一种捷联惯性原件连接装置及其用于测量机械臂角度方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种捷联惯性原件连接装置及其用于测量机械臂角度方法。该方法包括：在两个刚性机械臂的表面均设置捷联惯性原件盒子；在中低速或静止状态下，根据两个捷联惯性原件中加速度计的输出，确定第一机械臂相对角度；对两个捷联惯性原件中陀罗仪的输出分别进行积分得到两个陀螺仪的角度输出，将两个陀螺仪的角度输出相减得到第二机械臂相对角度；采用卡尔曼滤波或互补滤波融合两种机械臂相对角度，确定实际机械臂相对角度。本发明专利技术用消费级的MEMS惯性原件测量机械臂关节角度，成本低，且使用惯性原件，机械臂的加工、安装难度降低，及新算法只用相邻的机械臂上的传感器输出计算关节的角度，算法简单快捷。

【技术实现步骤摘要】
一种捷联惯性原件连接装置及其用于测量机械臂角度方法
本专利技术涉及工程机械领域，更具体的涉及一种捷联惯性原件连接装置及其用于测量机械臂角度方法。
技术介绍
对于大型机械臂关节的角度测量方法，传统的是用编码器(encoder)，这对于机械加工和装配的精度提出了较高的要求，而且编码器一旦损坏，维修很困难，尤其是在恶略环境下；并且不同型号的机械臂也需要匹配特定的用于测量角度的编码器，这对于机械臂的设计也有很大的限制。综上所述，现有技术中，存在采用编码器测量大型机械臂关节的角度时，编码器加工安装难度大的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种捷联惯性原件连接装置及其用于测量机械臂角度方法，用以解决现有技术中存在采用编码器测量大型机械臂关节的角度时，编码器加工安装难度大的问题。本专利技术实施例提供一种捷联惯性原件连接装置，包括：多个盒子；每个所述盒子内设置有电路板，所述电路板上集成有捷联惯性原件、以太网控制芯片、USB接口电路和ARM微控制器；其中，所述捷联惯性原件、所述以太网控制芯片和所述USB接口电路均与所述ARM微控制器电连接。优选地，所述盒子为塑料盒子或金属盒子。优选地，所述捷联惯性原件包括：加速度计和陀螺仪。优选地，所述捷联惯性原件的型号为BMI160。优选地，所述ARM微控制器采用STM32F4系列微处理器。优选地，所述盒子内的ARM微控制器通过所述USB接口电路与本地微控制器进行通信。优选地，各所述盒子内的ARM微控制器之间通过所述以太网控制芯片进行通信。本专利技术实施例提供一种捷联惯性原件连接装置用于测量机械臂角度方法，包括：在两个刚性机械臂的表面均设置捷联惯性原件盒子，其中，两个刚性机械臂连接于一个自由度的关节上，及捷联惯性原件盒子内设置有捷联惯性原件；在中低速或静止状态下，根据两个捷联惯性原件中加速度计的输出，通过关系式(1)，确定第一机械臂相对角度；对两个捷联惯性原件中陀罗仪的输出分别进行积分得到两个陀螺仪的角度输出，将两个陀螺仪的角度输出相减得到第二机械臂相对角度；采用卡尔曼滤波或互补滤波融合第一机械臂相对角度和第二机械臂相对角度，确定实际机械臂相对角度；所述关系式(1)如下所示：其中，为位于机一条机械臂上的坐标A中输出的关节中心的比力，相对于惯性系I，表示在坐标A中；为位于另一条机械臂上的坐标B中输出的关节中心的比力，相对于惯性系I，表示在坐标B中；BRA为旋转矩阵，θ为第一机械臂相对角度。本专利技术实施例中，提供一种捷联惯性原件连接装置及其用于测量机械臂角度方法，与现有技术相比，其有益效果如下：本专利技术用消费级的MEMS惯性原件测量机械臂关节角度，此种MEMS惯性原件当前广泛用于手机等移动设备，通常大规模采购成本低于5美元，显著降低系统成本，且本专利技术中的算法适用于机械臂关节静态或中低速转动时的角度测量。因而，本专利技术显著降低机械臂角度测量传感器的成本；使用惯性原件，机械臂的加工、安装难度降低；新算法只用相邻的机械臂上的传感器输出计算关节的角度，算法简单快捷。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种捷联惯性原件连接装置结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种捷联惯性原件连接装置用于测量机械臂角度方法流程图；图3为本专利技术实施例提供的测量机械臂关节角度的分析示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例提供的一种捷联惯性原件连接装置结构示意图。参见图1，该装置包括：多个盒子；每个盒子内设置有电路板，电路板上集成有捷联惯性原件、以太网控制芯片、USB接口电路和ARM微控制器；其中，捷联惯性原件、以太网控制芯片和USB接口电路均与ARM微控制器电连接。优选地，盒子为塑料盒子或金属盒子。优选地，捷联惯性原件包括：加速度计和陀螺仪。优选地，捷联惯性原件的型号为BMI160。