[发明专利]基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置及方法

说明书

本发明基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置及方法，包括关节驱动控制器、关节电流传感器模块、关节力矩传感器模块；关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。

技术领域

本发明属于机械臂柔顺力控制领域，涉及到一种机械臂关节作用力传感和控制装置。

背景技术

柔顺性控制分为被动柔顺和主动柔顺。被动柔顺主要是设计特殊的机构使机器人能够进行依从运动，不具有通用性。主动柔顺是机器人通过反馈信息处理控制机器人末端主动跟踪位置和力，具有一定的智能性。机器人主动柔顺控制是机器人控制技术中的难点，目前在实际应用中仅有少数的机器人在与环境接触中具有非常有限的主动柔顺能力。关节力矩传感器是机械臂柔性关节的重要传感元件。关节力矩传感器不仅为实现机械臂柔顺控制提供力感信息，而且可以用于关节的基于力矩反馈的位置控制。基于力矩反馈的位置控制系统对于提高低刚度的关节机器人的位置响应带宽和改善控制品质具有非常重要的作用。各国都对机器人力/力矩传感器进行了大量的研究，设计出了很多种结构形式的力矩传感器。

现有的关节力矩传感器主要通过多组应变片的成对组合构建半桥电路和惠更斯全桥电路，以达到提高测量精度并减小零漂和温漂的目的，但未涉及力矩传感器数据的有效性判定。而采用电流检测实现机械臂关节力矩控制，受到驱动电流噪声和跳变的影响，容易产生误判。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置，解决了机械臂在人机交互操作过程中受到外加作用力下机械臂关节主动力控的问题。

本发明的技术方案是：一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制装置，包括关节驱动控制器、关节电流传感器模块、关节力矩传感器模块；关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。

所述关节力矩传感器模块包括内环、外环、N个弹性梁和N组力矩传感器；弹性梁连接内环和外环，力矩传感器放置于弹性梁上，每个弹性梁对应一组力矩传感器；内环与本机械臂关节的关节电机输出轴固定，外环连接下一个机械臂关节；力矩传感器的导线通过位于内圆中心的中孔穿过结构件和关节输出轴接入关节驱动控制器；N为大于3的正整数。

所述力矩传感器由一对应变电阻对称分布在对应的弹性梁的两侧。

所述关节力矩传感器为三组，三组力矩传感器所在的弹性梁夹角成120°圆周分布。

所述内环、外环和N个弹性梁一体成型，材料选用铝合金。

一种基于电流力矩混合传感的机械臂关节柔性控制方法，步骤如下：

1)关节电流传感器模块采集关节电机三相电流，当三相电流发生变化时，关节力矩传感器模块开始采集力矩数据，并送至关节驱动控制器；

2)关节驱动控制器根据力矩数据判断关节是否受到外力作用；

3)当判断受到外力作用时，关节电流传感器模块采集关节电机驱动电路的功率电流，关节驱动控制器根据采集到的关节电机驱动电路的功率电流计算获得计算机械臂关节的运动角度，并控制机械臂关节运动。

所述判断三相电流发生变化的判据是：变化量大于10％或者大于10mA。