專利名稱：基于霍爾信號和電機(jī)軸z脈沖的機(jī)器人初始精確定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化領(lǐng)域，特別涉及一種基于霍爾信號和電
機(jī)軸z脈沖的機(jī)器人初始精確定位方法。
背景技術(shù)：
機(jī)器人初始位置是指機(jī)器人工作或運(yùn)動(dòng)前各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的初始位置，機(jī)器人 所有運(yùn)動(dòng)都相對于該初始位置，因此，初始位置的確定是機(jī)器人工作或運(yùn)動(dòng) 的一個(gè)前提條件，所以，在機(jī)器人正常動(dòng)作之前，在采用特定定位機(jī)構(gòu)基礎(chǔ) 上，必須采用一定的方法來精確確定其初始位置。
目前，機(jī)器人初始位置的確定方法主要有兩種 一種是利用絕對式位置傳 感器的信號來確定，對于每一個(gè)角度位置傳感器都會產(chǎn)生唯一的輸出量，這 樣就可以根據(jù)其輸出信號來判斷機(jī)器人關(guān)節(jié)的絕對位置。這種方法具有精度 高、易操作的優(yōu)點(diǎn)，但是絕對式檢測傳感器只能夠安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)處，其 輸出信號復(fù)雜、接線多，會使機(jī)構(gòu)復(fù)雜化；另一種檢測方法是利用機(jī)械限位 的信號來確定。機(jī)械限位是當(dāng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到預(yù)定初始位置的時(shí)候觸發(fā)限位開關(guān) 由此信號來確定初始零位。這種方法原理簡單，但是定位精度較差，而且自 動(dòng)化程度差，初始位置會受到不確定因素的影響而不唯一。
因此，需要提供一種低成本、精度高、易操作的機(jī)器人初始精確定位方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種基于霍爾信號和 電機(jī)軸Z脈沖的機(jī)器人初始精確定位方法，在采用低成本、易于安裝的增量
式碼盤為位置傳感器基礎(chǔ)上，基于霍爾信號和電機(jī)軸z脈沖信號，提出一種
機(jī)器人初始精確定位方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人初始定位自動(dòng)化。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采取的技術(shù)方案是 一種基于霍爾信號和電機(jī) 軸Z脈沖的機(jī)器人初始精確定位方法，按照如下步驟進(jìn)行操作
A)機(jī)器人在第一次上電工作時(shí)，中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向各個(gè)關(guān)節(jié)控制器發(fā)B) 各關(guān)節(jié)開始慢速旋轉(zhuǎn)尋找霍爾盤上事先確定的目標(biāo)霍爾；
C) 找到目標(biāo)霍爾后，開始捕捉電機(jī)軸的Z脈沖信號；
D) 捕捉到Z脈沖信號的同時(shí)讓關(guān)節(jié)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的位置是唯一的，從 而精確確定機(jī)器人的初始位置。
在考慮到霍爾盤具有磁滯效應(yīng)存在回差現(xiàn)象及霍爾會出現(xiàn)消磁、退磁現(xiàn) 象基礎(chǔ)上，為了提高目標(biāo)霍爾定位的重復(fù)精度，所述的機(jī)器人初始精確定位 方法，其中，所述尋找目標(biāo)霍爾位置的過程是采用多次尋找取平均的方法來 確定目標(biāo)霍爾的位置，并且每次都從固定的方向?qū)δ繕?biāo)霍爾進(jìn)行定位。
所述的機(jī)器人初始精確定位方法，其中，如果Z脈沖出現(xiàn)在找到目標(biāo)霍 爾該點(diǎn)時(shí)刻附近，會帶來電機(jī)軸上360。的誤差，即初始位置不唯一。若出現(xiàn) 上述情況，則放棄當(dāng)前Z脈沖，捕獲下一個(gè)Z脈沖，同時(shí)停止關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)來獲 得精確的初始位置信息。
所述的機(jī)器人初始精確定位方法，其中，所述目標(biāo)霍爾為兩個(gè)以上，這 樣就構(gòu)成了冗余結(jié)構(gòu)，按照上述步驟A) -D)確定機(jī)器人的初始位置，其中所 述步驟B)尋找目標(biāo)霍爾過程中，當(dāng)找到任何一個(gè)目標(biāo)霍爾即可，并且記錄尋 找到的目標(biāo)霍爾數(shù)目。
本發(fā)明的主要原理是由于關(guān)節(jié)安裝固定以后，霍爾盤上的目標(biāo)霍爾和電 機(jī)軸Z脈沖的相對位置就唯一確定了，基于此，本發(fā)明提出一種機(jī)器人初始 精確定位方法，而且，該方法考慮了霍爾盤存在磁滯效應(yīng)帶來的回差及霍爾 會出現(xiàn)消磁、退磁問題，可實(shí)現(xiàn)高的定位精度。
本發(fā)明的基本原理為在機(jī)器人第一次上電工作時(shí)，中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 向各個(gè)關(guān)節(jié)控制器發(fā)出找零指令，各關(guān)節(jié)開始單向、多次尋找霍爾盤上事先 確定的目標(biāo)霍爾，當(dāng)找到目標(biāo)霍爾之后，開始捕捉電機(jī)軸的Z脈沖信號，捕 捉到Z脈沖信號的同時(shí)讓關(guān)節(jié)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的位置是唯一的，即獲得各關(guān) 節(jié)與其設(shè)定零位的角度差值信息。然后通過數(shù)據(jù)檢測及采集系統(tǒng)獲取此時(shí)機(jī) 器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度差值信息即初始位置信息，并將此信息傳送到中央運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)中存儲。