优选地，ARM微控制器采用STM32F4系列微处理器。优选地，盒子内的ARM微控制器通过USB接口电路与本地微控制器进行通信。优选地，各盒子内的ARM微控制器之间通过以太网控制芯片进行通信。需要说明的是，以单个的传感器盒子为例。惯性元件，ARM微控制器，以太网控制芯片置于定制的电路板上。算法的程序可以通过USB接口上传到微控制器。从惯性元件采集的数据可以在本地的微控制器上处理，也可通过以太网控制芯片传出，集中于任意一个惯性元件盒子中的CPU处理。进一步，在实际使用的时候，将多个捷联惯性原件盒子连接起来，分布于不同的机器臂上，可以估算机器臂状态；或者分布于大型构件上，估算其震动，形变。对于上述捷联惯性原件连接装置，本专利技术提出了一个基于微控制器，以太网，多个捷联惯性原件连接的解决方案；由于给每个惯性原件配备了高性能的ARM芯片，惯性原件中传感器的数据处理和算法实现可以实时完成，且以太网的连接也保证了数据可以实时高速的在不同的盒子之间的CPU中传递；并且本专利技术给一个惯性原件配备一个ARM芯片，算法可以集中于一个CPU，也可以分布于不同的CPU，提高了实时性，保障了较高的传感器采样频率。图2为本专利技术实施例提供的一种捷联惯性原件连接装置用于测量机械臂角度方法流程图。如图2所示，该方法包括：步骤S1，在两个刚性机械臂的表面均设置捷联惯性原件盒子，其中，两个刚性机械,臂连接于一个自由度的关节上，及捷联惯性原件盒子内设置有捷联惯性原件。步骤S2，在中低速或静止状态下，根据两个捷联惯性原件中加速度计的输出，通过关系式(1)，确定第一机械臂相对角度。图3为本专利技术实施例提供的测量机械臂关节角度的分析示意图，参见图3，上述步骤S2中的关系式(1)如下所示：其中，为位于机一条机械臂上的坐标A中输出的关节中心的比力，相对于惯性系I，表示在坐标A中；为位于另一条机械臂上的坐标B中输出的关节中心的比力，相对于惯性系I，表示在坐标B中；BRA为旋转矩阵，θ为第一机械臂相对角度。其中，图3中坐标A和B分别是两条机械臂的系固坐标系，坐标原点重合于关节的原点；YA和YB是沿机械臂方向，ZA和ZB垂直于机械臂，位于机械臂的旋转平面；XA和XB完成笛卡尔右手坐标系；两个惯性原件为图中原点所示，分别粘贴在机械臂的表面。进一步，上述关系式的推导过程如下：需要说明的是，两个比力的原点位于关节中心，在惯性系中是同一个力，只是表示在不同的两个坐标系中，坐标A和B的X轴重合，所以坐标原点的比力的两种表示通过绕X轴的旋转可以重合，忽略X方向上加速度计的输出，通过Y轴，Z轴上比力元素的简单代数操作即可得到两个机械臂的相对角度。进一步，由于只考虑静态或中低速旋转状体下的角度测量，所以简单粘帖在机械臂上的惯性原件中的加速度计输出约等于其位于旋转中心的比力。实际中很难把惯性原件安装在关节中心。步骤S3，对两个捷联惯性原件中陀罗仪的输出分别进行积分得到两个陀螺仪的角度输出，将两个陀螺仪的角度输出相减得到第二机械臂相对角度。步骤S4，采用卡尔曼滤波或互补滤波融合第一机械臂相对角度和第二机械臂相对角度，确定实际机械臂相对角度。需要说明的是，两种机械臂的相对角度中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种捷联惯性原件连接装置，其特征在于，包括：多个盒子；每个所述盒子内设置有电路板，所述电路板上集成有捷联惯性原件、以太网控制芯片、USB接口电路和ARM微控制器；其中，所述捷联惯性原件、所述以太网控制芯片和所述USB接口电路均与所述ARM微控制器电连接。

【技术特征摘要】
1.一种捷联惯性原件连接装置，其特征在于，包括：多个盒子；每个所述盒子内设置有电路板，所述电路板上集成有捷联惯性原件、以太网控制芯片、USB接口电路和ARM微控制器；其中，所述捷联惯性原件、所述以太网控制芯片和所述USB接口电路均与所述ARM微控制器电连接。2.如权利要求1所述的捷联惯性原件连接装置，其特征在于，所述盒子为塑料盒子或金属盒子。3.如权利要求1所述的捷联惯性原件连接装置，其特征在于，所述捷联惯性原件包括：加速度计和陀螺仪。4.如权利要求1所述的捷联惯性原件连接装置，其特征在于，所述捷联惯性原件的型号为BMI160。5.如权利要求1所述的捷联惯性原件连接装置，其特征在于，所述ARM微控制器采用STM32F4系列微处理器。6.如权利要求1所述的捷联惯性原件连接装置，其特征在于，所述盒子内的ARM微控制器通过所述USB接口电路与本地微控制器进行通信。7.如权利要求1所述的捷联惯性原件连接装置，其特征在于，各所述盒子内的ARM微控制器之间通过所述以太网控制芯片进行通信。8.一种捷联惯性原件连接装置用于测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗正，
申请(专利权)人：苗正，
类型：发明
国别省市：陕西,61