外力驱动机械关节中运动件的方法 |
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| 申请号 | CN201510471069.7 | 申请日 | 2015-08-04 | 公开(公告)号 | CN105058411A | 公开(公告)日 | 2015-11-18 |
| 申请人 | 林中尉; | 发明人 | 林中尉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种能够以较小的 力 驱动机械关节中运动件的外力驱动机械关节中运动件的方法，该关节包括静止件和运动件、驱动机构；驱动机构包括伺服 电机 、 驱动器 、 编码器 ； 伺服电机 与运动件相连；该外力驱动机械关节中运动件的方法为，关节处于静止状态，伺服电机处于转矩模式，伺服电机输出方向随时间变化的降阻 扭矩 ；以外力驱动运动件，使得运动件相对于静止件运动；驱动器根据编码器的输出判断运动件运动方向；若运动件相对于静止件是正方向运动，控制伺服电机停止输出降阻扭矩或者输出使得运动件具有正方向运动趋势的助力扭矩；若运动件相对于静止件是反方向运动，控制伺服电机停止输出降阻扭矩或者输出使得运动件具有反方向运动趋势的助力扭矩。 | ||||||
| 权利要求 | 1.外力驱动机械关节中运动件的方法， |
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| 说明书全文 | 外力驱动机械关节中运动件的方法技术领域[0001] 本发明涉及外力驱动机械关节中运动件的方法。 背景技术[0002] 机械关节包括静止件和运动件、驱动运动件相对静止件运动的驱动机构；驱动机构一般包括电动机，电动机的输出轴直接与运动件相连或者通过传动机构（如减速器）间接与运动件相连。电动机动作，直接带动运动件或者通过传动机构带动运动件相对于静止件运动，实现关节动作。 [0004] 但是电动机上、传动机构（如减速器）上等各处使用的轴承、密封油封存在的阻力，电机本身的磁阻，以及电动机上、传动机构（如减速器）上等各处可能存在的预紧力等等各种原因，造成机械关节本身存在系统阻力r。另外，由于电动机、通过减速器带动运动件减速运动，假定减速比是i，那么驱动运动件运动需要克服的阻力就会放大i倍，所以通过人力使得运动件相对于静止件运动时，需要很大的力气才能使得运动件运动，或者尽靠人力根本使得无法运动件运动，尤其是在机械关节是大型机械关节或者功率很大的机械关节时。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种能够以较小的力驱动机械关节中运动件的外力驱动机械关节中运动件的方法。 [0006] 本发明所述的外力驱动机械关节中运动件的方法，所述关节包括静止件和运动件、驱动运动件相对静止件运动的驱动机构；驱动机构包括伺服电机、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器、编码器；伺服电机的输出轴与运动件相连； 所述外力驱动机械关节中运动件的方法为， a、机械关节处于静止状态，伺服电机处于转矩模式，通过驱动器使得伺服电机输出方向随时间变化的降阻扭矩，使得运动件相对于静止件具有正方向运动趋势或反方向运动趋势，并且运动趋势的正方向和反方向随时间变化； b、以外力驱动运动件，使得运动件相对于静止件运动；驱动器根据编码器的输出判断运动件运动方向；如果运动件相对于静止件是正方向运动，则通过驱动器控制伺服电机停止输出降阻扭矩或者输出使得运动件具有正方向运动趋势的助力扭矩；如果运动件相对于静止件是反方向运动，则通过驱动器控制伺服电机停止输出降阻扭矩或者输出使得运动件具有反方向运动趋势的助力扭矩。 [0007] 本发明的有益效果：由于伺服电机输出方向反复变化的降阻扭矩，使得运动件相对于静止件的运动趋势的方向也反复变化。当外力使得运动件运动的方向与降阻扭矩使得运动件运动趋势的方向相同时，只需要较小的外力即可使得运动件实现运动。运动件开始运动前，机械关节的各零部件之间形成静摩擦；运动件开始运动后，机械关节的各零部件之间形成动摩擦；由于静摩擦力大于动摩擦力，所以维持运动件运动所需的外力小于使得运动件开始运动所需要的力。因而，在运动件运动后，既使伺服电机停止输出降阻扭矩，仍然只需要较小的外力就能使得运动件保持运动。