基于陀螺儀加速度計的機器人關節及其控制系統的制作方法
【專利摘要】一種基于陀螺儀加速度計的機器人關節及其控制系統，包括：陀螺儀加速度計、下端關節、從下而上依次相連的制動器、相對值編碼器、交流伺服電機、諧波減速器和上端關節，其中：制動器、相對值編碼器和交流伺服電機同軸設置于下端關節內，諧波減速器的外圈與下端關節的外殼相連；陀螺儀加速度計設置于上端關節的中央；控制系統還包括：驅動器和控制器，其中：交流伺服電機、驅動器和控制器依次相連；控制器的輸入端與相對值編碼器相連，并通過I2C接口接入陀螺儀加速度計，控制器的輸出端與制動器相連；本發明設計合理，結構簡單，控制系統根據各關節的速度和位置反饋以及加速度反饋，完成機器人的碰撞檢測和負載檢測等復雜的運動控制規劃。
【專利說明】
基于陀螺儀加速度計的機器人關節及其控制系統
技術領域
[0001]本發明涉及的是一種機器人關節領域的技術，具體是一種基于陀螺儀加速度計的機器人關節及其控制系統。
【背景技術】
[0002]隨著機器人技術的發展，機器人相關領域的研究也在不斷進行。一體化、模塊化關節的研究與設計仍是熱門方向。前人設計的機器人的一體化關節大多包含以下部件:伺服電機、減速器、編碼器、軸承、制動器、力矩傳感器等。目前一體化關節設計中尚無能夠提供直接實際測量的加速度反饋的設計，然而實測的加速度反饋對于控制系統而言是一個重要信息，利用加速度反饋可實現更優化的力矩控制。
【發明內容】
[0003]本發明針對現有技術不支持關節加速度估計和扭矩估計的反饋，并缺少為控制器提供碰撞檢測和負載檢測等缺陷，提出一種基于陀螺儀加速度計的機器人關節及其控制系統，將陀螺儀加速度計集成在一體化關節中，為機器人控制系統提供加速度反饋，有利于優化機器人關節的控制策略。
[0004]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0005]本發明涉及一種基于陀螺儀加速度計的機器人關節，包括:陀螺儀加速度計、下端關節、從下而上依次相連的制動器、相對值編碼器、交流伺服電機、諧波減速器和上端關節，其中:制動器、相對值編碼器和交流伺服電機同軸設置于下端關節內，諧波減速器的外圈與下端關節的外殼相連;陀螺儀加速度計設置于上端關節的中央，并與諧波減速器、交流伺服電機、相對值編碼器和制動器的中心軸線彼此重合。
[0006]所述的交流伺服電機與諧波減速器通過連接軸相連，連接軸的一端與諧波減速器的內圈相連，另一端與交流伺服電機的輸出軸相連。
[0007]所述的交流伺服電機上方設有環形電機固定板，環形電機固定板與下端關節外殼的內側相連。
[0008]本發明涉及一種基于上述機器人關節的控制系統，還包括:驅動器和控制器，其中:交流伺服電機通過電源線和信號線與驅動器相連，驅動器通過CAN總線與控制器相連；控制器的輸入端與相對值編碼器相連，接收交流伺服電機輸出軸的轉動位置和速度的脈沖信號;并通過I2C接口接入陀螺儀加速度計采集的實時加速度信號，控制器的輸出端與制動器相連，用于控制關節的鎖緊。
技術效果
[0009]與現有技術相比，本發明結構簡單，易于制造安裝，通過將陀螺儀加速度計集成入一體化關節中，構成加速度層面的閉環控制，為控制系統提供實際測量的加速度反饋，在控制系統中完成的機器人正運動學變換的基礎上，可得到關節的加速度估計和扭矩估計的反饋，從而實現碰撞檢測和負載檢測等復雜的控制。
【附圖說明】
[0010]圖1為機器人關節示意圖；
[0011 ]圖2為控制系統接線示意圖；
[0012]圖3為控制系統原理不意圖；
[0013]圖中:I制動器、2相對值編碼器、3交流伺服電機、4環形電機固定板、5連接軸、6下端關節、7諧波減速器、8陀螺儀加速度計、9上端關節。
【具體實施方式】
