二绝对角度传感器设置于所述机器人关节连杆，用于测量机器人关节连杆的绝对位置；所述第一绝对角度传感器和第二绝对角度传感器的输出端连接所述模拟多路选择器的模拟输入端。

【技术特征摘要】
1.一种用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于：包括电机控制器通过信号线与旋转编码器连接，电机控制器通过电力线与直流电机连接，对直流电机进行伺服控制；电机控制器通过总线连接实时计算机控制系统，接收计算机在每个控制周期所生成的控制量，并对直流电机进行实时控制；数据采集系统的输出端连接实时计算机控制系统，输入端连接模拟多路选择器，接收选择信号；旋转编码器、直流电机和减速箱依次连接；换向器的输入端连接减速箱，输出端的输出轴线上设置由依次固定连接的弹性元件、弹簧连杆转接件和机器人关节连杆组成的传动机构；第一绝对角度传感器同轴设置于弹性元件上，用于测量换向器输出轴的绝对位置；第二绝对角度传感器设置于所述机器人关节连杆，用于测量机器人关节连杆的绝对位置；所述第一绝对角度传感器和第二绝对角度传感器的输出端连接所述模拟多路选择器的模拟输入端。2.根据权利要求1所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于：所述弹性元件为一种平面螺旋线形的线性元件，截面为矩形。3.根据权利要求1所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于：所述直流电机为内置霍尔传感器的直流无刷电机，所述霍尔传感器通过信号线连接电机控制器。4.根据权利要求1所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于：所述模拟多路选择器为二选一模拟多路选择器，具有三个输入端口，分别是选通端口、第一模拟输入端口和第二模拟输入端口，具有一个输出端口为模拟输出端口。5.根据权利要求1所述的用于机器人关节的串联弹性驱动器，其特征在于：所述数据采集系统包括一个A/D转换器和一个通用数字I/O端口，A/D转换器的输入通道与模拟多路选择器的模拟输出端口相连，通用数字I/O端口...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建达，赵新刚，赵忆文，林光模，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21