当然，如果在运动件运动后，伺服电机输出助力扭矩，由于该助力扭矩使得运动件运动趋势的方向与外力使得运动件运动的方向相同，则可进一步减小维持运动件运行所需要的外力。 [0008] 所述的外力驱动机械关节中运动件的方法，步骤a中，通过驱动器使得伺服电机输出方向和大小随时间变化的降阻扭矩。 [0009] 所述的外力驱动机械关节中运动件的方法，步骤b中，不管运动件相对于静止件是正方向运动还是反方向运动，均通过驱动器控制伺服电机输出助力扭矩，该助力扭矩的大小等于或小于在运动件相对于静止件开始运动的那一时刻的降阻扭矩值。 [0010] 所述的外力驱动机械关节中运动件的方法，步骤a中，通过驱动器使得伺服电机输出方向和大小随时间连续变化的降阻扭矩。 [0011] 所述的外力驱动机械关节中运动件的方法，驱动机构还包括传动机构，传动机构的动力输入件与伺服电机的输出轴相连，传动机构的动力输出件与运动件相连。传动机构包括减速器，伺服电机的输出轴与减速器的动力输入件相连，减速器的动力输出件与运动件相连。减速器为包括但不限于摆线针轮减速器。 [0012] 所述的外力驱动机械关节中运动件的方法，所述外力为人的手力。 [0013] 所述的外力驱动机械关节中运动件的方法，步骤a中的降阻扭矩最大值为，使得运动件相对于静止件具有正方向运动趋势或反方向运动趋势但不会运动的最大值。 [0014] 所述的外力驱动机械关节中运动件的方法，伺服电机在输出维持所述机械关节处于平衡状态的平衡扭矩的基础上，进行步骤a、b；也就是说，步骤a中伺服电机的输出扭矩是平衡扭矩与降阻扭矩的合成扭矩；步骤b中伺服电机的输出扭矩是平衡扭矩或者是平衡扭矩与助力扭矩的合成扭矩。 [0015] 平衡扭矩是机械关节为了保持平衡状态而加载的扭矩。例如：当一个机械关节中的运动件相对于静止件在竖直面内运动时，为了防止运动件在重力的作用下相对于静止件产生运动，一般通过伺服电机对运动件加载一个平衡扭矩，该平衡扭矩与重力产生的扭矩方向相反，大小基本相同，这样平衡扭矩与重力产生的扭矩相平衡（两者的代数和为零），防止运动件在重力的作用下在竖直面内运动。当一个机械关节中的运动件相对于静止件在水平面内运动时，因重力不会对于运动件在水平面的移动产生影响，所以一般不需要伺服电机输出平衡扭矩，或者说，伺服电机输出的平衡扭矩为零。 [0016] 本技术是在伺服电机输出平衡扭矩的基础上，进行步骤a、b。也就是说，步骤a中，伺服电机既输出平衡扭矩，也输出降阻扭矩，换句话说，伺服电机最终的输出扭矩是平衡扭矩与降阻扭矩的合成扭矩。步骤b中，伺服电机在输出平衡扭矩的同时，伺服电机停止输出降阻扭矩或者输出助力扭矩；换句话说，步骤b存在两者状态，一种状态是，伺服电机最终的输出扭矩是平衡扭矩，另一种状态是，伺服电机最终的输出扭矩是平衡扭矩与助力扭矩的合成扭矩。附图说明 [0017] 图1是机器人关节的结构示意图；图2是机器人主控器、伺服电机等原理框图； 图3是开始计时时（机器人未动作）的机器人关节的原理图； 图4是开始计时时（机器人未动作）的关节1、2的俯视原理图； 图5是机器人动作后的机器人关节的原理图； 图6是机器人动作后的关节1、2的俯视原理图。 [0018] 图7是机械关节的结构示意图；图8是机械关节的伺服电机等原理框图； 图9是开始计时时（机械关节未动作）的机器人关节的原理图； 图10是机械关节动作后的俯视原理图。 具体实施方式[0019] 实施例1：参见图1所示的机器人包括关节1-3共3个关节。 [0020] 关节1包括作为手臂11的固定座、手臂12、驱动手臂12相对于固定座转动的驱动机构13、法兰盘14等。驱动机构13包括伺服电机131、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器132、与伺服电机131相连的编码器133、减速器134。法兰盘14固定在手臂（固定座）11上，伺服电机131和减速器134壳体均固定在法兰盘14上。减速器134的输入轴与伺服电机131的输出轴相连；减速器134输出轴与手臂12通过螺栓15相连。伺服电机131动作，通过减速器134带动手臂12相对于固定座11绕轴线16在水平面内转动。对于关节1来说，手臂11的静止件，手臂12是运动件。伺服电机131输出的平衡扭矩n11为零。 [0021] 关节2包括手臂12、手臂22、驱动手臂12和手臂22相对转动的驱动机构23、法兰盘24等。