一種柔性機械臂末端轉角檢測系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種柔性機械臂末端轉角檢測系統，具體是一種柔性機械臂末端轉角 檢測系統及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著國民經濟的發展和國防技術的需要，對于工程結構一方面是輕質和柔性構件 在結構中的大量應用，另一方面是對結構高速和高精度運行的要求。柔性機械臂是一種具 有代表性的產物，它在太空裝備、現代制造業、IC后封裝裝備、印刷業、MEMS等許多工程領 域有著廣泛的應用背景。柔性機械臂這種典型的剛柔耦合動力學系統在大范圍運動的同 時，也將產生自身的小變形彈性振動，如何有效地提高機械臂系統的定位精度并且同時降 低柔性機械臂的彈性振動是上述工程領域中需要很好解決的重要問題之一，該問題的研宄 近幾十年來得到了眾多學者的廣泛關注。
[0003] 在柔性機械臂轉動或定位過程中，需要實時、精確的檢測出柔性機械臂的末端轉 角，實現反饋控制，以達到精確定位。
[0004] 目前，柔性機械臂末端轉角的檢測主要采用激光三維測振儀、激光光幕傳感器、加 速度計、陀螺儀中的一種或幾種組合的方法來實現末端轉角的測量。激光三維測振儀雖然 精度較高，但是其價格也較高，激光光幕傳感器可操作性低，加速度計或陀螺儀也達不到目 前所需的精度。因此，需要找出一種較為經濟、簡單且精度較高的方法，實現柔性機械臂末 端轉角的檢測。
【發明內容】
[0005] 針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種柔性機械臂末端轉角檢測系統及 方法，能夠實現非接觸、實時、精確檢測柔性機械臂末端轉角的目的。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種柔性機械臂末端轉角檢測系 統，其特征在于，它包括驅動裝置、編碼器、固定支架、夾具以及通過夾具與驅動裝置的轉軸 連接的柔性機械臂；
[0007] 所述的驅動裝置固定在固定支架上，編碼器固定在驅動裝置上，夾具與驅動裝置 的轉軸同軸連接，夾具上粘貼PSD傳感器，
[0008] 所述的PSD傳感器垂直于柔性機械臂根部并位于驅動裝置的轉軸中心的正上方， 柔性機械臂的末端安裝一個激光發射器。
[0009] 驅動裝置采用電機驅動、液壓驅動或氣動驅動系統.
[0010] PSD傳感器采用一維PSD傳感器或多維PSD傳感器。
[0011] -種柔性機械臂末端轉角檢測方法，具體過程如下：
[0012] 驅動裝置驅動柔性機械臂由靜止位置開始轉動，通過編碼器檢測驅動裝置的轉軸 的轉角；
[0013] PSD傳感器實時接收柔性機械臂末端的激光發射器的入射光，通過數據采集卡實 時地將激光發射器入射到PSD傳感器上的光斑的重心位置以及編碼器測得的驅動裝置的 轉軸的轉角傳遞給計算機；
[0014] 通過計算機計算激光發射器入射到PSD傳感器上的光斑重心與柔性機械臂靜止 時PSD傳感器上的光斑重心的距離換算出柔性機械臂的彈性轉角，結合編碼器測得的驅動 裝置的轉軸的轉角，計算得到柔性機械臂末端的實時轉角。
[0015] 柔性機械臂的彈性轉角是柔性機械臂轉動過程中由于本身彈性變形產生的轉角。
[0016] 與現有的裝置和方法相比：本發明將柔性機械臂的彈性轉角轉化成容易測量的 PSD傳感器上的光斑重心位置，能夠實現非接觸、實時、精確檢測柔性機械臂的末端轉角的 目的；本方法適用范圍較廣，成本較低，實施簡單，性能穩定，易實現自動化且彌補了傳統測 量方法的精度缺陷。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明的實施例的柔性機械臂系統結構示意圖；
[0018] 圖2為本發明的實施例的柔性機械臂末端轉角檢測原理簡圖；
[0019] 圖3為本發明的實施例的一維PSD傳感器工作原理圖。
[0020] 圖中：1、激光發射器，2、柔性機械臂，3、PSD傳感器，4、夾具，5、轉軸，6、固定支架， 7、編碼器，8、驅動裝置，9、數據采集卡，10、計算機。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖對本發明的實施例作進一步說明。
[0022] 驅動裝置8采用電機驅動、液壓驅動或氣動驅動系統，PSD傳感，3采用一維PSD傳 感器或多維PSD傳感器。
[0023] 在實施例中，驅動裝置8采用電機驅動，PSD傳感器3采用一維PSD傳感器。
[0024] 如圖1所示，一種柔性機械臂末端轉角檢測系統，它包括伺服電機、編碼器7、固定 支架6、夾具4以及通過夾具4與伺服電機的轉軸5連接在一起的柔性機械臂2 ;
[0025] 所述的伺服電機固定在固定支架6上，編碼器7固定在伺服電機上，夾具4與伺服 電機8的轉軸5同軸連接，夾具4上粘貼一維PSD傳感器，
