一种四自由度巡检机械臂及其控制系统、控制方法与流程

本发明涉及空间机器人控制领域，具体涉及一种四自由度巡检机械臂及其控制系统、控制方法。

背景技术：

随着我国航天事业的快速发展，对空间机械臂的需求不断增多。根据安装位置的不同，可将空间机械臂分为舱内机械臂和舱外机械臂两类。舱内机械臂大多服务于航天器内部装备的抓取、维护和更换等任务，工作范围和形体尺寸都比较小，操作灵活。舱外机械臂主要用于航天器的组装、维修和燃料补给，以及空间探测和空间实验等工作，根据作用对象和任务需求的不同，其构型也有较大的差异，自由度数从五、六个到数十个不等，臂长跨越几米至十几米。

空间机械臂是涉及多个学科、多种技术的复杂系统，在其可靠性、寿命等工作性能方面的要求越来越高，根据实验目的的不同，需要的控制精度也日臻提高。空间机械臂在工作过程中，需要大量时间来抑制振动，特别是在太空条件下，无空气阻尼，其结构的扰动难以控制。因此，空间机械臂各个关节的精确位置和力矩控制是一个具有挑战性的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种四自由度巡检机械臂及其控制系统、控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种四自由度巡检机械臂，安装在载荷中心框架顶端；包括图像采集装置、伸缩臂、第一转动关节、第二转动关节和直线驱动臂，所述伸缩臂水平布置且其一端通过第一转动关节转动连接在所述载荷中心框架顶端，所述伸缩臂的另一端通过第二转动关节与所述直线驱动臂的上端垂直转动连接；所述图像采集装置滑动连接在所述直线驱动臂上并在所述直线驱动臂的驱动下上下移动。

本发明的有益效果是：本发明的巡航机械臂，将周向转动和直线运行结合起来，可以实现巡检运动空间遍历无死角，并使之在其工作范围内快速、准确的到达预设位置，并能够稳定的保持在目标位置，再通过末端携带的图像采集装置进行拍照或录像。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述第一转动关节包括第一电机、减速器、转接盘和记录减速器末端速度和位置的第一圆光栅编码器，所述第一电机固定安装在所述载荷中心框架顶端，所述第一电机的电机轴与所述减速器同轴固定连接，所述减速器的输出轴与所述转接盘同轴固定连接，所述第一圆光栅编码器固定在所述转接盘的下端。

采用上述进一步方案的有益效果是：可通过圆光栅编码器实现转接盘速度和位置反馈，采用电机和减速器配合的结构，可提高旋转精度并增大输出力矩。

进一步，所述第一转动关节还包括外壳和基座，所述基座水平套设在所述第一电机上方并固定在所述载荷中心框架顶端，所述第一电机的电机轴从所述基座上方穿出；所述外壳呈筒状并同轴套设在所述减速器外，所述外壳的下端固定在所述基座上，所述外壳上端形成一用于容纳所述转接盘的台阶；所述第一圆光栅编码器的圆光栅尺固定在所述转接盘的下端，其光栅读数头固定在所述台阶上。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置外壳和基座，使减速器和电机的连接更加紧密稳定。

进一步，所述第一转动关节还包括第一轴承，所述第一轴承的外圈同轴固定在所述外壳内的内壁上，所述第一轴承的内圈同轴固定在所述减速器的输出轴上；所述减速器的输出轴通过所述第一轴承与所述外壳同轴转动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置第一轴承，可有效提高减速器输出轴径向的稳定性。

进一步，所述转接盘的中心开设有一通孔，所述通孔的内壁向内延伸形成一环形凸台，所述减速器的输出轴向上适配穿设在所述通孔内并通过定位销固定在所述环形凸台的下表面上。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过在转接盘中心开设一通孔，并在通孔内壁形成一环形凸台，可有效保证转接盘和减速器输出轴的同心度。

进一步，所述减速器为谐波传动减速器。

进一步，所述伸缩臂包括驱动段、移动段和记录所述移动段水平移动位移的第一直线光栅编码器，所述驱动段固定在所述转接盘上，所述移动段同轴套设在所述驱动段上并可在所述驱动段的驱动下直线移动，所述移动段远离所述驱动段的一端与所述第二转动关节外壁固定连接；所述第一直线光栅编码器的直线光栅尺沿所述移动段的移动方向贴在所述移动段上，其光栅读数头固定在所述驱动段上。

采用上述进一步方案的有益效果是：伸缩臂采用驱动段和移动段相结合的方式，可实现水平方向上的直线移动，并可根据需要调整驱动段和移动段的长度，可满足任何需要到达的工作位置。

