CN115139289B - 一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法，它涉及机器人的机械***设计领域。本发明为解决现有机器人力和位置感知环节中，测量单元成本高、占用空间大、供电消耗增多、降低控制稳定性的问题。测量装置包括驱动机构、横向移动机构、传动机构、连接轴、视觉测量单元和拉伸弹簧，驱动机构固接在关节壳体上，驱动机构的输出端与横向移动机构连接，横向移动机构的执行端与拉伸弹簧的一端固接，拉伸弹簧的另一端通过传动机构与连接轴连接，连接轴与关节执行端固接，视觉测量单元朝向拉伸弹簧设置。测量方法包括获取弹簧变化量；测量关节执行端的转动数值。本发明用于力位融合测量。
Description
技术领域
本发明涉及机器人的机械***设计领域，具体涉及一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，对机器人与环境进行复杂交互的能力提出了更高的要求。机器人能够快速且可靠地对目标完成操纵的能力其在航天、制造业、仓储、智慧医疗、机器人服务业等领域都有至关重要的作用。机器人对目标的操纵离不开力和位置的感知，传统方案往往是在机器人的各个关节和末端安装位置传感器和力传感器。然而，机器人往往具备很多个关节，这就需要购买同等数量的位置传感器和力传感器，这会带来很高的成本；另一方面，这些传感器的安装与走线方式需要额外进行机构设计、供电消耗也会增大，而且会增加整个控制***的复杂性。因此急需一种全新的测量机器人关节力和位置的新方法与装置。
发明内容
本发明为了解决现有机器人力和位置感知环节中，测量单元成本高、占用空间大、供电消耗增多、降低控制稳定性的问题，进而提出一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于视觉的力位融合测量控制装置包括驱动机构、横向移动机构、传动机构、连接轴、视觉测量单元和拉伸弹簧，驱动机构固接在关节壳体上，驱动机构的输出端与横向移动机构连接，横向移动机构的执行端与拉伸弹簧的一端固接，拉伸弹簧的另一端通过传动机构与连接轴连接，连接轴与关节执行端固接，视觉测量单元朝向拉伸弹簧设置。
进一步地，所述驱动机构包括驱动电机和减速机，驱动电机的电机轴与减速机的输入轴连接，减速机的输出轴与横向移动机构连接。
进一步地，所述横向移动机构包括导轨、螺杆和螺母，导轨固接在关节壳体上，螺杆与导轨并列平行设置，螺杆的一端与驱动机构的输出端连接，螺母旋装在螺杆上，且螺母的一侧套装在导轨的外侧，拉伸弹簧的一端与螺母的外侧固接。
进一步地，所述传动机构包括绳索和扭矩传导轮，扭矩传导轮固接在连接轴的外侧壁上，绳索的一端与拉伸弹簧的另一端固接，绳索的另一端与扭矩传导轮的外圆周侧壁固接。
进一步地，所述视觉测量单元通过连接支架固接在关节壳体上，连接支架包括固定架、连接座和转动机构，固定架的一端与关节壳体固接，固定架的另一端通过转动机构与连接座的一端固接，视觉测量单元固接在连接座的另一端上。
进一步地，所述转动机构包括两个转轴、两个固定耳板和两个转动耳板，固定耳板垂直固接在固定架另一端的两侧，转动耳板垂直固接在连接座一端的两侧，且两个转动耳板设置在两个固定耳板之间，固定耳板与相邻的转动耳板之间通过转轴转动连接。
一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法包括如下步骤：
步骤一：获取弹簧变化量：驱动电机通过减速机带动螺杆转动，螺母沿导轨滑动带动绳索，绳索拉动关节执行端转动，通过视觉测量单元观测拉伸弹簧的位置变化；
步骤二：测量关节执行端的转动数值：根据拉伸弹簧的伸长量计算出关节力矩，根据拉伸弹簧尾端相对于初始时刻移动的距离计算出关节角度，根据拉伸弹簧首端相对于初始时刻移动的距离计算出电机转动角度。
