本發明涉及服務型機器人領域，具體涉及一種服務型機器人手臂結構及關節處角度校正方法。

背景技術：

服務型機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務工作，但不包括從事生產的設備。服務型機器人的應用范圍很廣，主要從事維護保養、修理、運輸、清洗、保安、救援、監護、展示等工作。服務型機器人可以分為專業領域服務機器人和個人、家庭服務機器人。對于服務型機器人而言，其結構形狀應以盡量接近人體為宜。因此在服務型機器人上也要設置類似于人體的關節結構，使得該類關節結構能夠模仿人體關節進行轉動。現有技術中，對于服務型機器人關節轉動角度的監測都是在電機輸出端直接設置角度閉環傳感器進行信號反饋，若要調零需要工作人員手動進行，無法自動實現零位的校正。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種服務型機器人手臂結構及關節處角度校正方法，以解決現有技術中服務型機器人手臂關節處無法自動校正零位的問題，實現手臂每次復位時都能夠自動進行一次零位校正的目的。

本發明通過下述技術方案實現：

一種服務型機器人手臂結構，包括依次連接的肩關節、肩臂、肘關節、肘臂，所述肩關節、肘關節均由步進電機、減速機驅動進行動作，所述步進電機輸出軸的一端連接減速機，所述步進電機輸出軸的另一端連接角度檢測裝置，所述角度檢測裝置包括直接與步進電機輸出軸相連的減速機構、以及用于檢測所述減速機構轉動角度的發生端角度傳感器，所述減速機構的減速比等于所述減速機的減速比；還包括用于檢測對應關節的旋轉角度的執行端角度傳感器；還包括控制模塊，所述控制模塊分別與發生端角度傳感器、執行端角度傳感器、步進電機連接；當執行端角度傳感器檢測到對應關節歸零時，執行端角度傳感器向控制模塊發出信號，控制模塊控制發生端角度傳感器進行零位校正。

針對現有技術中服務型機器人手臂關節處無法自動校正零位的問題，本發明提出一種服務型機器人手臂結構及關節處角度校正方法。手臂結構模仿人體設置了依次連接的肩關節、肩臂、肘關節、肘臂，肩臂繞肩關節進行轉動，手臂繞手關節進行轉動。肩關節、肘關節的轉動都由步進電機和減速機實現，步進電機的輸出端連接減速機，由減速機減速后向外輸出動力、控制服務型機器人關節部位的轉動。步進電機輸出軸的另一端連接角度檢測裝置，角度檢測裝置包括直接與步進電機輸出軸相連的減速機構、以及用于檢測所述減速機構轉動角度的發生端角度傳感器，所述減速機構的減速比等于所述減速機的減速比。本發明中的減速機構只要能夠滿足減速比等于減速機的減速比均可，其具體結構不屬于本方案的保護范圍，在此不做限定。由于減速機構的減速比，等于減速機的減速比，因此減速機構末端與減速機輸出端轉速相同、轉動角度相同。再由發生端角度傳感器對減速機構的轉動角度進行檢測，從而得出減速機構的實時角度，該實時角度理論上就等于關節所轉動的角度。還包括用于檢測對應關節的旋轉角度的執行端角度傳感器，即是肩關節處設置有與之對應的，檢測肩關節轉動角度的執行端角度傳感器；肘關節也設置有與之對應的，檢測肘關節轉動角度的執行端角度傳感器。對于單個關節而言，能夠同時由發生端角度傳感器、執行端角度傳感器進行角度的檢測。為了避免在工作過程中造成系統紊亂，本發明以發生端角度傳感器所反饋的信號為工作過程中的控制與反饋依據，控制模塊接收到用戶指令后，控制步進電機進行動作，直到發生端角度傳感器反饋的角度信號與用戶指令一致后停下。當關節處復位時，則以執行端角度傳感器所反饋的信號為依據進行零位校正，執行端角度傳感器所檢測的信號沒有受到減速機構可能存在的傳動誤差干擾，因此在零位處的傳感精度更高。執行端角度傳感器檢測到關節徹底復位后，向控制模塊發出信號，控制模塊再控制發生端角度傳感器以此時位置為零點進行零位校正。本發明使用過程中，手臂每次復位時都能夠自動進行一次零位校正，從而解決了現有技術中服務型機器人手臂關節處無法自動校正零位的問題。