进一步，所述驱动段包括第二电机、第一丝杠和定位壳体，所述第二电机的输出轴与所述第一丝杠的一端固定连接，所述第二电机固定在所述定位壳体的一端；

所述移动段包括第一丝杠螺母和套筒，所述第一丝杠螺母螺纹连接在所述第一丝杠上，所述第一丝杠螺母远离所述第二电机的一端与所述套筒的一端固定连接，所述套筒套设在所述第一丝杠上并位于所述定位壳体的内侧；

所述第一丝杠在第二电机的驱动下转动，并驱动所述第一丝杠螺母推动所述套筒沿所述定位壳体直线移动。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用丝杠和丝杠螺母配合的方式实现直线位移的改变，结构简单，行程容易控制。

进一步，所述定位壳体远离所述第二电机的一端固定有导向限位件，所述套筒的两端各固定有一个限位块，所述套筒上固定有沿其长度方向布置的第一直线导轨；所述导向限位件滑动连接在所述第一直线导轨上。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置导向限位件、限位块以及第一直线导轨，防止套筒在第一直线导轨上滑出有效范围。

进一步，所述第二电机上固定有防尘盖，所述防尘盖套设在所述第一丝杠靠近所述第二电机的一段上且其内壁通过第二轴承与所述第一丝杠转动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置防尘盖，并在防尘盖内设置第二轴承，使第一丝杠的周向运动更加灵活方便。

进一步，所述第一丝杠远离所述第二电机的一端套设有滚珠轴套，所述滚轴轴套与所述套筒的内壁滚动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过在第一丝杠远离第二电机的一端套设滚珠轴套，滚珠轴套与外部套筒配合，既可以对第一丝杠末端起到支撑作用，又可以使第一丝杠实现在套筒内进行旋转和轴向两个自由度的相对运动。

进一步，所述第二转动关节包括竖直布置的涡轮、与所述涡轮外齿相啮合的蜗杆、机壳、第三电机以及记录涡轮转速和位置的第二圆光栅编码器；所述机壳外侧壁固定在所述伸缩臂远离所述第一转动关节的一端上，所述第三电机固定在所述机壳上，所述第三电机的电机轴与所述蜗杆同轴固定连接，所述涡轮外壁靠近下端的位置通过轴向承载轴承与所述机壳内壁转动连接；所述第二圆光栅编码器的圆光栅尺同轴固定在所述涡轮周侧外壁上，其光栅读数头固定在所述机壳的内壁上；所述涡轮的下端与所述直线驱动臂的上端固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用涡轮蜗杆结合的方式进行周向传动，结构更加灵活，传动更加方便可靠。

进一步，所述直线驱动臂包括第四电机、外壳、第二丝杠、第二丝杠螺母、第二直线导轨以及记录图像采集装置位置的第二直线光栅编码器，所述外壳的上端与所述涡轮下端固定连接，所述第四电机固定在所述外壳的上端并位于所述涡轮内；所述第二直线导轨固定在所述外壳内壁上并竖直布置，所述第二丝杠竖直布置在所述外壳内且其上端与所述第四电机的输出轴同轴固定连接，所述第二丝杠螺母螺纹连接在所述第二丝杠上并滑动连接在所述第二直线导轨上；所述图像采集装置固定在所述丝杠螺母远离所述第二直线导轨的一侧壁上。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用丝杠和丝杠螺母配合的方式对图像采集装置进行竖直方向位置的传动，驱动方式灵活，容易实现。

进一步，所述涡轮上开设有上下贯通的通孔，所述第四电机位于所述通孔内且其输出轴从所述通孔的下端伸出并与所述第二丝杠的上端固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：涡轮采用中空设计，使直线驱动臂的第四电机可以直接穿过涡轮与第二丝杠相连接，最大程度上节省了第二转动关节和直线驱动臂所占用的空间。

进一步，所述外壳上下两端的内侧分别固定有一盖体和一定位块，所述第二丝杠的两端分别通过双向承载轴承和向心轴承与所述盖体的内壁和所述定位块转动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置盖体和定位块，并将丝杠的两端分别通过双向承载轴承和向心轴承连接在盖体和定位块上，提高了丝杠两端的径向定位效果。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：

一种四自由度巡检机械臂的控制系统，用于控制上述技术方案中的巡检机械臂，所述控制系统包括：处理单元、转换单元、编码器接口单元、霍尔接口单元、旋变接口单元、电流采集单元和电机驱动单元，其中：