进一步地，所述步骤二中，关节力矩的测量方法包括如下步骤：
关节力矩测量第一步：在绳索的一端安装有拉伸弹簧，通过视觉测量单元观测拉伸弹簧的伸长量VL；
关节力矩测量第二步：拉伸弹簧的刚度k为已知量，由于拉伸弹簧与绳索相连，所以拉伸弹簧受到的力Fk与绳索受到的拉力Fl相等，计算公式如下：
Fl＝Fk＝k·VL (1)
关节力矩测量第三步：绳索受到拉力Fl时，会带动扭矩传导轮转动，已知扭矩传导轮的半径为r，则关节扭矩τ的计算公式为：
τ＝Fl·r (2)
进一步地，所述步骤二中，关节角度的测量方法包括如下步骤：
关节角度测量第一步：拉伸弹簧与绳索连接的这一端记为拉伸弹簧的尾端，在初始时刻t0，通过视觉测量单元测量到拉伸弹簧尾端相对于世界坐标系的位置x0；
关节角度测量第二步：在关节转动角度θ后，此时处于t1时刻，用视觉测量单元测量到拉伸弹簧尾端相对于世界坐标系的位置x1；
关节角度测量第三步：由于绳索与拉伸弹簧尾端相连，绳索的长度为固定值，所以拉伸弹簧尾端移动的距离就是绳索带动扭矩传导轮上转动的距离，拉伸弹簧尾端在t0～t1过程中移动的距离为x1-x0，那么关节角度θ与x1-x0的关系为：
x1-x0＝θ·r (3)
其中r为扭矩传导轮的半径，通过变换可以得到关节角度的计算公式为：
进一步地，所述步骤二中，电机转动角度的测量方法包括如下步骤：
电机转动角度测量第一步：拉伸弹簧与螺母固连的这一端记为拉伸弹簧的首端，在初始时刻t0，通过视觉测量单元测量到拉伸弹簧首端相对于世界坐标系的位置y0；
电机转动角度测量第二步：在关节转动角度θ后，此时处于t1时刻，用视觉测量单元测量到拉伸弹簧首端相对于世界坐标系的位置y1；
电机转动角度测量第三步：由于螺母与拉伸弹簧首端相连，所以拉伸弹簧首端移动的距离就是螺母在螺杆上移动的距离，拉伸弹簧首端在t0～t1过程中移动的距离为y1-y0，已知螺杆的行程为转一圈移动距离为l，电机的减速比为n:1，那么可以推导出电机转动角度φ为
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
本发明针对肌腱传动式的机器人***，提出一种新的测量装置。首先在肌腱与电机之间串联一个拉伸弹簧，然后通过视觉来测量弹簧的形变量来计算绳子拉力，继而得到相应的关节扭矩。同时，视觉可以测量与弹簧顶端(与肌腱相连的一端)相对初始时刻的位移，通过换算可以得到关节转动角度；这种基于视觉测量的新设计方法仅需一个相机就可以得到多个关节扭矩和角度，从而省去手指的角度传感器、力矩传感器等器件，节省机构成本，缩小机构体积。
本发明使用相机观测每个T型螺杆上拉伸弹簧的形变量来计算绳子拉力，从而得到每个关节扭矩和位置。这种方案仅使用一个相机就可以替换掉很多组力(或力矩)传感器以及角度传感器才能观测到的力和位置信息。因此它可以解决传统方案中测量单元成本高、电路连接复杂、耗电功率增加、控制复杂性增大的问题。
附图说明
图1是本发明整体结构的主视图；
图2是本发明整体结构的侧视图；
图3是本发明整体结构的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于视觉的力位融合测量控制装置包括驱动机构、横向移动机构、传动机构、连接轴8、视觉测量单元10和拉伸弹簧12，驱动机构固接在关节壳体9上，驱动机构的输出端与横向移动机构连接，横向移动机构的执行端与拉伸弹簧12的一端固接，拉伸弹簧12的另一端通过传动机构与连接轴8连接，连接轴8与关节执行端固接，视觉测量单元10朝向拉伸弹簧12设置。
所述绳索6为dyneema绳，扭矩传导轮7的材质为铝合金，连接轴8的材质为45号钢，拉伸弹簧12的材质为弹簧钢。
所述视觉测量单元10为相机。相机可采用水星MERCURY系列相机，如MER-131-210U3M/C，相机镜头可采用HN-2M系列定焦镜头，如HN-0612-2M-C1/2X。