[0026] 所述的一維PSD傳感器垂直于柔性機械臂2根部并位于伺服電機的轉軸5中心的 正上方，柔性機械臂2的末端安裝一個激光發射器1。
[0027] 如圖1所示，一種柔性機械臂末端轉角檢測方法，具體過程如下：
[0028] 通過伺服電機驅動柔性機械臂2由靜止位置開始轉動，通過編碼器7檢測伺服電 機的轉軸5的轉角；
[0029] -維PSD傳感器實時接收柔性機械臂2末端的激光發射器1的入射光，通過數據 采集卡9實時地將激光發射器1入射到一維PSD傳感器上的光斑的重心位置以及編碼器7 測得的伺服電機的轉軸5的轉角傳遞給計算機10 ;
[0030] 通過計算機10計算激光發射器1入射到一維PSD傳感器上的光斑重心與柔性機 械臂2靜止時一維PSD傳感器上的光斑重心的距離換算出柔性機械臂2的彈性轉角，結合 編碼器7測得的伺服電機的轉軸5的轉角，計算得到柔性機械臂2末端的實時轉角。
[0031 ] 所述的柔性機械臂2的彈性轉角是柔性機械臂2轉動過程中由于本身彈性變形產 生的轉角。
[0032] 如圖2所示，設柔性機械臂2轉動過程中激光發射器1入射到一維PSD傳感器上 的光斑重心與柔性機械臂2靜止時一維PSD傳感器上的光斑重心的距離為a，a的值由數據 采集卡9采集的一維PSD傳感器上的光斑位置信息計算得到。柔性機械臂2的長度設為 L，柔性機械臂2的彈性轉角設為β，伺服電機8的轉軸的轉角設為α，其中柔性機械臂2 的長度L為已知量，伺服電機8的轉軸的轉角α由編碼器7直接測得。
[0033] 由于柔性機械臂2的彈性轉角β很小，所以可以得到兩個近似：
[0034] 1)直角三角形ABC的斜邊AB的長度近似等于柔性臂機械臂2的長度L ;
[0035] 2)直角三角形ABC與直角三角形CDA近似為全等直角三角形。貝IJ :
[0036] BC = DA = a = Lsin β
[0037] 貝 lj，
【主權項】
1. 一種柔性機械臂末端轉角檢測系統，包括驅動裝置、編碼器（7)、固定支架（6)、夾具 (4)以及通過夾具（4)與驅動裝置（8)的轉軸（5)連接的柔性機械臂（2)，其特征在于， 所述的驅動裝置（8)固定在固定支架（6)上，編碼器（7)固定在驅動裝置（8)上，夾具 (4 )與驅動裝置（8 )的轉軸（5 )同軸連接，夾具（4 )上粘貼PSD傳感器（3 )， 所述的PSD傳感器（3)垂直于柔性機械臂（2)根部并位于驅動裝置（8)的轉軸（5)中 心的正上方，柔性機械臂（2 )的末端安裝一個激光發射器（1)。
2. 根據權利要求1所述的一種所述的一種柔性機械臂末端轉角檢測系統，其特征在 于，所述的驅動裝置（8)采用電機驅動、液壓驅動或氣動驅動系統。
3. 根據權利要求1所述的一種所述的一種柔性機械臂末端轉角檢測系統，其特征在 于，所述的PSD傳感器（3)采用一維PSD傳感器或多維PSD傳感器。
4. 一種柔性機械臂末端轉角檢測方法，其特征在于，具體過程如下： 驅動裝置（8 )驅動柔性機械臂（2 )由靜止位置開始轉動，通過編碼器（7 )檢測驅動裝置 (8)的轉軸（5)的轉角； PSD傳感器（3 )實時接收柔性機械臂（2 )末端的激光發射器（1)的入射光，通過數據采 集卡（9)實時地將激光發射器（1)入射到PSD傳感器（3)上的光斑的重心位置以及編碼器 (7)測得的驅動裝置（8)的轉軸（5)的轉角傳遞給計算機（10); 通過計算機（10)計算激光發射器（1)入射到PSD傳感器（3)上的光斑重心與柔性機械 臂（2)靜止時PSD傳感器（3)上的光斑重心的距離換算出柔性機械臂（2)的彈性轉角，結合 編碼器（7)測得的驅動裝置（8)的轉軸（5)的轉角，計算得到柔性機械臂（2)末端的實時轉 角。
5. 根據權利要求4所述的一種柔性機械臂末端轉角檢測方法，其特征在于，所述的柔 性機械臂（2)的彈性轉角是柔性機械臂（2)轉動過程中由于本身彈性變形產生的轉角。
【專利摘要】本發明公開了一種柔性機械臂末端轉角檢測系統，在柔性機械臂的末端安裝一個激光發射器，向柔性機械臂的驅動裝置的轉軸方向照射；同時還公開了一種柔性機械臂末端轉角檢測方法：當柔性機械臂轉動時，由垂直柔性機械臂安裝在驅動裝置轉軸上方的PSD傳感器接收激光發射器的入射光，通過數據采集卡實時的將激光發射器入射到PSD傳感器上的光斑重心位置和編碼器測得的驅動裝置轉軸的轉角傳遞給計算機，由計算機根據光斑的重心位置和驅動裝置轉軸的轉角計算出柔性機械臂末端的實時轉角；本發明較好的解決了柔性機械臂末端轉角的檢測問題，采用非接觸測量方式，性能穩定，精度較高，成本較低，適用范圍廣。
【IPC分類】G01C1-00
【公開號】CN104613924
【申請號】CN201410843717
【發明人】楊雪鋒, 路恩, 李威, 王禹橋, 范孟豹, 劉玉飛, 徐晗, 魏華賢, 鞠錦勇, 須曉鋒, 盛連超, 董事
【申請人】中國礦業大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月30日