所述编码器接口单元与所述巡检机械臂连接，用于采集所述巡检机械臂的位置信息；

所述霍尔接口单元和所述旋变接口单元分别与控制所述巡检机械臂运动的电机连接，用于采集所述电机的速度信息；

所述电流采集单元与所述电机连接，用于采集所述电机输出的电流信息；

所述转换单元分别与所述编码器接口单元、所述霍尔接口单元、所述旋变接口单元和所述电流采集单元连接，用于对所述位置信息、所述速度信息和所述电流信息进行格式转换；

所述处理单元分别与上位机和所述转换单元连接，用于与所述上位机进行通讯，并根据格式转换后的所述位置信息、所述速度信息和所述电流信息得到用于控制所述巡检机械臂运动的控制量；

所述转换单元还与所述电机驱动单元连接，用于将所述控制量格式转换后发送给所述电机驱动单元；

所述电机驱动单元与所述电机连接，用于根据格式转换后的所述控制量控制所述电机，使所述巡检机械臂运动。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种四自由度巡检机械臂的控制系统，通过编码器接口单元、霍尔接口单元、旋变接口单元和电流采集单元分别采集控制系统的位置信息、速度信息和电流信息，并据此计算用于控制所述巡检机械臂运动的控制量，根据得到的控制量控制电机，使所述巡检机械臂运动，可以实现对巡检机械臂的灵活控制，响应实时且动态性能好，能够兼容控制直流无刷电机和永磁同步电机，适用范围更广。

该控制系统提供了多种接口单元，具有集成度高、尺寸小、功率密度高、控制灵活、接口丰富、功能多样和智能化的特点，显著地提高了巡检机械臂驱动器的功率密度、集成度和可靠性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述控制系统还包括：连接在所述处理单元与所述上位机之间的至少一个隔离串口单元，用于使所述处理单元与所述上位机进行串口通信。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过隔离串口单元与上位机进行串口通信，能够抗电磁干扰，提高系统的稳定性。并且通过至少一个隔离串口单元与上位机进行串口通信，在隔离串口单元出现故障时，可以及时通过其他的隔离串口单元与与上位机进行串口通信，能够提高系统的稳定性。

进一步，所述控制系统还包括：与所述处理单元连接的温度采集单元，用于采集所述控制系统的温度信息，并所述温度信息超过预设温度时，断开所述控制系统的电源。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过温度采集单元采集控制系统的温度信息，可以在控制系统的温度过高时，及时断开控制系统的电源，提高控制系统的安全性和可靠性。

进一步，所述控制系统还包括：与所述处理单元连接的存储单元，用于存储所述位置信息、所述速度信息和所述电流信息。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过存储单元定时采集位置信息、速度信息和电流信息并存储，可以为人工诊断和设备自检测提供可靠数据。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：

一种四自由度巡检机械臂的控制方法，用于控制上述技术方案中的巡检机械臂，该控制方法包括：

获取巡检机械臂的位置信息，以及控制所述巡检机械臂的电机的速度信息和电流信息；

对所述位置信息、所述速度信息和所述电流信息进行格式转换；

根据格式转换后的所述位置信息、所述速度信息和所述电流信息，判断所述电机是否堵转或工作异常；

若是，则停止所述电机运转；若否，则调用预设控制算法，根据格式转换后的所述位置信息、所述速度信息和所述电流信息计算用于控制所述巡检机械臂运动的控制量；

对所述控制量进行格式转换，根据格式转换后的所述控制量控制所述电机，使所述巡检机械臂运动。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述获取巡检机械臂的位置信息，以及控制所述巡检机械臂的电机的速度信息和电流信息，具体包括：

