一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法，包括机械臂本体部分及检测控制部分，所述机械臂本体部分包括三段臂杆和末端作用器，三段臂杆之间通过柔性关节连接，所述检测控制部分包括高速相机及加速度传感器，通过相机和加速度传感器的检测，计算机产生控制信号驱动机械臂运动，从而将负载搬运到指定目标位置。本发明专利技术采用气浮装置支撑机械臂本体使其处于漂浮状态，可以模拟太空环境；通过多传感器融合，对负载状态的机械臂运动进行精确检测并加以控制。

A Kinematic Detection Device and Method for Flexible Joint Manipulator

【技术实现步骤摘要】
一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法
本专利技术涉及关节型机械臂的运动检测与控制领域，具体涉及一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法。
技术介绍
随着空间技术的发展，人造卫星在科学技术试验、天气预测、区域跟踪与导航以及通信等领域都起着重要的作用，而空间站、航天飞机、空间机器人的应用使空间机械臂也得到了越来越多的关注。空间机械臂是搭载在卫星上的机械臂，可实现对于空间静止或移动目标的观察与捕获，主要完成辅助对接、目标搬运、在轨建设、摄像、对卫星等目标物的捕获与释放等任务，还可作为航天员出舱活动的辅助设备，是在轨维护与建设的关键支撑性技术，因此，对空间机械臂的研究具有特别重要的意义。空间机械臂在随卫星发射之前，需要进行大量的地面试验，以保证其可靠性与稳定性，因此，空间机械臂的地面实验模拟平台起着相当重要的作用。现有的空间机械臂研究工作中，大多数装置未充分消除摩擦力的影响，导致与实际微重力无阻尼漂浮状态不符，影响实验效果。此外，大部分实验装置为方便制作和实验，均采用经过大比例缩小的小型机械臂装置作为替代，替代装置由于在惯性特性以及控制特性等方面与实际的大尺寸空间机械臂存在较大的差异，导致实验结果在一定程度上失去了代表性。因此，在空间机械臂的地面研究工作中，创造无摩擦微重力漂浮环境，并采用等比例或近似等比例尺寸机械臂的研究尤为重要。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法。充分考虑了模拟空间机械臂微重力环境，并通过多传感器融合，实现机械臂在负载状态下的运动检测与精确控制。本专利技术采用如下技术方案：一种柔性关节机械臂的运动检测装置，包括机械臂本体部分及检测控制部分；所述机械臂本体部分包括三段臂杆和末端作用器，所述三段臂杆分别为上臂、前臂及手腕，所述上臂一端通过肩关节与肩关节转台连接，所述肩关节转台固定在实验台上，所述上臂的另一端通过肘关节与前臂的一端连接，所述前臂的另一端通过腕关节与手腕的一端连接，所述手腕的另一端通过转动关节安装末端作用器，所述肘关节及腕关节通过关节支撑架固定在实验台上，所述关节支撑架设置气浮装置，所述气浮装置与气动回路连接实现臂杆工作在漂浮运动状态；所述检测控制部分包括高速相机、加速度传感器、电荷放大器、视觉标志物、运动控制卡及计算机，所述计算机与运动控制卡连接，所述电荷放大器与运动控制卡连接，所述加速度传感器设置在臂杆的中间位置，所述加速度传感器检测臂杆的振动信号，输入电荷放大器，通过运动控制卡输入计算机，所述高速相机安装在实验台的上方，视觉标志物设置在肩关节、腕关节及肘关节的顶端，视觉标志物在高速相机的视野范围内，高速相机拍摄包含视觉标志物的图像，输入计算机；所述检测控制部分还包括伺服电机驱动器及直接驱动旋转电机驱动器，所述计算机根据高速相机及加速度传感器检测的信号得到控制信号，分别向直接驱动旋转电机驱动器、伺服电机驱动器及气动回路输出控制信号，驱动末端作用器、臂杆及关节支撑架运动，进一步控制机械臂到达目标位置。所述肩关节、肘关节及腕关节的结构相同，均由直流伺服电机、谐波减速器及连接法兰构成。