進一步的，所述減速機構包括減速齒輪組、磁場發生器，所述減速齒輪組的動力輸入齒輪與步進電機的輸出軸相連，磁場發生器固定在減速齒輪組的末級減速齒輪上；所述發生端角度傳感器為正對磁場發生器的霍爾傳感器。即是減速齒輪組中的末級減速齒輪的轉速與減速機輸出端轉速相同，減速機輸出端轉動了多少角度，末級減速齒輪也會轉動多少角度。再在末級減速齒輪上固定磁場發生器，磁場發生器隨著末級減速齒輪的轉動而進行轉動，從而產生跟隨轉動頻率的變化磁場，再由正對磁場發生器的霍爾傳感器采集磁場變換角度，從而得出末級減速齒輪的變化角度，該變化角度即是減速機角度變化量。本優選方案通過齒輪組進行同步動作，具有高精度、高穩定性的優點，同時使得整個發生端角度傳感器的體積很小、且可直接固定在電機上，極大程度上解放了服務型機器人的關節處的內部空間，使得服務型機器人關節處傳動機構的角度反饋不受空間限制，從而解決了現有技術中服務型機器人的關節處體積臃腫的問題。

優選的，所述步進電機輸出軸的一端連接主動輪，所述減速機的輸入端連接從動輪，所述主動輪與從動輪之間通過皮帶傳動。作為本發明的另一個發明點，即是通過皮帶傳動方式實現步進電機與減速機的連接。現有的服務型機器人中，設計理念都是采用直接、簡單的連接方式對傳統機構進行連接，認為直接簡單的連接方式才能最大程度上節約空間，因此現有技術中均采用電機和減速機直接鋼性連接的方式進行傳動。本申請的發明人認為，由于服務型機器人內部空間狹小，因此傳統連接方式存在空間布局受限，動力要求較高等問題，而本優選方案中，通過皮帶連接減速機與步進電機作為動力傳遞的第一級。相較于現有技術，具有以下優點：(1)皮帶材質為尼龍線和橡膠復合而成，有很好的減震和緩沖功能，減輕了對齒輪的沖擊，保證了齒輪的壽命；(2)皮帶連接方式對于電機與減速機之間的安裝間隙不敏感，不會因為安裝間隙問題導致齒輪壽命下降和噪音的產生；(3)采用皮帶傳動后，可以使得電機與減速機軸線平行，因此電機與減速機之間不用再采取傳統的直線排布的方式進行擺放，極大程度上節約了安裝空間，布局更靈活；(4)電機與減速機為兩個獨立的模塊，節約了加工與維修成本；(5)將皮帶優選為同步皮帶，還具有抗打滑、確保傳動效率的優點。

進一步的，所述肘臂遠離肘關節的一端連接手掌。使得服務型機器人的手臂更加接近人體結構。

優選的，所述手掌包括掌體，所述掌體上鉸接五根手指，每根手指都由若干段指節組成，相鄰兩段指節之間由轉軸連接，所述掌體內設置直線驅動裝置，所述直線驅動裝置的輸出端分別通過五根牽引索連接至五根手指的外端，所述牽引索位于掌體內側面。由于牽引索位于掌體內側面，且牽引索的一端與直線驅動裝置連接，一端與手指外端連接，因此啟動直線驅動裝置向著遠離手指外端的方向運動，即能夠通過牽引索將五根手指同時向內拉動，五根手指同時向掌心部位進行彎曲，實現抓、拿、握的動作，使得本發明的服務型機器人具有更加靈活的動作與執行能力，能夠實現更多的功能。

優選的，每根手指還設置有一根橡皮筋，所述橡皮筋的一端固定在手指外端、另一端固定在手指根部的掌體上；所述橡皮筋位于掌體外側面。手指向掌心部位進行彎曲時，位于掌體外側面的橡皮筋被拉伸，便于在動作完成后通過橡皮筋的彈性復位能力實現各手指的快速復位。