接收上位机发送的控制指令；

根据所述控制指令获取巡检机械臂的位置信息，以及控制所述巡检机械臂的电机的速度信息和电流信息。

进一步，所述根据处理后的所述位置信息、所述速度信息和所述电流信息计算控制所述巡检机械臂运动的控制量，具体包括：

根据处理后的所述电流信息进行电流环计算，得到电流环计算结果；

根据处理后的所述速度信息进行速度环计算，得到速度环计算结果；

根据处理后的所述位置信息进行位置环计算，得到位置环计算结果；

根据所述电流环计算结果、所述速度环计算结果和所述位置环计算结果得到控制所述巡检机械臂运动的控制量。

进一步，所述控制方法还包括：采集控制所述巡检机械臂的控制系统的温度值，当所述温度值大于预设温度值时，断开所述控制系统的电源。

进一步，所述控制方法还包括：每隔预设的时间间隔获取所述位置信息、所述速度信息和所述电流信息并存储。

附图说明

图1为本发明的四自由度巡检机械臂的立体结构示意图；

图2为本发明的第一转动关节的剖视图；

图3为本发明的伸缩臂的剖视图；

图4为本发明的第二转动关节的剖视图；

图5为本发明的直线驱动臂的立体结构示意图；

图6为本发明的直线驱动臂的俯视结构示意图；

图7为图6的a-a示图；

图8为本发明的带有滚珠轴套的第一丝杠的立体结构示意图；

图9为本发明的四自由度巡检机械臂的控制系统的结构框架图；

图10为本发明的四自由度巡检机械臂的控制系统的结构示意图；

图11为本发明的四自由度巡检机械臂的控制方法的流程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

100、第一转动关节；101、第一电机；102、减速器；103、输出轴；104、转接盘；114、通孔；124、台阶；134、环形凸台；105、第一圆光栅编码器；106、外壳；107、基座；108、第一轴承；

200、伸缩臂；201、第二电机；202、移动段；203、驱动段；204、第一直线光栅编码器；205、第一丝杠；206、定位壳体；207、第一丝杠螺母；208、套筒；209、导向限位件；210、限位块；211、第一直线导轨；212、防尘盖；213、第二轴承；214、滚珠轴套；

300、第二转动关节；301、第三电机；302、涡轮；303、蜗杆；304、机壳；305、第二圆光栅编码器；306、轴向承载轴承；307、抱死机构；308、通孔；

400、直线驱动臂；401、第四电机；402、外壳；403、第二丝杠；404、第二丝杠螺母；405、第二直线导轨；406、盖体；407、定位块；408、双向承载轴承；409、向心轴承；410、第二直线光栅编码器；

500、图像采集装置；501、基座；502、镜头；503、ccd模块；504、光源；505、压电作动器；

600、控制系统；601、处理单元；602、转换单元；603、编码器接口单元；604、霍尔接口单元；605、旋变接口单元；606、电流采集单元；607、电机驱动单元；608、隔离串口单元；609、温度采集单元；610、存储单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图5所示，本实施例的一种四自由度巡检机械臂，安装在载荷中心框架顶端；包括图像采集装置500、伸缩臂200、第一转动关节100、第二转动关节300和直线驱动臂400，所述伸缩臂200水平布置且其一端通过第一转动关节100转动连接在所述载荷中心框架顶端，所述伸缩臂200的另一端通过第二转动关节300与所述直线驱动臂400的上端垂直转动连接；所述图像采集装置500滑动连接在所述直线驱动臂400上并在所述直线驱动臂400的驱动下上下移动。本实施例的巡航机械臂，将周向转动和直线运行结合起来，可以实现巡检运动空间遍历无死角，并使之在其工作范围内快速、准确的到达预设位置，并能够稳定的保持在目标位置，再通过末端携带的图像采集装置进行拍照或录像。

如图2所示，本实施例的所述第一转动关节100包括第一电机101、减速器102、转接盘104和记录减速器102末端速度和位置的第一圆光栅编码器105，所述第一电机101固定安装在所述载荷中心框架顶端，所述第一电机101的电机轴与所述减速器102同轴固定连接，所述减速器102的输出轴103与所述转接盘104同轴固定连接，所述第一圆光栅编码器105固定在所述转接盘104的下端。可通过圆光栅编码器实现转接盘速度和位置反馈，采用电机和减速器配合的结构，可提高旋转精度并增大输出力矩。

如图2所示，本实施例的所述第一转动关节100还包括外壳106和基座107，所述基座107水平套设在所述第一电机101上方并固定在所述载荷中心框架顶端，所述第一电机101的电机轴从所述基座107上方穿出；所述外壳106呈筒状并同轴套设在所述减速器102外，所述外壳106的下端固定在所述基座107上，所述外壳106上端形成一用于容纳所述转接盘104的台阶124；所述第一圆光栅编码器105的圆光栅尺固定在所述转接盘104的下端，其光栅读数头固定在所述台阶124上。通过设置外壳和基座，使减速器和电机的连接更加紧密稳定。

如图2所示，本实施例的所述第一转动关节100还包括第一轴承108，所述第一轴承108的外圈同轴固定在所述外壳106内的内壁上，所述第一轴承108的内圈同轴固定在所述减速器102的输出轴103上；所述减速器102的输出轴103通过所述第一轴承108与所述外壳106同轴转动连接。通过设置第一轴承，可有效提高减速器输出轴径向的稳定性。

如图2所示，本实施例的所述转接盘104的中心开设有一通孔114，所述通孔114的内壁向内延伸形成一环形凸台134，所述减速器102的输出轴103向上适配穿设在所述通孔114内并通过定位销固定在所述环形凸台134的下表面上。通过在转接盘中心开设一通孔，并在通孔内壁形成一环形凸台，可有效保证转接盘和减速器输出轴的同心度。