通过视觉测量单元10对拉伸弹簧12进行观测，多个关节执行端的测量装置可采用并列的形式设置，即多个拉伸弹簧12并列，通过一个视觉测量单元10同时对多个拉伸弹簧12进行观测，进而实现多个关节执行端的测量。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述驱动机构包括驱动电机1和减速机2，驱动电机1的电机轴与减速机2的输入轴连接，减速机2的输出轴与横向移动机构连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述横向移动机构包括导轨3、螺杆4和螺母5，导轨3固接在关节壳体9上，螺杆4与导轨3并列平行设置，螺杆4的一端与驱动机构的输出端连接，螺母5旋装在螺杆4上，且螺母5的一侧套装在导轨3的外侧，拉伸弹簧12的一端与螺母5的外侧固接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。
所述螺杆4为T型螺杆，螺母5为T型螺母。
具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述传动机构包括绳索6和扭矩传导轮7，扭矩传导轮7固接在连接轴8的外侧壁上，绳索6的一端与拉伸弹簧12的另一端固接，绳索6的另一端与扭矩传导轮7的外圆周侧壁固接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述视觉测量单元10通过连接支架11固接在关节壳体9上，连接支架11包括固定架11-1、连接座11-2和转动机构，固定架11-1的一端与关节壳体9固接，固定架11-1的另一端通过转动机构与连接座11-2的一端固接，视觉测量单元10固接在连接座11-2的另一端上。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述转动机构包括两个转轴11-3、两个固定耳板11-4和两个转动耳板11-5，固定耳板11-4垂直固接在固定架11-1另一端的两侧，转动耳板11-5垂直固接在连接座11-2一端的两侧，且两个转动耳板11-5设置在两个固定耳板11-4之间，固定耳板11-4与相邻的转动耳板11-5之间通过转轴11-3转动连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法包括如下步骤：
步骤一：获取弹簧变化量：驱动电机1通过减速机2带动螺杆4转动，螺母5沿导轨3滑动带动绳索6，绳索6拉动关节执行端转动，通过视觉测量单元10观测拉伸弹簧12的位置变化；
步骤二：测量关节执行端的转动数值：根据拉伸弹簧12的伸长量计算出关节力矩，根据拉伸弹簧12尾端相对于初始时刻移动的距离计算出关节角度，根据拉伸弹簧12首端相对于初始时刻移动的距离计算出电机转动角度。
采用所述测量方法除了测关节扭矩外，还可以记录弹簧首尾两端运动过程中的位移量，这可以得到传统方案依靠电机编码器和关节处角度编码器才能获取的位置信息。
具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，关节力矩的测量方法包括如下步骤：
关节力矩测量第一步：在绳索6的一端安装有拉伸弹簧12，通过视觉测量单元10观测拉伸弹簧12的伸长量VL；
关节力矩测量第二步：拉伸弹簧12的刚度k为已知量，由于拉伸弹簧12与绳索6相连，所以拉伸弹簧12受到的力Fk与绳索6受到的拉力Fl相等，计算公式如下：
Fl＝Fk＝k·VL (1)
关节力矩测量第三步：绳索6受到拉力Fl时，会带动扭矩传导轮7转动，已知扭矩传导轮7的半径为r，则关节扭矩τ的计算公式为：
τ＝Fl·r (2)
本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式七相同。
