一种基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法及系统与流程

本发明涉及机器人控制技术领域，更具体地说，涉及一种基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法及系统。

背景技术：

早期的工业机器人力控制传感器一般采用六维力/力矩传感器，这种传感方式的力控制力检测精度高，控制方法简单，适用于机器人装配、打磨等应用场合。但由于六维力/力矩传感器安装在机器人末端法兰，往往不能满足对各个连杆的碰撞保护检测，且传感器价格昂贵，限制了其应用的推广。近年来，随着技术的进步，采用关节转矩传感器的力控制方式得到越来越多的应用，这种传感方式将关节转矩传感器安装在关节位置，可以检测机器人任意位置与外部环境发生的碰撞。但关节传动机构自身具有柔性，关节转矩传感器的安装又增加了关节的柔性，当机器人进行运动控制时，柔性的增加使机器人的关节位置控制精度降低，进而影响整个机器人的位置控制精度，甚至不能有效跟随给定轨迹，使机器人性能出现明显下降。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法及系统中，用以解决现有技术的不足，通过关节转矩传感器实现机器人的力控制和力保护，通过双编码器检测机器人运动控制和力控制过程中的关节柔性形变，并将其补偿到机器人的控制量中，提高机器人运动控制和力控制时的关节控制精度，进而提高整个机器人的轨迹精度。

本发明解决上述技术问题，提供如下解决的技术方案：

一种基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统，该系统包括电机、编码器、转矩传感器和减速器，其中，所述电机为机器人的执行单元，用于实现机器人的关节控制，所述编码器包括与电机相连接且用于测量机器人关节处电机旋转角度的电机编码器、与转矩传感器相连接且用于测量转矩传感器输出角度的输出编码器；所述转矩传感器设置在减速器的输出端，用于测量机器人关节处的转矩；所述减速器设置在电机和输出编码器之间，用于控制减速电机旋转；所述输出编码器设置在转矩传感器的输出端，所述电机编码器设置在电机的输出端，所述电机的另一端与减速器相连接。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统中，所述转矩传感器采用关节转矩传感器，用于测量机器人关节处的关节转矩，用于机器人力控制和力保护。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统中，所述减速器采用谐波减速器，其中，关节转矩传感器与谐波减速器之间采用齿口配和，螺栓连接。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统中，所述输出编码器的基板与电机的外壳连接固定，所述电机控制器与机器人控制器相连接。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统中，所述输出编码器的脉冲发生器与关节转矩传感器相连接，实现编码器的转动。

本发明还包括一种基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法，该方法包括如下步骤：

s1、通过电机编码器和输出编码器分别采集测量的电机旋转角度θ1和测量关节转矩传感器的输出角度θ2；

s2、所述电机编码器测量的电机旋转角度θ1和输出编码器测量关节转矩传感器的输出角度θ2通过第一公式计算得出所述电机编码器和输出编码器的角度差，即关节柔性形变量δθ；

s3、所述电机编码器测量的电机旋转角度θ1、关节柔性形变量δθ和机器人控制器的角度给定端输入量θd通过第二公式计算出控制输入量θ；

s4、所述控制输入量θ通过输入电机控制器，便于电机控制器控制电机的旋转角度。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法中，所述第一公式为计算电机编码器和输出编码器的角度差得到关节柔性形变量δθ＝kθ2-θ1，其中，k为减速器的减速比。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法中，所述第二公式为计算输入电机控制器的控制输入量θ＝θd-δθ-θ1。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法中，通过所述电机编码器和输出编码器的角度差，用于测量电机、减速器、关节转矩传感器在整个传动环节的柔性形变量，通过将该柔性形变量补偿到机器人控制器的控制量中，提高机器人关节和轨迹的控制精度。

实施本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法及系统，具有以下有益效果：针对机器人运动控制与力控制(包括力保护)过程中的关节柔性形变，设计一种基于关节转矩传感器和双编码器的补偿算法和装置，其能够测量关节柔性形变并补偿到关节控制量中，提高机器人关节控制和轨迹控制精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统结构示意图；