具体的，本实施例的所述减速器102为谐波传动减速器，本实施例的第一电机101为直流无刷电机，直流无刷电机的电机轴与所述减速器102键连接，动力传输精度较高。另外，本实施例的第一轴承108采用双列角接触球轴承，即减速器102的输出轴103通过双列角接触球轴承与外壳106转动连接，可有效提高减速器输出轴在径向上的稳定性。

如图3所示，本实施例的所述伸缩臂200包括驱动段203、移动段202和记录所述移动段202水平移动位移的第一直线光栅编码器204，所述驱动段203固定在所述转接盘104上，所述移动段202同轴套设在所述驱动段203上并可在所述驱动段203的驱动下直线移动，所述移动段202远离所述驱动段203的一端与所述第二转动关节300外壁固定连接；所述第一直线光栅编码器204的直线光栅尺沿所述移动段202的移动方向贴在所述移动段202上，其光栅读数头固定在所述驱动段203上。伸缩臂采用驱动段和移动段相结合的方式，可实现水平方向上的直线移动，并可根据需要调整驱动段和移动段的长度，可满足任何需要到达的工作位置。

如图3所示，本实施例的所述驱动段203包括第二电机201、第一丝杠205和定位壳体206，所述第二电机201的输出轴与所述第一丝杠205的一端固定连接，所述第二电机201固定在所述定位壳体206的一端；所述移动段202包括第一丝杠螺母207和套筒208，所述第一丝杠螺母207螺纹连接在所述第一丝杠205上，所述第一丝杠螺母207远离所述第二电机201的一端与所述套筒208的一端固定连接，所述套筒208套设在所述第一丝杠205上并位于所述定位壳体206的内侧；所述第一丝杠205在第二电机201的驱动下转动，并驱动所述第一丝杠螺母207推动所述套筒208沿所述定位壳体206直线移动。通过采用丝杠和丝杠螺母配合的方式实现直线位移的改变，结构简单，行程容易控制。

如图3所示，本实施例的所述定位壳体206远离所述第二电机201的一端固定有导向限位件209，所述套筒208的两端各固定有一个限位块210，所述套筒208上固定有沿其长度方向布置的第一直线导轨211；所述导向限位件209滑动连接在所述第一直线导轨211上。通过设置导向限位件、限位块以及第一直线导轨，防止套筒在第一直线导轨上滑出有效范围。

如图3所示，本实施例的所述第二电机201上固定有防尘盖212，所述防尘盖212套设在所述第一丝杠205靠近所述第二电机201的一段上且其内壁通过第二轴承213与所述第一丝杠205转动连接。通过设置防尘盖，并在防尘盖内设置第二轴承，使第一丝杠的周向运动更加灵活方便。

如图3和图8所示，本实施例的所述第一丝杠205远离所述第二电机201的一端套设有滚珠轴套214，所述滚轴轴套214与所述套筒208的内壁滚动连接。通过在第一丝杠远离第二电机的一端套设滚珠轴套，滚珠轴套与外部套筒配合，既可以对第一丝杠末端起到支撑作用，又可以使第一丝杠实现在套筒内进行旋转和轴向两个自由度的相对运动。

其中，所述第一丝杠205一端通过键和第二电机201的电机轴相连接，第二轴承213为角接触球轴承；在第一丝杠205靠近第二电机201的一端由两个背靠背的角接触球轴承保证同心。所述第一直线光栅编码器204的直线光栅尺贴在套筒的下方，其光栅读数头安装在导向限位件209内。

如图4所示，本实施例的所述第二转动关节300包括竖直布置的涡轮302、与所述涡轮302外齿相啮合的蜗杆303、机壳304、第三电机301以及记录涡轮302转速和位置的第二圆光栅编码器305；所述机壳304外侧壁固定在所述伸缩臂200远离所述第一转动关节100的一端上，所述第三电机301固定在所述机壳304上，所述第三电机301的电机轴与所述蜗杆303同轴固定连接，所述涡轮302外壁靠近下端的位置通过轴向承载轴承306与所述机壳304内壁转动连接；所述第二圆光栅编码器305的圆光栅尺同轴固定在所述涡轮302周侧外壁上，其光栅读数头固定在所述机壳304的内壁上；所述涡轮302的下端与所述直线驱动臂400的上端固定连接。通过采用涡轮蜗杆结合的方式进行周向传动，结构更加灵活，传动更加方便可靠。