關節處角度校正方法，包括以下步驟：

(a)使發生端角度傳感器、執行端角度傳感器同時工作；

(b)當執行端角度傳感器檢測到對應關節歸零時，控制模塊獲取發生端角度傳感器的檢測數據：若發生端角度傳感器所檢測到的角度也處于零位，則不動作；若發生端角度傳感器所檢測到的角度不處于零位，則將發生端角度傳感器當前角度標定為零位。

即是當執行端角度傳感器檢測到對應關節歸零時，若發生端角度傳感器所檢測到的角度也處于零位，表面兩個傳感器的檢測結果相同，無誤差，因此無需進行動作。否則，則以執行端角度傳感器為標準對發生端角度傳感器重新進行零位標定，從而實現自動校正的功能。

本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：

1、一種服務型機器人手臂結構，以發生端角度傳感器所反饋的信號為工作過程中的控制與反饋依據，控制模塊接收到用戶指令后，控制步進電機進行動作，直到發生端角度傳感器反饋的角度信號與用戶指令一致后停下。當關節處復位時，則以執行端角度傳感器所反饋的信號為依據進行零位校正，執行端角度傳感器檢測到關節徹底復位后，向控制模塊發出信號，控制模塊再控制發生端角度傳感器以此時位置為零點進行零位校正。本發明使用過程中，手臂每次復位時都能夠自動進行一次零位校正，從而解決了現有技術中服務型機器人手臂關節處無法自動校正零位的問題。

2、一種服務型機器人手臂結構，通過齒輪組進行同步動作，具有高精度、高穩定性的優點，同時使得整個發生端角度傳感器的體積很小、且可直接固定在電機上，極大程度上解放了服務型機器人的關節處的內部空間，使得服務型機器人關節處傳動機構的角度反饋不受空間限制，從而解決了現有技術中服務型機器人的關節處體積臃腫的問題。

3、一種服務型機器人手臂結構，通過皮帶連接減速機與步進電機，相較于現有技術，具有以下優點：(1)皮帶材質為尼龍線和橡膠復合而成，有很好的減震和緩沖功能，減輕了對齒輪的沖擊，保證了齒輪的壽命；(2)皮帶連接方式對于電機與減速機之間的安裝間隙不敏感，不會因為安裝間隙問題導致齒輪壽命下降和噪音的產生；(3)采用皮帶傳動后，可以使得電機與減速機軸線平行，因此電機與減速機之間不用再采取傳統的直線排布的方式進行擺放，極大程度上節約了安裝空間，布局更靈活；(4)電機與減速機為兩個獨立的模塊，節約了加工與維修成本。

4、一種服務型機器人手臂結構，啟動直線驅動裝置向著遠離手指外端的方向運動，即能夠通過牽引索將五根手指同時向內拉動，五根手指同時向掌心部位進行彎曲，實現抓、拿、握的動作，使得本發明的服務型機器人具有更加靈活的動作與執行能力，能夠實現更多的功能。

5、一種服務型機器人手臂結構，手指向掌心部位進行彎曲時，位于掌體外側面的橡皮筋被拉伸，便于在動作完成后通過橡皮筋的彈性復位能力實現各手指的快速復位。

6、關節處角度校正方法，當執行端角度傳感器檢測到對應關節歸零時，若發生端角度傳感器所檢測到的角度也處于零位，表面兩個傳感器的檢測結果相同，無誤差，因此無需進行動作。否則，則以執行端角度傳感器為標準對發生端角度傳感器重新進行零位標定，從而實現自動校正的功能。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發明具體實施例1的結構示意圖；

圖2為本發明具體實施例1中步進電機與減速機的連接示意圖；

圖3為本發明具體實施例1中減速機構的爆炸圖；

圖4為本發明具體實施例1中手指的結構示意圖；

圖5為本發明具體實施例1中手指的側視圖；

圖6為本發明具體實施例2中的流程示意圖。

附圖中標記及對應的零部件名稱：

1-肩關節，2-肩臂，3-肘關節，4-肘臂，5-掌體，6-步進電機，7-減速機，8-角度檢測裝置，9-磁場發生器，10-霍爾傳感器，11-動力輸入齒輪，12-末級減速齒輪，13-主動輪，14-從動輪，15-皮帶，16-直線驅動裝置，17-牽引索，18-橡皮筋。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發明，并不作為對本發明的限定。