图2为本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统工作流程图；

图3为本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法流程示意图；

其中，附图包括：100、机器人控制器，200、电机控制器，300、电机，400、电机编码器，500、关节转矩传感器，600、输出编码器，700、减速器，800、外壳。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

如图1所示，为本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统结构示意图。一种基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统，该系统包括电机300、编码器、转矩传感器500和减速器700，其中，所述电机300为机器人的执行单元，用于实现机器人的关节控制，所述编码器包括与电机300相连接且用于测量机器人关节处电机旋转角度的电机编码器400、与转矩传感器500相连接且用于测量转矩传感器500输出角度的输出编码器600；所述转矩传感器500设置在减速器700的输出端，用于测量机器人关节处的转矩；所述减速器700设置在电机300和输出编码器600之间，用于控制减速电机300旋转；所述输出编码器600设置在转矩传感器500的输出端，所述电机编码器400设置在电机300的输出端，所述电机300的另一端与减速器700相连接。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统中，所述转矩传感器采用关节转矩传感器500，用于测量机器人关节处的关节转矩，用于机器人力控制和力保护。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统中，所述减速器700采用谐波减速机，其中，关节转矩传感器500与谐波减速机之间采用齿口配和，螺栓连接，所述电机控制器200与机器人控制器100相连接。。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统中，所述输出编码器600的基板与电机300的外壳800连接固定。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统中，所述输出编码器600的脉冲发生器与关节转矩传感器500相连接，实现编码器的转动。

如图2所示，为本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制系统工作流程图。其中，在本发明的具体实施例中，整个系统的工作流程为：

1、机器人控制器100根据应用作业需求，进行轨迹规划得到每个周期的给定角度θd，并将其发送给电机控制器200；

2、电机控制器200得到机器人控制器100的输入量θd后，一方面由θ1反馈进行位置闭环控制；

3、电机控制器200另一方面进行由δθ反馈的关节柔性形变的补偿控制，提高位置控制精度。

优选的，θd为角度给定端的输入量，由机器人控制器100根据应用作业需求进行轨迹规划得到。

如图3所示，为本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法流程示意图；本发明的一种基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法中，该方法包括如下步骤：

s1、通过电机编码器400和输出编码器600分别采集测量的电机300旋转角度θ1和测量关节转矩传感器500的输出角度θ2；

s2、所述电机编码器400测量的电机300旋转角度θ1和输出编码器600测量关节转矩传感器500的输出角度θ2通过第一公式计算得出所述电机编码器400和输出编码器600的角度差，即关节柔性形变量δθ；

s3、所述电机编码器400测量的电机300旋转角度θ1、关节柔性形变量δθ和角度给定端的输入量θd通过第二公式计算出控制输入量θ；

s4、所述控制输入量θ输入电机控制器200，便于电机控制器200控制电机300的旋转角度。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法中，所述第一公式为计算电机编码器400和输出编码器600的角度差得到关节柔性形变量δθ＝kθ2-θ1，其中，k为减速器的减速比，θ1为电机编码器400测量的电机300旋转角度，θ2为输出编码器600测量的输出角度，δθ为电机编码器400和输出编码器600测出的关节柔性形变量，k为减速器的减速比。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法中，所述第二公式为计算输入电机控制器200的控制输入量θ＝θd-δθ-θ1，其中，θd为给定角度，θ1为电机编码器400测量的电机300旋转角度，δθ为两个编码器测出的关节柔性形变。

进一步的，测量出关节形变δθ，将其反馈到角度给定输入θd端，可以实现关节柔性形变的补偿，提高关节控制和机器人轨迹控制的精度。

在本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法中，通过所述电机编码器400和输出编码器600的角度差，用于测量电机300、减速器700、关节转矩传感器500在整个传动环节的柔性形变量，通过将该柔性形变量补偿到机器人控制器100的控制量中，提高机器人关节和轨迹的控制精度。

与现有技术相比，实施本发明的基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法及系统，具有以下有益效果：针对机器人运动控制与力控制(包括力保护)过程中的关节柔性形变，设计一种基于关节转矩传感器和双编码器的补偿算法和装置，其能够测量关节柔性形变并补偿到关节控制量中，提高机器人关节控制和轨迹控制精度。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。