如图5和图7所示，本实施例的所述直线驱动臂400包括第四电机401、外壳402、第二丝杠403、第二丝杠螺母404、第二直线导轨405以及记录图像采集装置位置的第二直线光栅编码器410，所述外壳402的上端与所述涡轮302下端固定连接，所述第四电机401固定在所述外壳402的上端并位于所述涡轮302内；所述第二直线导轨405固定在所述外壳402内壁上并竖直布置，所述第二丝杠403竖直布置在所述外壳402内且其上端与所述第四电机401的电机轴同轴固定连接，所述第二丝杠螺母404螺纹连接在所述第二丝杠403上并滑动连接在所述第二直线导轨405上；所述图像采集装置500固定在所述第二丝杠螺母404远离所述第二直线导轨405的一侧壁上。通过采用丝杠和丝杠螺母配合的方式对图像采集装置进行竖直方向位置的传动，驱动方式灵活，容易实现。

如图4、图6和图7所示，本实施例的所述涡轮上开设有上下贯通的通孔308，所述第四电机401位于所述通孔308内且其输出轴从所述通孔308的下端伸出并与所述第二丝杠403的上端固定连接。由于涡轮的中心轴线也是竖直布置的，因此涡轮上的通孔实际上与涡轮同轴布设，涡轮采用中空设计，使直线驱动臂的第四电机可以直接穿过涡轮与第二丝杠相连接，最大程度上节省了第二转动关节和直线驱动臂所占用的空间。

如图5所示，本实施例的所述外壳402上下两端的内侧分别固定有一盖体406和一定位块407，所述第二丝杠403的两端分别通过双向承载轴承408和向心轴承409与所述盖体406的内壁和所述定位块407转动连接。通过设置盖体和定位块，并将丝杠的两端分别通过双向承载轴承和向心轴承连接在盖体和定位块上，提高了丝杠两端的径向定位效果。

如图5所示，本实施例的图像采集装置500包括基座501、镜头502、ccd模块503、光源504和压电作动器505，所述基座501固定在所述第二丝杠螺母404上，所述ccd模块503安装在所述基座501的一侧，所述镜头502安装在所述基座501的另一侧，所述光源504和所述压电作动器505安装在所述镜头502上。

本实施例的四自由度巡检机械臂，通过将周向转动和直线运动结合的方式，可以实现地面或者空间应用中载荷设备的巡检观测，该机械臂巡检空间任意可达，结构简单但控制精度高。

如图9所示，为本发明的四自由度巡检机械臂的控制系统600的结构框架图，该控制系统600用于控制上述技术方案中的巡检机械臂，控制系统600包括：处理单元601、转换单元602、编码器接口单元603、霍尔接口单元604、旋变接口单元605、电流采集单元606和电机驱动单元607，处理单元601可以使用dsp(digitalsignalprocess，数字信号处理)芯片，主要用于与上位机进行通信，并对转换单元602发送的各类反馈信息进行处理，对巡检机械臂进行控制，转换单元602可以使用fpga(field－programmablegatearray，现场可编程门阵列)芯片，可以实现编码器接口单元603、旋变接口单元605、霍尔接口单元604的协议转换，将传感器输出的固定格式协议转换成有用的位置信息、速度信息和电流信息，发送给dsp芯片进行控制运算，同时将dsp芯片发送过来的电机控制量转换成pwm信息，并进行驱动控制。

下面对各单元进行详细说明。

编码器接口单元603与巡检机械臂连接，用于采集巡检机械臂的位置信息。例如，可以对巡检机械臂的各转动关节、伸缩臂、驱动臂等结构的位置信息进行采集，可以通过巡检机械臂上的图像采集装置等来确定巡检机械臂某结构的位置信息并采集。

位置信息可以包括巡检机械臂的各关节的角度信息和各臂的位置信息，这些信息参与位置环的控制值运算。

霍尔接口单元604和旋变接口单元605分别与控制巡检机械臂运动的电机连接，用于采集电机的速度信息，电机的速度信息参与速度环的控制运算，其中，霍尔接口单元604是辅助的接口，可以提高系统的安全性。

电流采集单元606与电机连接，用于采集电机输出的电流信息，电流信息参与电流环的控制运算，电流环采用控制励磁电流为零的矢量控制方式。

也就是说，本实施提供的一种控制系统600，通过采用位置、速度、电流三闭环串联的控制结构，三闭环均采用传统的pid控制方法，三环的控制参数可以独立调节，三环控制频率由内至外递减，下面进行详细说明。

电流环作为系统的最内环，实现对励磁电流和转矩电流的跟踪，并对电机反电动势作用、母线电压波动等干扰起到抑制作用。励磁电流分量的期望始终为零，转矩电流分量的期望输入由速度环的输出给定。电流反馈通过电流传感器进行采集。受电流采样速度、逆变器开关频率和控制器计算速度的制约，本系统中设计的电流环控制频率为10khz。