驱动机构23包括伺服电机231、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器232、与伺服电机231相连的编码器233、减速器234。法兰盘24固定在手臂22上，伺服电机231和减速器234壳体均固定在法兰盘24上。减速器234的输入轴与伺服电机231的输出轴相连；减速器234输出轴与手臂12通过螺栓25相连。伺服电机231动作，通过减速器234带动手臂22相对于手臂12绕轴线26在水平面内转动。对于关节2来说，手臂12的静止件，手臂22是运动件。伺服电机231输出的平衡扭矩n21为零。 [0022] 关节3包括手臂22、手臂32、驱动手臂32相对于手臂22上下移动的驱动机构33、电机支架34、线轨等。驱动机构33包括伺服电机331、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器332、与伺服电机331相连的编码器333、联轴器335、螺母丝杆机构等。螺母丝杆机构包括转动设置在丝杠座337上的丝杠336、固定在手臂22上的滑块座338、与丝杠配合并固定在滑块座338上的螺母339等。线轨包括设置在滑块座上的线轨滑块37、与线轨滑块上下滑动配合的导轨38。电机支架34和丝杠座均固定在手臂32上，手臂32与导轨固定。伺服电机331动作，通过联轴器驱动丝杠转动，由于螺母通过滑块座固定在手臂22上，所以丝杠在转动的同时相对于螺母上下移动。丝杠上下移动时，丝杠座、伺服电机333、手臂32、导轨等一起相对于滑块座（和手臂22）上下移动。线轨设置在滑块座与手臂32之间，对手臂的上下移动起到导向作用。对于关节2来说，手臂22的静止件，手臂32是运动件。为了防止手臂32、伺服电机331、联轴器335等因重力使得手臂32相对于手臂22向下运动，伺服电机331要输出平衡扭矩n31，以抵消手臂32、伺服电机331、联轴器335等零部件的重力造成扭矩，防止手臂32等在重力下向下移动。 [0023] 参见图2，主控器6与各驱动器132、232、332电连接，各编码器133、233、333的输出接主控器。 [0024] 手力驱动机械关节中运动件的方法如下：a、机器人的各机械关节处于静止状态，通过各驱动器使得各伺服电机处于转矩模式，假定伺服电机131、231、331在输出平衡扭矩的同时输出大小和方向随时间呈正弦规律连续变化的降阻扭矩n12、n22、n32，降阻扭矩的周期均为0.2s。也就是说，伺服电机131、231、 331的最终输出扭矩是平衡扭矩n11、n21、n31和降阻扭矩n12、n22、n32的合成扭矩。降阻扭矩n12的最大值为使得手臂22相对于手臂12具有逆时针运动趋势（或顺时针运动趋势）但不会运动的最大值。降阻扭矩n22的最大值为使得手臂12相对于手臂11具有逆时针运动趋势（或顺时针运动趋势）但不会运动的最大值。降阻扭矩n32的最大值为使得手臂32相对于手臂22具有向下运动趋势但不会运动的最大值。 [0025] 由于降阻扭矩n12的方向随时间变化，所以手臂12相对于手臂11在水平面具有交替变化的逆时针转动趋势和顺时针转动趋势。由于降阻扭矩n22的方向随时间变化，所以手臂22相对于手臂12在水平面具有交替变化的顺时针转动趋势和逆时针转动趋势；由于降阻扭矩n32的方向随时间变化，所以手臂32相对于手臂22在竖直面具有交替变化的向上移动趋势和向下移动趋势。机器人处于静止状态。 [0026] b、以手驱动机器人的手臂32时，开始计时，主控器记录各编码器在每隔0.01s的各时刻时的输出值。参见图3、4，在开始计时的0s直到0.53s之前的这段时间，手臂12与竖直面7之间的夹角为0°，手臂22与手臂12在水平面内的夹角为Y0，手臂32顶端高出手臂22所在水平面的高度为H0。参见图5、6，在0.53s时，手臂12与竖直面7之间的夹角为X1，手臂22与手臂12在水平面内的夹角为Y1，手臂32顶端高出手臂22所在水平面的高度为H1。也就是说，在0.53s时，关节1、2、3开始动作（指某个关节中的两个手臂产生了相对运动）。 [0027] 对于关节1，主控器根据编码器133在0.53s时的输出值判断，手臂12相对于竖直面7顺时针转动。