如此设计以实现提供关节力矩传感器的功能。
具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，关节角度的测量方法包括如下步骤：
关节角度测量第一步：拉伸弹簧12与绳索6连接的这一端记为拉伸弹簧12的尾端，在初始时刻t0，通过视觉测量单元10测量到拉伸弹簧12尾端相对于世界坐标系的位置x0；
关节角度测量第二步：在关节转动角度θ后，此时处于t1时刻，用视觉测量单元10测量到拉伸弹簧12尾端相对于世界坐标系的位置x1；
关节角度测量第三步：由于绳索6与拉伸弹簧12尾端相连，绳索6的长度为固定值，所以拉伸弹簧12尾端移动的距离就是绳索6带动扭矩传导轮7上转动的距离，拉伸弹簧12尾端在t0～t1过程中移动的距离为x1-x0，那么关节角度θ与x1-x0的关系为：
x1-x0＝θ·r (3)
其中r为扭矩传导轮7的半径，通过变换可以得到关节角度的计算公式为：
本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式七相同。
如此设计以实现提供关节角度编码器的功能。
具体实施方式十：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述步骤二中，电机转动角度的测量方法包括如下步骤：
电机转动角度测量第一步：拉伸弹簧12与螺母5固连的这一端记为拉伸弹簧12的首端，在初始时刻t0，通过视觉测量单元10测量到拉伸弹簧12首端相对于世界坐标系的位置y0；
电机转动角度测量第二步：在关节转动角度θ后，此时处于t1时刻，用视觉测量单元10测量到拉伸弹簧12首端相对于世界坐标系的位置y1；
电机转动角度测量第三步：由于螺母5与拉伸弹簧12首端相连，所以拉伸弹簧12首端移动的距离就是螺母5在螺杆4上移动的距离，拉伸弹簧12首端在t0～t1过程中移动的距离为y1-y0，已知螺杆4的行程为转一圈移动距离为l，电机的减速比为n:1，那么可以推导出电机转动角度φ为
本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式七相同。
如此设计以实现提供电机编码器的功能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法，所述基于视觉的力位融合测量控制装置包括驱动机构、横向移动机构、传动机构、连接轴(8)、视觉测量单元(10)和拉伸弹簧(12)，驱动机构固接在关节壳体(9)上，驱动机构的输出端与横向移动机构连接，横向移动机构的执行端与拉伸弹簧(12)的一端固接，拉伸弹簧(12)的另一端通过传动机构与连接轴(8)连接，连接轴(8)与关节执行端固接，视觉测量单元(10)朝向拉伸弹簧(12)设置；所述驱动机构包括驱动电机(1)和减速机(2)，驱动电机(1)的电机轴与减速机(2)的输入轴连接，减速机(2)的输出轴与横向移动机构连接；所述横向移动机构包括导轨(3)、螺杆(4)和螺母(5)，导轨(3)固接在关节壳体(9)上，螺杆(4)与导轨(3)并列平行设置，螺杆(4)的一端与驱动机构的输出端连接，螺母(5)旋装在螺杆(4)上，且螺母(5)的一侧套装在导轨(3)的外侧，拉伸弹簧(12)的一端与螺母(5)的外侧固接；所述传动机构包括绳索(6)和扭矩传导轮(7)，扭矩传导轮(7)固接在连接轴(8)的外侧壁上，绳索(6)的一端与拉伸弹簧(12)的另一端固接，绳索(6)的另一端与扭矩传导轮(7)的外圆周侧壁固接；所述视觉测量单元(10)通过连接支架(11)固接在关节壳体(9)上，连接支架(11)包括固定架(11-1)、连接座(11-2)和转动机构，固定架(11-1)的一端与关节壳体(9)固接，固定架(11-1)的另一端通过转动机构与连接座(11-2)的一端固接，视觉测量单元(10)固接在连接座(11-2)的另一端上；所述转动机构包括两个转轴(11-3)、两个固定耳板(11-4)和两个转动耳板(11-5)，固定耳板(11-4)垂直固接在固定架(11-1)另一端的两侧，转动耳板(11-5)垂直固接在连接座(11-2)一端的两侧，且两个转动耳板(11-5)设置在两个固定耳板(11-4)之间，固定耳板(11-4)与相邻的转动耳板(11-5)之间通过转轴(11-3)转动连接；