速度环是系统的中间环，实现对速度的快速跟踪，并抑制负载变化及扰动力矩对控制系统600的影响。速度的期望值由位置环的输出给定，反馈值则通过安装在电机上的旋转编码器解码后进行计算得到。速度环的频率受电机响应速度及转速测量精度的限制，本系统中设计的速度环控制频率为1khz。

位置环是系统的最外环，实现对位置的准确控制。位置的期望由主控直接输入，反馈由末端的位置编码器检测得出。位置环的控制频率为1khz。

转换单元602分别与编码器接口单元603、霍尔接口单元604、旋变接口单元605和电流采集单元606连接，用于对位置信息、速度信息和电流信息进行格式转换。

处理单元601分别与上位机和转换单元602连接，用于与上位机进行通讯，并根据格式转换后的位置信息、速度信息和电流信息得到用于控制巡检机械臂运动的控制量。处理单元601在接收到格式转换后的位置信息、速度信息和电流信息后，先对各位置信息、速度信息和电流信息进行修正与标准化，然后再进行下一步的处理。

需要说明的是，处理单元601中预存有控制算法，控制算法在处理单元601的外部中断服务程序中完成，外部中断由转换单元602产生，外部中断产生后，由转换单元602发送给处理单元601，处理单元601在节后到外部中断后，首先通过总线读取转换单元602处理过的位置信息、速度信息和电流信息，并进行修正和标准化处理，然后根据位置信息、速度信息和电流信息判断电机是否堵转或工作异常，如果电机堵转或工作异常，则停止电机运转；如果没有，则继续进行位置环、速度环的控制计算，得到控制量，再中断退出。

处理单元601还具有状态监测、故障自检等功能。

转换单元602还与电机驱动单元607连接，用于将控制量处理后发送给电机驱动单元607。

例如，可以将控制量转换为pwm信息。

电机驱动单元607与电机连接，用于根据控制量控制电机，使巡检机械臂运动。

需要说明的是，电机驱动单元607接收的控制量是经过转换单元602转换后的控制量，例如，可以为pwm信息，然后根据pwm信息驱动电机，就可以实现对巡检机械臂的各关节和臂的控制了。

本实施例提供的一种四自由度巡检机械臂的控制系统600，通过编码器接口单元603、霍尔接口单元604、旋变接口单元605和电流采集单元606分别采集控制系统600的位置信息、速度信息和电流信息，并据此计算用于控制巡检机械臂运动的控制量，根据得到的控制量控制电机，使巡检机械臂运动，可以实现对巡检机械臂的灵活控制，响应实时且动态性能好，能够兼容控制直流无刷电机和永磁同步电机，适用范围更广。

该控制系统600提供了多种接口单元，具有集成度高、尺寸小、功率密度高、控制灵活、接口丰富、功能多样和智能化的特点，显著地提高了巡检机械臂驱动器的功率密度、集成度和可靠性。

如图10所示，为本发明的四自由度巡检机械臂的控制系统600的结构示意图，该控制系统600用于控制上述技术方案中的巡检机械臂，包括：处理单元601、转换单元602、编码器接口单元603、霍尔接口单元604、旋变接口单元605、电流采集单元606、电机驱动单元607、隔离串口单元608、温度采集单元609和存储单元610，下面进行详细说明。

编码器接口单元603与巡检机械臂连接，用于采集巡检机械臂的位置信息。

霍尔接口单元604和旋变接口单元605分别与控制巡检机械臂运动的电机连接，用于采集电机的速度信息。

电流采集单元606与电机连接，用于采集电机输出的电流信息。

转换单元602分别与编码器接口单元603、霍尔接口单元604、旋变接口单元605和电流采集单元606连接，用于对位置信息、速度信息和电流信息进行格式转换。

处理单元601分别与上位机和转换单元602连接，用于与上位机进行通讯，并根据格式转换后的位置信息、速度信息和电流信息得到用于控制巡检机械臂运动的控制量。

转换单元602还与电机驱动单元607连接，用于将控制量格式转换后发送给电机驱动单元607。

电机驱动单元607与电机连接，用于根据格式转换后的控制量控制电机，使巡检机械臂运动。

隔离串口单元608连接在处理单元601与上位机之间，隔离串口单元608至少为一个，用于使处理单元601与上位机进行串口通信。通过隔离串口单元608与上位机进行串口通信，能够抗电磁干扰，提高系统的稳定性。