主控器则通过驱动器132控制伺服电机131，使得伺服电机131从0.53s开始停止输出降阻扭矩n12（但平衡扭矩继续输出），并输出使得手臂12相对于手臂11在水平面具有顺时针转动趋势的助力扭矩n13，做到对手操作机器人的助力。助力扭矩n13大小可以等于或略小于在0.53s之前成正弦规律变化的降阻扭矩 n12的最大值。由于平衡扭矩n11（尽管为零）在步骤a、b中均始终存在，也就是说，伺服电机131从0.53s开始，伺服电机131的最终输出扭矩是平衡扭矩n11和助力扭矩n13的合成扭矩。但在0.53s之前，伺服电机131的最终输出扭矩是平衡扭矩n11和降阻扭矩n12的合成扭矩。 [0028] 对于关节2，主控器根据编码器233在0.53s时的输出值判断，手臂22相对于手臂12顺时针转动。主控器则通过驱动器232控制伺服电机231，使得伺服电机231从0.53s开始停止输出降阻扭矩n22（但平衡扭矩继续输出），并输出使得手臂22相对于手臂12在水平面具有顺时针转动趋势的助力扭矩n23，做到对手操作机器人的助力。助力扭矩n23大小可以等于或略小于在0.53s之前成正弦规律变化的降阻扭矩n22的最大值。由于平衡扭矩n21（尽管为零）在步骤a、b中均始终存在，也就是说，伺服电机231从0.53s开始，伺服电机231的最终输出扭矩是平衡扭矩n21和助力扭矩n23的合成扭矩。但在0.53s之前，伺服电机231的最终输出扭矩是平衡扭矩n11和降阻扭矩n22的合成扭矩。 [0029] 对于关节3，主控器根据编码器333在0.53s时的输出值判断，手臂32相对于手臂22位置降低。主控器则通过驱动器332控制伺服电机331，使得伺服电机331从0.53s开始停止输出降阻扭矩n32（但平衡扭矩继续输出），并输出使得手臂32相对于手臂22在竖直面具有向下移动趋势的助力扭矩n33，做到对手操作机器人的助力。助力扭矩n33大小可以等于或略小于在0.53s之前成正弦规律变化的降阻扭矩n32的最大值。由于平衡扭矩n31在步骤a、b中均始终存在，也就是说，伺服电机331从0.53s开始，伺服电机331的最终输出扭矩是平衡扭矩n31和助力扭矩n33的合成扭矩。但在0.53s之前，伺服电机331的最终输出扭矩是平衡扭矩n31和降阻扭矩n32的合成扭矩。 [0030]实施例2： 参见图7、8所示的关节1，包括作为手臂11的固定座、手臂12、驱动手臂12相对于固定座转动的驱动机构13、法兰盘14等。驱动机构13包括伺服电机131、与伺服电机电连接以控制伺服电机的驱动器132、与伺服电机131相连的编码器133、减速器134。编码器133的输出接驱动器。法兰盘14固定在手臂（固定座）11上，伺服电机131和减速器134壳体均固定在法兰盘14上。减速器134的输入轴与伺服电机131的输出轴相连；减速器134输出轴与手臂12通过螺栓15相连。伺服电机131动作，通过减速器134带动手臂12相对于固定座11绕轴线16在水平面内转动。手臂11的静止件，手臂12是运动件。因伺服电机 131输出的平衡扭矩为零，不再考虑。 [0031] 手力驱动机械关节中运动件的方法如下：a、驱动器使得伺服电机处于转矩模式，假定伺服电机131输出大小和方向随时间呈余弦规律连续变化的降阻扭矩n12，其周期均为0.4s。由于降阻扭矩n12的方向随时间变化，所以手臂12相对于手臂11在水平面具有交替变化的逆时针转动趋势和顺时针转动趋势。 关节处于静止状态。 [0032] b、以手驱动手臂12时，开始计时，驱动器记录编码器在每隔0.01s的各时刻时的输出值。参见图9，在开始计时的0s直到2.40s之前的这段时间，手臂12与竖直面7之间的夹角为0。参见图10，在2.40s时，手臂12与竖直面7之间的夹角为X1。也就是说，在2.40s时，关节1开始动作。 [0033] 驱动器根据编码器133在2.40s时的输出值判断，手臂12相对于竖直面7顺时针转动。驱动器132控制伺服电机131，使得伺服电机131从2.40s开始停止输出降阻扭矩n12，并输出使得手臂12相对于手臂11在水平面具有顺时针转动趋势的助力扭矩n13，做到对手操作关节的助力。助力扭矩n13大小等于在2.40s之前成余弦规律变化的降阻扭矩n12的最大值。也就是说，伺服电机131从2.40s开始，伺服电机131输出助力扭矩n13。但在2.40s之前，伺服电机131输出降阻扭矩。 |
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