實施例1：

如圖1至圖5所示的一種服務型機器人手臂結構，包括依次連接的肩關節1、肩臂2、肘關節3、肘臂4，所述肩關節1、肘關節3均由步進電機6、減速機7驅動進行動作，所述步進電機6輸出軸的一端連接減速機7，所述步進電機6輸出軸的另一端連接角度檢測裝置8，所述角度檢測裝置8包括直接與步進電機6輸出軸相連的減速機構、以及用于檢測所述減速機構轉動角度的發生端角度傳感器，所述減速機構的減速比等于所述減速機7的減速比；還包括用于檢測對應關節的旋轉角度的執行端角度傳感器；還包括控制模塊，所述控制模塊分別與發生端角度傳感器、執行端角度傳感器、步進電機6連接；當執行端角度傳感器檢測到對應關節歸零時，執行端角度傳感器向控制模塊發出信號，控制模塊控制發生端角度傳感器進行零位校正。所述減速機構包括減速齒輪組、磁場發生器9，所述減速齒輪組的動力輸入齒輪11與步進電機6的輸出軸相連，磁場發生器9固定在減速齒輪組的末級減速齒輪12上；所述發生端角度傳感器為正對磁場發生器9的霍爾傳感器10。所述步進電機6輸出軸的一端連接主動輪13，所述減速機7的輸入端連接從動輪14，所述主動輪13與從動輪14之間通過皮帶15傳動。所述肘臂4遠離肘關節3的一端連接手掌。所述手掌包括掌體5，所述掌體5上鉸接五根手指，每根手指都由若干段指節組成，相鄰兩段指節之間由轉軸連接，所述掌體5內設置直線驅動裝置16，所述直線驅動裝置16的輸出端分別通過五根牽引索17連接至五根手指的外端，所述牽引索3位于掌體5內側面。每根手指還設置有一根橡皮筋18，所述橡皮筋18的一端固定在手指外端、另一端固定在手指根部的掌體5上；所述橡皮筋18位于掌體5外側面。以發生端角度傳感器所反饋的信號為工作過程中的控制與反饋依據，控制模塊接收到用戶指令后，控制步進電機6進行動作，直到發生端角度傳感器反饋的角度信號與用戶指令一致后停下。當關節處復位時，則以執行端角度傳感器所反饋的信號為依據進行零位校正，執行端角度傳感器檢測到關節徹底復位后，向控制模塊發出信號，控制模塊再控制發生端角度傳感器以此時位置為零點進行零位校正。本發明使用過程中，各關節每次復位時都能夠自動進行一次零位校正，從而解決了現有技術中服務型機器人手臂關節處無法自動校正零位的問題。通過齒輪組進行同步動作，具有高精度、高穩定性的優點，同時使得整個發生端角度傳感器的體積很小、且可直接固定在電機上，極大程度上解放了服務型機器人的關節處的內部空間，使得服務型機器人關節處傳動機構的角度反饋不受空間限制，從而解決了現有技術中服務型機器人的關節處體積臃腫的問題。啟動直線驅動裝置16向著遠離手指外端的方向運動，即能夠通過牽引索將五根手指同時向內拉動，五根手指同時向掌心部位進行彎曲，實現抓、拿、握的動作，使得本發明的服務型機器人具有更加靈活的動作與執行能力，能夠實現更多的功能。位于掌體外側面的橡皮筋18被拉伸，便于在動作完成后通過橡皮筋18的彈性復位能力實現各手指的快速復位。

實施例2：

如圖6所示的關節處角度校正方法，包括以下步驟：(a)使發生端角度傳感器、執行端角度傳感器同時工作；(b)當執行端角度傳感器檢測到對應關節歸零時，控制模塊獲取發生端角度傳感器的檢測數據：若發生端角度傳感器所檢測到的角度也處于零位，則不動作；若發生端角度傳感器所檢測到的角度不處于零位，則將發生端角度傳感器當前角度標定為零位。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。