其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一：获取弹簧变化量：驱动电机(1)通过减速机(2)带动螺杆(4)转动，螺母(5)沿导轨(3)滑动带动绳索(6)，绳索(6)拉动关节执行端转动，通过视觉测量单元(10)观测拉伸弹簧(12)的位置变化；
步骤二：测量关节执行端的转动数值：根据拉伸弹簧(12)的伸长量计算出关节力矩，根据拉伸弹簧(12)尾端相对于初始时刻移动的距离计算出关节角度，根据拉伸弹簧(12)首端相对于初始时刻移动的距离计算出电机转动角度。
2.根据权利要求1所述一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法，其特征在于：所述步骤二中，关节力矩的测量方法包括如下步骤：
关节力矩测量第一步：在绳索(6)的一端安装有拉伸弹簧(12)，通过视觉测量单元(10)观测拉伸弹簧(12)的伸长量VL；
关节力矩测量第二步：拉伸弹簧(12)的刚度k为已知量，由于拉伸弹簧(12)与绳索(6)相连，所以拉伸弹簧(12)受到的力Fk与绳索(6)受到的拉力Fl相等，计算公式如下：
Fl＝Fk＝k·VL (1)
关节力矩测量第三步：绳索(6)受到拉力Fl时，会带动扭矩传导轮(7)转动，已知扭矩传导轮(7)的半径为r，则关节扭矩τ的计算公式为：
τ＝Fl·r (2)。
3.根据权利要求1所述一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法，其特征在于：所述步骤二中，关节角度的测量方法包括如下步骤：
关节角度测量第一步：拉伸弹簧(12)与绳索(6)连接的这一端记为拉伸弹簧(12)的尾端，在初始时刻t0，通过视觉测量单元(10)测量到拉伸弹簧(12)尾端相对于世界坐标系的位置x0；
关节角度测量第二步：在关节转动角度θ后，此时处于t1时刻，用视觉测量单元(10)测量到拉伸弹簧(12)尾端相对于世界坐标系的位置x1；
关节角度测量第三步：由于绳索(6)与拉伸弹簧(12)尾端相连，绳索(6)的长度为固定值，所以拉伸弹簧(12)尾端移动的距离就是绳索(6)带动扭矩传导轮(7)上转动的距离，拉伸弹簧(12)尾端在t0～t1过程中移动的距离为x1-x0，那么关节角度θ与x1-x0的关系为：
x1-x0＝θ·r (3)
其中r为扭矩传导轮(7)的半径，通过变换可以得到关节角度的计算公式为：
4.根据权利要求1所述一种基于视觉的力位融合测量控制装置的测量方法，其特征在于：所述步骤二中，电机转动角度的测量方法包括如下步骤：
电机转动角度测量第一步：拉伸弹簧(12)与螺母(5)固连的这一端记为拉伸弹簧(12)的首端，在初始时刻t0，通过视觉测量单元(10)测量到拉伸弹簧(12)首端相对于世界坐标系的位置y0；
电机转动角度测量第二步：在关节转动角度θ后，此时处于t1时刻，用视觉测量单元(10)测量到拉伸弹簧(12)首端相对于世界坐标系的位置y1；
电机转动角度测量第三步：由于螺母(5)与拉伸弹簧(12)首端相连，所以拉伸弹簧(12)首端移动的距离就是螺母(5)在螺杆(4)上移动的距离，拉伸弹簧(12)首端在t0～t1过程中移动的距离为y1-y0，已知螺杆(4)的行程为转一圈移动距离为l，电机的减速比为n:1，那么可以推导出电机转动角度φ为
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