【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及服务型协作机器人技术，特别涉及一种基于直线电动推杆的5自由度关节型机械臂，能够实现高负载自重比的室内机器人服务作业，具有低成本化的特点，适用于接触式服务任务。
技术介绍
1、近年来，室内服务机器人凭借其交互性和服务理念，显著提升了人类生活便利性，引领行业迅猛发展，拥有巨大市场潜力。融合人口老龄化、全屋智能化、公共场所无人化等大趋势，室内服务机器人在老人服务、家庭清洁和室内综合服务等领域展现出不可替代的重要角色。
2、尽管如此，受长周期开发、高研发成本和大规模定制需求的影响，室内服务机器人的市场份额分布并不稳定，难以满足“国民级”需求。在技术方面，尤其是力控算法、构型设计和驱动集成方案设计等领域，仍有很大提升空间。极少数产品能够胜任复杂的接触式作业，这也是当前市场存在的一个瓶颈。
3、因此，迫切需要研制一套专为室内服务而设计的机械臂系统。该系统具备低成本、高负载自重比和能够胜任接触式工作的独特特点，可用于室内桌面、墙面等平直表面的自动清洁等接触式任务。这一系统不仅填补了市场上的技术空白，而且具有广泛的应用前景。
技术实现思路
1、本专利技术旨在解决当前室内服务机器人成本高、不能胜任接触式工作等问题，设计了一套面向室内服务的作业机械臂系统，该机械臂以低成本、高负载自重比、能够胜任接触式工作为特点，用于室内桌面、墙面等平直表面的自动清洁、物体抓取搬运等服务型工作。本专利技术采用直线推杆代替旋转电机进行重要关节的驱动，降低了采购成本，提高了系统负载自重
2、本专利技术中的作业机械臂，在构型上包含五个关节，臂展全长达到1200mm，工作空间为一直径1000mm的球形区域，臂身自重10kg，设计额定负载3kg。
3、本专利技术的技术方案，始终围绕着前述不足进行展开，主要包括结构设计方案和控制系统方案两大部分。
4、在结构设计方面，本专利技术从底至上包括基座控制箱、腰关节、大臂关节、小臂关节、肘关节、腕关节六个方面。
5、基座控制箱，所述结构固定于工作区域平面，内部空间布置机械臂系统的工控机、伺服驱动器、直流驱动器、24v开关电源和力传感器信号变送器等电气元器件。
6、腰关节，所述腰关节结构安装于基座顶面安装板上，为机械臂提供绕竖直轴线的旋转自由度。腰关节电机输出末端与钢制旋转台固定连接，从而为后续关节提供安装平面。
7、大臂结构，所述大臂结构主要由大臂驱动推杆、大臂轴承座、大臂旋转轴、大臂双侧碳纤维板组成，结构轻量化程度高。双侧碳纤维板安装2个关节旋转轴系、2个推杆伸出端安装轴。大臂旋转轴通过1对轴承座安装于腰关节旋转台上，旋转轴外侧布置绝对值编码器，对大臂关节角度进行监测。
8、小臂结构，所述小臂结构主要由小臂驱动推杆、小臂旋转轴、小臂双侧碳纤维板组成。双侧碳纤维板安装小臂旋转轴系和小臂驱动推杆伸出端安装轴。小臂旋转轴外侧布置绝对值传感器，对小臂关节角度进行监测。
9、肘关节结构，所述肘关节结构主要由连接法兰、肘关节旋转电机、肘关节输出法兰、扭矩传感器和u型铝架组成。肘关节整体通过连接法兰与小臂关节连接，肘关节旋转电机安装在连接法兰内部，电机输出端通过肘关节输出法兰与扭矩传感器相连，传感器顶部固定u型铝架。
10、腕关节结构，所述腕关节结构主要由腕关节旋转电机、腕关节输出法兰、扭矩传感器和执行器安装架组成。腕关节旋转电机直接定位安装于肘关节u型铝架末端，与其余零部件组成腕关节轴系，并在轴系输出端连接执行器安装架，其支架型结构末端提供多组法兰孔，便于多种末端执行器的安装布置和快换。
11、在控制系统方面，机械臂系统采用pc作为上位机系统，通过can协议与3个伺服驱动器、2个直流驱动器、2个外置绝对值编码器进行通信，共组成2个通讯回路；通过rs485协议与力传感器变送器进行通信，可以同时采集5轴的力/力矩信号。上位机使用ubuntu ros系统，五轴驱动器分别对其对应路点信息进行订阅，完成路点位置跟踪，实现多轴运动控制。大臂和小臂的直线推杆电机采用位置-速度双闭环控制，速度闭环采用自测速闭环模式、位置闭环通过采集外置编码器信号在上位机中实现，且设计有死区补偿和自适应pid算法，可以有效应对变化负载给电机运动带来的干扰。在进行接触作业时，低速移动状态下由五轴输出力结合机械臂静力学矩阵，解算出末端六维接触力，并基于导纳柔顺控制模型，通过控制末端接触点位置实现间接接触力控制。
12、本专利技术的有益效果有：
13、1.本专利技术提出利用直线推杆代替传统旋转电机，实现大臂、小臂等重要关节的驱动，增大了机械臂系统的末端额定输出力，降低了伺服电机、精密减速器的采购成本。
14、2.本专利技术采用外置绝对值编码器采集大臂、小臂关节位置信息，设计位置-速度双闭环控制器，实现对有刷直流推杆的闭环控制，定位精度较高。
15、3.本专利技术分别布置5个力/力矩传感器，对机械臂五轴分别进行力反馈，系统无需安装末端六维力传感器，降低了力控制环节的采购成本。
16、4.本专利技术重要结构件均采用轻量化设计原则，系统总重量较低，提高了机械臂的负载自重比，保证了走线空间的合理化。
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1.一种基于直线电动推杆的5自由度关节型机械臂，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于直线电动推杆的5自由度关节型机械臂，其特征在于在大臂关节使用大臂关节直流推杆(9)元器件进行驱动，推杆固定端安装于腰关节(2)顶部，推出端穿轴安装于大臂碳纤维板(305)上，上述两端均为铰链结构，实现推出力的传递和直线-旋转运动的转化。
3.根据权利要求1所述的一种基于直线电动推杆的5自由度关节型机械臂，其特征在于在小臂关节使用小臂关节直流推杆(4)元器件进行驱动，推杆固定端安装于小臂双侧碳纤维板(309)末端，推出端穿轴安装于大臂碳纤维板(305)上，上述两端均为铰链结构，实现推出力的传递和直线-旋转运动的转化。
4.根据权利要求1所述的一种基于直线电动推杆的5自由度关节型机械臂，其特征在于，大臂关节(3)、小臂关节(5)采用推拉力传感器1(304)和推拉力传感器2(311)进行力反馈，上述传感器通过交叉轴定制连接件1(303)、定制连接件2(310)与推杆、固定轴进行连接，可通过静力学模型进行推拉力-关节扭矩换算，进而通过多轴关节力解算末端接
...【技术特征摘要】
1.一种基于直线电动推杆的5自由度关节型机械臂，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于直线电动推杆的5自由度关节型机械臂，其特征在于在大臂关节使用大臂关节直流推杆(9)元器件进行驱动，推杆固定端安装于腰关节(2)顶部，推出端穿轴安装于大臂碳纤维板(305)上，上述两端均为铰链结构，实现推出力的传递和直线-旋转运动的转化。
3.根据权利要求1所述的一种基于直线电动推杆的5自由度关节型机械臂，其特征在于在小臂关节使用小臂关节直流推杆(4)元器件进行驱动，推杆固定...
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