例如，隔离串口单元608可以为2个，在实际使用过程中，可以只有1个隔离串口单元608工作，另一个作备份用，通过至少一个隔离串口单元608与上位机进行串口通信，在隔离串口单元608出现故障时，可以及时通过其他的隔离串口单元608与与上位机进行串口通信，能够提高系统的稳定性。

温度采集单元609与处理单元601连接，用于采集控制系统600的温度信息，并温度信息超过预设温度时，断开控制系统600的电源。

例如，可以对控制系统600中，处理单元601和转换单元602所在的电路板的温度进行监控。通过温度采集单元609采集控制系统600的温度信息，可以在控制系统600的温度过高时，及时断开控制系统600的电源，提高控制系统600的安全性和可靠性。

存储单元610与处理单元601连接，用于存储位置信息、速度信息、电流信息和温度信息。通过存储单元610定时采集位置信息、速度信息、电流信息和温度信息并存储，可以为人工诊断和设备自检测提供可靠数据。

优选地，控制系统600还可以包括电源转换单元611，用于将电源输入的电压转换为其他单元需要的电压，提供电源支持。

本实施例提供的一种四自由度巡检机械臂的控制系统600，通过编码器接口单元603、霍尔接口单元604、旋变接口单元605和电流采集单元606分别采集控制系统600的位置信息、速度信息和电流信息，并据此计算用于控制巡检机械臂运动的控制量，根据得到的控制量控制电机，使巡检机械臂运动，可以实现对巡检机械臂的灵活控制，响应实时且动态性能好，能够兼容控制直流无刷电机和永磁同步电机，适用范围更广。

通过隔离串口与上位机进行通信，可以提高通信的安全性和稳定性。并且通过温度采集单元609对控制系统600的温度进行监控，可以在控制系统600的温度过高时，及时断开控制系统600的电源，提高控制系统600的安全性和可靠性。并通过存储单元610存储各类信息，可以便于后续对控制系统600的工作情况进行监控。

该控制系统600提供了多种接口单元，具有集成度高、尺寸小、功率密度高、控制灵活、接口丰富、功能多样和智能化的特点，显著地提高了巡检机械臂驱动器的功率密度、集成度和可靠性。

如图11所示，为本发明的四自由度巡检机械臂的控制方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

s1，通过设置在巡检机械臂各关机和臂上的传感器获取巡检机械臂的位置信息，并通过霍尔接口单元、旋变接口单元和电流采集单元采集控制巡检机械臂的电机的速度信息和电流信息。

s2，用过转换单元对位置信息、速度信息和电流信息进行格式转换，实现协议转换，将各传感器和霍尔接口单元、旋变接口单元和电流采集单元输出的固定格式协议转换成处理单元可用的位置信息、速度信息和电流信息。

s3，处理单元对接收到的位置信息、速度信息和电流信息进行修正和标准化处理，并根据处理后的位置信息、速度信息和电流信息，判断电机是否堵转或工作异常，若是，则停止电机运转，若否，则执行下一步骤。

s4，调用预设控制算法，根据格式转换后的位置信息、速度信息和电流信息计算用于控制巡检机械臂运动的控制量。

s5，转换单元对控制量进行格式转换，转换成驱动电机可用的信号，例如，可以转换为pwm信号，根据格式转换后的控制量控制电机，进行驱动控制，使巡检机械臂运动。

优选地，在步骤s1之前，还可以包括以下步骤：

接收上位机发送的控制指令。

根据控制指令获取巡检机械臂的位置信息，以及控制巡检机械臂的电机的速度信息和电流信息。

优选地，步骤s3中，根据处理后的位置信息、速度信息和电流信息计算控制巡检机械臂运动的控制量，具体包括以下步骤：

根据处理后的电流信息进行电流环计算，得到电流环计算结果。

根据处理后的速度信息进行速度环计算，得到速度环计算结果。

根据处理后的位置信息进行位置环计算，得到位置环计算结果。

根据电流环计算结果、速度环计算结果和位置环计算结果得到控制巡检机械臂运动的控制量。

需要说明的是，电流环采用控制励磁电流为零的矢量控制方式，三闭环均采用传统的pid控制方法，三环的控制参数可以独立调节，三环控制频率由内至外递减。

优选地，还可以包括以下步骤：

采集控制巡检机械臂的控制系统的温度值，当温度值大于预设温度值时，断开控制系统的电源。预设温度值可以根据实际需求设置。

优选地，还可以包括以下步骤：

每隔预设的时间间隔获取位置信息、速度信息和电流信息并存储，可以定时地通过隔离串口单元发送给上位机，以便对控制系统的工作状态进行监控。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。