所述气浮装置由三个气浮垫构成。所述高速相机通过相机支架安装在实验台长度方向中线的上方，用于检测识别臂杆三个关节的位置信息。所述气动回路包括依次连接的气泵、气动三联件、二位三通阀、三通管接头及四通管接头，还包括与二位三通阀连接的开关阀驱动电路，所述开关阀驱动电路与运动控制卡连接。与末端作用器连接的转动关节包括直接驱动旋转电机，所述直接驱动旋转电机与直接驱动旋转电机驱动器连接。所述末端作用器为四指夹爪。所述关节支撑架包括肘关节支撑架及腕关节支撑架，肘关节支撑架与腕关节支撑架的高度不同。一种柔性关节机械臂的运动检测装置的方法，包括如下步骤：第一步，在计算机输入负载需要搬运的目标位置信息，高速相机检测三个关节上视觉标识物的位置输入计算机，提取机械臂与目标位置之间的相对位置信息；第二步，根据获得的相对位置信息，计算机初步规划各个臂杆以及关节所需要的控制信号并传输给运动控制卡，经运动控制卡内部的D/A输出模块输出给伺服电机驱动器，驱动伺服电机的转动，从而驱动机械臂在负载状态下向目标搬运位置运动；第三步，加速度传感器实时检测各臂杆的加速度运动信息，并传输运动控制卡，输入计算机，伺服电机自带的编码器实时获取臂杆的转动位移和速度信息，并通过运动控制卡输入计算机，高速相机实时检测机械臂柔性关节的相对位置变化，并将信息传输计算机；第四步，计算机根据得到的加速度传感器、伺服电机本身的编码器以及高速相机信息，通过融合多传感器信息，运用相应的运动控制算法，解算出修正的运动控制信号，并通过运动控制卡经D/A转换后输出给伺服电机驱动器，进一步控制关节伺服电机转动；第五步，通过融合多传感器信息与实时的位置信息与运动信息反馈，不断修正控制信号驱动机械臂运动，最终使得末端作用器将负载精确的搬运至目标位置，完成机械臂对负载的精确搬运任务。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术利用气浮垫喷射加压气体形成的气膜支撑机械臂本体，避免了其与实验台的直接接触，使系统处于无摩擦的悬浮状态，从而较好的模拟出太空无阻尼漂浮状态；(2)本专利技术采用视觉传感器与加速度传感器相结合的方法对机械臂的运动信息进行检测，通过多传感器融合对机械臂在负载搬运过程中的运动进行检测与控制，提高了精确度；(3)本专利技术中空间机械臂的肩关节、肘关节和腕关节均采用谐波减速器柔性关节，谐波传动结构紧凑，体积小、重量轻，传动比大，承载能力大，传动精度高，运动平稳，动态响应快速而准确；(4)本专利技术在手腕与末端作用器连接处增设了一个转动关节，在末端作用器夹取目标负载时可以通过调节，控制末端作用器转动至最佳夹取姿态，可提高对目标物夹取的成功率与牢固性。(5)本专利技术可模拟实现空间机械臂将负载搬运至目标位置的精确控制等相关操作任务，并提供了传感、驱动、运动规划、控制等各模块参考方案，可作为空间机械臂的地面模拟实验平台，为空间机械臂相关领域的研究和应用提供参考。(6)本专利技术中机械臂使用了三个谐波柔性关节，该装置还可应用于柔性关节机械臂在负载状态下的柔性运动特性方面的研究。附图说明图1为本专利技术的总体结构示意图。图2为图1装置的主视图。图3为图1装置的俯视图。图4为本专利技术的结构示意图。图5为肘关节结构的爆炸示意图。图6为图1装置的运动检测与控制方法流程图。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例如图1-图4所示，本实施例提供了一种基于视觉和加速度传感器的柔性关节机械臂运动检测装置，该装置包括机械臂本体及检测控制单元；图1中的虚线连接指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向，各传感器与驱动器连接仅选其一进行示意；所述机械臂本体包括上臂5、前臂8及手腕12共三段臂杆、一个末端作用器15，所述上臂通过肩关节安装在实验台1上的肩关节转台2上，前臂通过肘关节6与上臂连接，手腕通过腕关节与前臂连接，末端作用器通过转动关节13与手腕连接。