當(dāng)機(jī)器人以后每次通電以后，機(jī)器人的中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 可以通過數(shù)據(jù)通訊總線將它所存儲的機(jī)器人初始位置數(shù)據(jù)信息發(fā)送到關(guān)節(jié)電 機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)進(jìn)行反向的差值運(yùn)算，即得到角度差值為增量時(shí)進(jìn)行減法運(yùn)算反之進(jìn)行加法運(yùn)算，并控制機(jī)器人關(guān)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器 人的初始精確定位。
本發(fā)明的有益效果是相比現(xiàn)有技術(shù)中的絕對式位置傳感器的信號確定 機(jī)器人初始位置的方法，本發(fā)明在保證定位精度的同時(shí)，還具有易操作、成 本低的優(yōu)點(diǎn)；相比現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)械限位的信號確定機(jī)器人初始位置的方法， 本發(fā)明具有定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。
故，本發(fā)明提供了一種低成本、精度高、易操作的機(jī)器人初始精確定位 方法。


圖la是本發(fā)明所述方法的專用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖lb是圖la中所述霍爾盤和磁鋼的右視圖2是展開的霍爾盤、電機(jī)軸及Z脈沖信號位置示意圖； 圖3是所述霍爾的信號檢測示意圖； 圖4是所述霍爾工作特性示意圖5是本發(fā)明基于霍爾信號和Z脈沖精確確定機(jī)器人初始位置原理圖； 圖6是本發(fā)明所述的機(jī)器人初始位置精確確定的流程圖。
圖中l(wèi)增量碼盤、2電機(jī)、3減速器、4霍爾盤、5磁鋼、6關(guān)節(jié)輸出軸、 7中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、8通訊總線、9電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，
IO霍爾盤展開平面，11電機(jī)軸展開平面，PH3、 PH4為目標(biāo)霍爾的位置，Pz 為Z脈沖出現(xiàn)的位置。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對本發(fā)明 的限定。
如圖la所示，本發(fā)明所述方法的專用裝置包括電機(jī)2、增量碼盤l、減速 器3、霍爾盤4、磁鋼5及信號檢測與處理系統(tǒng)、電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)9、 中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)7和通訊總線8。其中，信號檢測與處理系統(tǒng)是對增量碼盤 1和霍爾信號進(jìn)行檢測和處理，通訊總線8可以保證關(guān)節(jié)伺服控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)7的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理及運(yùn)動(dòng)控制。
霍爾盤4上事先確定得目標(biāo)霍爾和電機(jī)軸Z脈沖的相對位置就唯一確定了 (參見圖lb)。如圖2所示，其中，Pz為Z脈沖在電機(jī)軸展開平面11中的位
置，PH3和PH4為事先確定的目標(biāo)霍爾H3和H4在霍爾盤展開平面10中的位置。 一般來說，Pz的位置是固定不變的，而PH3和PH4由于受到環(huán)境和霍爾盤本身性
能的影響會產(chǎn)生一定角度的變化，即93和04會有一定幅度的變化，可以表示為 63±厶93及64±厶94，由于磁鋼5是隨關(guān)節(jié)輸出軸6轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此，這些變化不 會影響機(jī)器人初始位置的確定。
如圖6所示，本發(fā)明所述的機(jī)器人初始位置精確定位方法的流程圖，本發(fā) 明以采用6霍爾霍爾盤，在控制系統(tǒng)中目標(biāo)霍爾預(yù)先設(shè)定為H3和H4為例，但 不局限于此，還可以根據(jù)實(shí)際控制需要確定霍爾的數(shù)量，具體步驟如下
第一步機(jī)器人上電時(shí)，中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通訊總線向各關(guān)節(jié) 發(fā)出找零位指令。各關(guān)節(jié)接到指令找零位時(shí)，霍爾盤固定不動(dòng)，磁鋼隨關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出霍爾盤上霍爾的感應(yīng)區(qū)域時(shí)，霍爾的輸出信號會發(fā) 生改變，通過信號采集系統(tǒng)可獲得霍爾盤上霍爾相應(yīng)的位置。霍爾的信號采 集系統(tǒng)如圖3所示。本發(fā)明采用的霍爾盤見圖1 (b)，霍爾信號通過三路信 號S0、 S1和S2 (見圖3)可以判斷磁鋼當(dāng)前是轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出哪個(gè)霍爾感應(yīng)區(qū)， 由此來判斷是哪個(gè)霍爾。本發(fā)明采用6霍爾霍爾盤，在控制系統(tǒng)中目標(biāo)霍爾 預(yù)先設(shè)定為H3和H4，即找到H3和H4的其中任何一個(gè)霍爾就可以，并且要記錄 下尋找到的目標(biāo)霍爾數(shù)目，這樣可構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)。