[0014]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0015]如圖1所示，本實施例包括:陀螺儀加速度計8、下端關節6、環形電機固定板4、從下而上依次相連的制動器1、相對值編碼器2、交流伺服電機3、連接軸5、諧波減速器7和上端關節9，其中:制動器1、相對值編碼器2和交流伺服電機3同軸設置于下端關節6內，連接軸5的一端與交流伺服電機3的輸出軸相連，另一端與諧波減速器7的內圈相連;諧波減速器7的外圈與下端關節6的外殼相連;環形電機固定板4與下端關節6外殼的內側相連，并固定設置于交流伺服電機3上方;陀螺儀加速度計8設置于上端關節9的中央，并與諧波減速器7、交流伺服電機3、相對值編碼器2和制動器I的中心軸線彼此重合。
[0016]所述的交流伺服電機3與環形電機固定板4通過螺紋孔連接。
[0017]如圖2所示，本實施例涉及基于上述機器人關節的控制系統，還包括:驅動器和控制器，其中:交流伺服電機3通過電源線和信號線與驅動器相連，驅動器通過CAN總線與控制器相連;控制器的輸入端與相對值編碼器2相連，接收交流伺服電機3輸出軸的轉動位置和速度的脈沖信號；并通過I2C接口接入陀螺儀加速度計8采集的實時加速度信號，控制器的輸出端與制動器I相連，用于控制關節的鎖緊。
[0018]工作時，交流伺服電機3收到驅動器在CAN總線上收到的控制器發布的控制指令后，進行伺服運動，交流伺服電機3的輸出軸將動力通過連接軸5傳輸到諧波減速器7，諧波減速器7減速后帶動上端關節9旋轉，實現關節的運動；同時，絕對編碼器將交流伺服電機3的輸出軸的當前轉動位置和速度通過脈沖信號輸入控制器，陀螺儀加速度計8將關節當前的加速度通過12C總線輸入控制器，由控制器作控制策略的決策。
[0019]如圖3所示，所述的控制系統按邏輯分為主控制器和關節驅動器兩部分。工作時，關節驅動器完成相對值編碼器2和陀螺儀加速度計8的采樣，由相對值編碼器2的采樣數據完成速度和位置的反饋，并將速度和位置反饋結果和陀螺儀加速度計8的反饋結果發送至主控制器;主控制器完成多個關節驅動器的反饋信號接收，根據各關節的陀螺儀加速度計8的反饋信號，代入機器人正運動學變換，計算得到各個關節的加速度估計和扭矩估計反饋，基于反饋結果完成碰撞檢測和負載檢測，控制器的運動控制規劃模塊據以計算各個關節運動狀態從而下發控制指令至關節驅動器，實現關節電機驅動器的控制，從而實現交流伺服電機3的運動。
【主權項】
1.一種基于陀螺儀加速度計的機器人關節，其特征在于，包括:陀螺儀加速度計、下端關節、從下而上依次相連的制動器、相對值編碼器、交流伺服電機、諧波減速器和上端關節，其中:制動器、相對值編碼器和交流伺服電機同軸設置于下端關節內，諧波減速器的外圈與下端關節的外殼相連;陀螺儀加速度計設置于上端關節的中央，并與諧波減速器、交流伺服電機、相對值編碼器和制動器的中心軸線彼此重合。2.根據權利要求1所述的機器人關節，其特征是，所述的交流伺服電機與諧波減速器通過連接軸相連，連接軸的一端與諧波減速器的內圈相連，另一端與交流伺服電機的輸出軸相連。3.根據權利要求1所述的機器人關節，其特征是，所述的交流伺服電機上方設有電機固定板，電機固定板與下端關節外殼的內側相連。4.一種基于上述任一權利要求所述機器人關節的控制系統，其特征在于，還包括:驅動器和控制器，其中:交流伺服電機通過電源線和信號線與驅動器相連，驅動器通過CAN總線與控制器相連;控制器的輸入端與相對值編碼器相連，接收交流伺服電機輸出軸的轉動位置和速度的脈沖信號;并通過I2C接口接入陀螺儀加速度計采集的實時加速度信號，控制器的輸出端與制動器相連，用于控制關節的鎖緊。5.根據權利要求4所述的控制系統，其特征是，所述的相對值編碼器向控制器傳輸交流伺服電機的輸出軸的當前轉動位置和速度的脈沖信號。6.根據權利要求4所述的控制系統，其特征是，所述的陀螺儀加速度計通過I2C接口向控制器傳輸采集的實時加速度信號。
【文檔編號】B25J9/16GK106003048SQ201610516989
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月4日
【發明人】曹其新, 陳鵬, 林成靖
【申請人】上海交通大學