[发明专利]一种多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法

说明书

本发明公开了一种多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法，该机械臂断电情况下机械臂能够实现自然下垂；机械臂各个关节上均安装有找零装置，用于检测机械臂各个关节的机械零位；在机械臂运动空间中安装有带深度信息的摄像头，机械臂末端安装有十字靶标。本发明进一步给出了机械臂的控制方法，机械臂上电后，控制机械臂转动至接近零位的姿态，然后执行找零动作，控制各关节以一定的顺序各自回零，记录当前各关节位置为参考零位准确值，此时机械臂的控制位置和实际位置相符合，控制精度得以保障。本发明的多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法，不需要增加位置传感器，能够在失步时实现找零，保证多自由度开环步进串联机械臂的控制精度。

技术领域

本发明涉及一种多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法，属于装备自动化、智能机器人领域。

背景技术

现有的传统工业机械臂多数采用闭环伺服驱动形式，伺服驱动的优点是精度高、能量效率高，动态响应好，但成本也高，并且由于伺服电机的低扭矩、高转速特性，使得机械臂关节必须采用高减速比的谐波减速器或RV减速器，进一步增加了成本压力。

近年来出现了应用于服务业、娱乐演示、教学的机械臂产品，它们多数采用步进开环驱动形式，这种驱动形式大大降低了成本，不需要位置反馈器件，并且由于步进电机的低转速、高扭矩特性，对减速比的要求降低，可以采用低成本减速机进一步降低成本，综合来看，开环步进机械臂的机电系统的成本比相同负载等级的传统工业机械臂要低一半以上，在很多对成本比较敏感，而对性能、精度要求不高的场合，如服务业、娱乐演示、教育场合非常适用，所以步进开环的机械臂也有相当的市场价值。

然而，开环步进系统没有位置反馈，电机驱动器接收控制系统的位置指令，给出增量形式的角度输出，并没有绝对位置，这对于要求重复执行固定动作的机械臂来说是不可接受的，这种特性限制了开环步进系统在机器人领域的应用。

现有的开环步进机械臂的控制方式比较简单，控制系统对步进驱动器输入控制脉冲，步进系统即可完成脉冲对应的位置指令，但是步进系统由于没有位置反馈，在负载较大时容易产生失步现象，导致电机实际位置与控制系统输出的位置不相符，从而损失整个系统的精度。

现有的开环系统多数具备找零装置，但这种装置从原理上无法应用于串联型机械臂。这种装置依赖一个安装在运动行程首端或尾端的传感器，检测滑块或关节感应点的到来，检测到运动物体即对控制系统发出信号，指示控制系统将位置清零或设定为某值。这种开环运动系统的找零方案缺点在于，零位只能位于运动行程的首端或尾端，对于机器人关节来讲，只能转动到极限位置，即关节转动范围内的最大或最小角度，实现找零，这对于很多机器人应用场景来说是无法实现的，例如周围有物体遮挡、或自身本体遮挡，某关节无法运动到极限位置时，机器人该关节就无法找零。

现有的位置反馈方案还有增加位置传感器方案，如光电式编码器，磁电式编码器，旋转变压器等等，这些传感器往往价格高昂，体积、重量较大，信号线缆多，不便于结构和电气布局。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种多自由度开环步进串联机械臂及其控制方法，不需要增加位置传感器，能够在失步时实现找零，保证多自由度开环步进串联机械臂的控制精度。

本发明的技术方案是：

一种多自由度开环步进串联机械臂，所述机械臂各个轴的减速器为同步带或谐波减速器，各个轴不带抱闸，断电情况下机械臂能够实现自然下垂；机械臂各个关节上均安装有找零装置，找零装置用于检测机械臂各个关节的机械零位；在机械臂运动空间中安装有带深度信息的摄像头，机械臂末端安装有十字靶标，所述摄像头用于获取十字靶标的空间位置信息。