所述肩关节、肘关节、腕关节三个柔性关节主要通过伺服电机、谐波减速器、连接法兰组合构成，所述连接末端作用器的转动关节由直接驱动旋转电机与安装法兰构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，包括机械臂本体部分及检测控制部分；所述机械臂本体部分包括三段臂杆和末端作用器，所述三段臂杆分别为上臂、前臂及手腕，所述上臂一端通过肩关节与肩关节转台连接，所述肩关节转台固定在实验台上，所述上臂的另一端通过肘关节与前臂的一端连接，所述前臂的另一端通过腕关节与手腕的一端连接，所述手腕的另一端通过转动关节安装末端作用器，所述肘关节及腕关节通过关节支撑架固定在实验台上，所述关节支撑架设置气浮装置，所述气浮装置与气动回路连接实现臂杆工作在漂浮运动状态；所述检测控制部分包括高速相机、加速度传感器、电荷放大器、视觉标志物、运动控制卡及计算机，所述计算机与运动控制卡连接，所述电荷放大器与运动控制卡连接，所述加速度传感器设置在臂杆的中间位置，所述加速度传感器检测臂杆的振动信号，输入电荷放大器，通过运动控制卡输入计算机，所述高速相机安装在实验台的上方，视觉标志物设置在肩关节、腕关节及肘关节的顶端，视觉标志物在高速相机的视野范围内，高速相机拍摄包含视觉标志物的图像，输入计算机；所述检测控制部分还包括伺服电机驱动器及直接驱动旋转电机驱动器，所述计算机根据高速相机及加速度传感器检测的信号得到控制信号，分别向直接驱动旋转电机驱动器、伺服电机驱动器及气动回路输出控制信号，驱动末端作用器、臂杆及关节支撑架运动，进一步控制机械臂到达目标位置。...

【技术特征摘要】
1.一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，包括机械臂本体部分及检测控制部分；所述机械臂本体部分包括三段臂杆和末端作用器，所述三段臂杆分别为上臂、前臂及手腕，所述上臂一端通过肩关节与肩关节转台连接，所述肩关节转台固定在实验台上，所述上臂的另一端通过肘关节与前臂的一端连接，所述前臂的另一端通过腕关节与手腕的一端连接，所述手腕的另一端通过转动关节安装末端作用器，所述肘关节及腕关节通过关节支撑架固定在实验台上，所述关节支撑架设置气浮装置，所述气浮装置与气动回路连接实现臂杆工作在漂浮运动状态；所述检测控制部分包括高速相机、加速度传感器、电荷放大器、视觉标志物、运动控制卡及计算机，所述计算机与运动控制卡连接，所述电荷放大器与运动控制卡连接，所述加速度传感器设置在臂杆的中间位置，所述加速度传感器检测臂杆的振动信号，输入电荷放大器，通过运动控制卡输入计算机，所述高速相机安装在实验台的上方，视觉标志物设置在肩关节、腕关节及肘关节的顶端，视觉标志物在高速相机的视野范围内，高速相机拍摄包含视觉标志物的图像，输入计算机；所述检测控制部分还包括伺服电机驱动器及直接驱动旋转电机驱动器，所述计算机根据高速相机及加速度传感器检测的信号得到控制信号，分别向直接驱动旋转电机驱动器、伺服电机驱动器及气动回路输出控制信号，驱动末端作用器、臂杆及关节支撑架运动，进一步控制机械臂到达目标位置。2.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，所述肩关节、肘关节及腕关节的结构相同，均由直流伺服电机、谐波减速器及连接法兰构成。3.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，所述气浮装置由三个气浮垫构成。4.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，所述高速相机通过相机支架安装在实验台长度方向中线的上方，用于检测识别臂杆三个关节的位置信息。5.根据权利要求1所述的一种柔性关节机械臂的运动检测装置，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱志成，朱许先，余龙焕，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44