第二步在尋找目標(biāo)霍爾位置過程中，在考慮到霍爾盤具有磁滯效應(yīng)存 在回差現(xiàn)象(見圖4)及霍爾會出現(xiàn)消磁、退磁現(xiàn)象基礎(chǔ)上，為了提高目標(biāo) 霍爾定位精度，采用了多次尋找取平均的方法來確定目標(biāo)霍爾的位置(見圖 5)，并且每次都從固定的方向?qū)δ繕?biāo)霍爾進(jìn)行定位，確保目標(biāo)霍爾位置確定 的唯一性，簡化機(jī)器人初始位置精確確定過程。即每次從霍爾盤的右側(cè)開始 尋找目標(biāo)霍爾，先找到4個(gè)點(diǎn)即X1， X2， X3和X4，然后求取X1和X4、 X2 和X3的中點(diǎn)，最后求得這兩個(gè)中點(diǎn)(Mid(X2，X3)和Mid(Xl，X4))的中點(diǎn)，并 在該點(diǎn)時(shí)刻開中斷來捕獲電機(jī)軸Z脈沖，同時(shí)停止關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過數(shù)據(jù)檢 測及采集系統(tǒng)獲取此時(shí)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度信息即初始位置信息，并將此 信息傳送到中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中存儲。需要強(qiáng)調(diào)的是，如果Z脈沖出現(xiàn)在該點(diǎn)時(shí)刻附近，隨著機(jī)器人使用時(shí)間的增加，有可能會帶來電機(jī)軸上360°的誤 差，即初始位置不唯一。如果出現(xiàn)這種情況，則放棄當(dāng)前Z脈沖，捕獲下一 個(gè)Z脈沖。
第三步當(dāng)機(jī)器人以后每次通電以后，機(jī)器人的中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以 通過數(shù)據(jù)通訊總線將它所存儲的機(jī)器人初始位置數(shù)據(jù)信息發(fā)送到關(guān)節(jié)電機(jī)控 制系統(tǒng)，控制機(jī)器人關(guān)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的初始精確定位。
以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式
的一種，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā) 明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種基于霍爾信號和電機(jī)軸Z脈沖的機(jī)器人初始精確定位方法，其特征在于，按照如下步驟進(jìn)行操作A)機(jī)器人在第一次上電工作時(shí)，中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向各個(gè)關(guān)節(jié)控制器發(fā)出找零指令；B)各關(guān)節(jié)開始慢速旋轉(zhuǎn)尋找霍爾盤上事先確定的目標(biāo)霍爾；C)找到目標(biāo)霍爾后，開始捕捉電機(jī)軸的Z脈沖信號；D)捕捉到Z脈沖信號的同時(shí)讓關(guān)節(jié)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的位置是唯一的，從而精確確定機(jī)器人的初始位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人初始精確定位方法，其特征在于所述尋找目標(biāo)霍爾位置的過程是采用多次尋找取平均的方法來確定目標(biāo)霍爾的位 置，并且每次都從固定的方向?qū)δ繕?biāo)霍爾進(jìn)行定位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人初始精確定位方法，其特征在于若Z脈沖出現(xiàn)在找到目標(biāo)霍爾該點(diǎn)時(shí)刻附近，會帶來電機(jī)軸上360°的誤差，即初 始位置不唯一，則放棄當(dāng)前Z脈沖，捕獲下一個(gè)Z脈沖，同時(shí)停止關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)來獲得精確的初始位置信息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一權(quán)利要求所述的機(jī)器人初始精確定位方法，其特征在于所述目標(biāo)霍爾為兩個(gè)以上，這樣就構(gòu)成了冗余結(jié)構(gòu)，按照上述步 驟A) -D)確定機(jī)器人的初始位置，其中所述步驟B)尋找目標(biāo)霍爾過程中， 當(dāng)找到任何一個(gè)目標(biāo)霍爾即可，并且記錄尋找到的目標(biāo)霍爾數(shù)目。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于霍爾信號和電機(jī)軸Z脈沖的機(jī)器人初始精確定位方法，按照如下步驟進(jìn)行操作機(jī)器人在第一次上電工作時(shí)，中央運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向各個(gè)關(guān)節(jié)控制器發(fā)出找零指令；各關(guān)節(jié)開始慢速旋轉(zhuǎn)尋找霍爾盤上事先確定的目標(biāo)霍爾；找到目標(biāo)霍爾后，開始捕捉電機(jī)軸的Z脈沖信號；捕捉到Z脈沖信號的同時(shí)讓關(guān)節(jié)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的位置是唯一的，從而精確確定機(jī)器人的初始位置。本發(fā)明提供了一種低成本、精度高、易操作的機(jī)器人初始精確定位方法。
文檔編號B25J9/12GK101444915SQ20081024069
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者余張國, 蔣志宏, 強(qiáng) 黃 申請人:北京理工大學(xué)