智能关节电机的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种智能关节电机的控制方法及系统。

背景技术

关节机器人也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业。比如，自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作，关节机器人利用电机驱动，使用高精度电机矢量控制系统实现机器人关节的高精度控制。

现有技术中，普通关节电机是按控制总线发布的转速、角度、位置等指令控制电机的，无法随时改变电机的控制特性，无法知道自己的空间姿态和准确位置，不能自己调整运行在理想工作状态范围内的控制参数。

发明内容

本公开实施例提供了一种智能关节电机的控制方法及系统。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

第一方面，本申请实施例提供了一种智能关节电机的控制方法，包括：

获取关节电机的运行参数；

基于姿态传感器采集关节的姿态数据，基于微型摄像头采集关节周围图像数据，基于感应传感器采集关节感应数据；

根据运行参数、姿态数据、周围图像数据、感应数据计算得到关节电机的控制参数；

根据控制参数控制关节电机的执行机构。

在一个可选地实施例中，还包括：

基于震动传感器采集关节电机运行过程中的频谱波形数据；

根据频谱波形数据得到关节电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案。

在一个可选地实施例中，根据频谱波形数据得到关节电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案之后，还包括：

将磨损程度、预测使用时长以及维护方案通过无线通讯发送到移动终端。

在一个可选地实施例中，将磨损程度、预测使用时长以及维护方案通过无线通讯发送到移动终端之后，还包括：

移动终端语音播报磨损程度、预测使用时长以及维护方案。

在一个可选地实施例中，根据运行参数、姿态数据、周围图像数据、感应数据计算得到关节电机的控制参数，包括：

对运行参数、姿态数据、周围图像数据、感应数据进行边缘计算，得到计算结果数据；

将计算结果数据输入预设的智能控制模型，得到关节电机的控制参数。

第二方面，本申请实施例提供了一种智能关节电机的控制系统，包括：

参数采集模块，用于获取关节电机的运行参数；

姿态传感器，用于采集关节的姿态数据，并将姿态数据发送到控制模块；

微型摄像头，用于采集关节周围图像数据，并将周围图像数据发送到控制模块；

感应传感器，用于感知关节附近的物体，并将感应数据发送到控制模块；

控制模块，用于对运行参数、姿态数据、周围图像数据、感应数据进行边缘计算，得到计算结果数据，将计算结果数据输入预设的智能控制模型，得到关节电机的控制参数，根据控制参数控制关节电机的执行机构。

在一个可选地实施例中，还包括：

震动传感器，用于采集关节电机运行过程中的频谱波形数据，并将频谱波形数据发送到控制模块。

在一个可选地实施例中，控制模块还用于根据频谱波形数据分析得到关节电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案。

在一个可选地实施例中，控制模块还用于与移动终端无线连接，并将关节电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案发送到移动终端。

在一个可选地实施例中，移动终端用于接收关节电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案，并通过语音播报的方式播放磨损程度、预测使用时长以及维护方案。

本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请实施例提供的智能关节电机，具备独立的感知和计算处理能力，具备更多的自身检测和精确控制协调功能，能准确知道自己的姿态和空间位置，能根据实际环境随时改变电机的控制特性。

进一步地，本申请的智能关节电机还能预知电机磨损问题，自动给出维修方案。实现了电机单元工作的智能化科学管理和精密准确控制，实现了电机的远程管理、软件升级、硬件检测和机械故障监管、问题提示和解决问题的方法服务，从使用、控制、维护方面实现去专业化的问题解决方案。还能与其他关节之间形成联动控制，优化电机的运行参数。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种智能关节电机的控制方法的流程示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种智能关节电机的控制方法示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种关节电机的示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种智能关节电机的结构示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统和方法的例子。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

通常，普通关节电机是按控制总线发布的转速、角度、位置等指令控制电机的，电机的工作状态和保养情况要专业人员去现场维护。存在的问题包括：专业人员去现场解决问题；无法预知磨损和突然损坏问题，影响生产工作；人员到现场和维修配件准备时间效率问题；电机不能自己调整运行在理想的工作状态范围内智能控制问题；无法知道自己的空间姿态和准确位置；无法随时改变电机的控制特性，适应任务的要求；无法感知手臂附近的物体和人。

基于此，本申请实施例提供了一种智能关节电机，在电机驱动板上增加了微型摄像头，完成关节附近的视觉识别、定位，和检测，姿态传感器，感知肢体的空间角度位置和运动加速度大小、方向，震动传感器，根据震动频谱检测的数据检测电机的机械部分和减速机的状态，感应传感器，感知手臂表面的触碰，边缘计算能力，实现对电机单元的低延迟控制、检测和管理，实现了电机单元工作的智能化科学管理和精密准确控制，可以实现电机的远程管理，软件升级、硬件检测和机械故障监管、问题提示和解决问题的方法，从使用、控制、维护方面实现去专业化的问题解决方案。

下面将结合附图1对本申请实施例提供的智能关节电机的控制方法进行详细介绍。参见图1，该方法具体包括以下步骤。

S101获取关节电机的运行参数。

在一种可能的实现方式中，在电机运行过程中采集电机运行时的速度、加速度等参数。

S102基于姿态传感器采集关节的姿态数据，基于微型摄像头采集关节周围图像数据，基于感应传感器采集关节感应数据。

在一种可能的实现方式中，为了提高关节电机的自主感知与调控能力，在电机驱动板上增加了姿态传感器，如3300姿态感知芯片，可以采集关节的陀螺角度、加速度、角速度等运动数据。

还可以在电机驱动板上增加微型摄像头，拍摄关节附近的图像，完成关节附近的视觉识别、定位、和障碍物检测。

还可以在电机驱动板上增加感应传感器，感知物体接近关节手臂，例如，通过光和电容效应传感器感应接近的速度和方向信号，及时上传控制模块，非常接近极限时，底层嵌入式系统根据触感接近信号，控制电机降低电流环的参数和电子刹车减速，甚至急停，完成保护机器人、物体及附近人员安全。

S103根据运行参数、姿态数据、周围图像数据、感应数据计算得到关节电机的控制参数。

在一个可选地实施例中，首先对运行参数、姿态数据、周围图像数据、感应数据进行边缘计算，得到计算结果数据；将计算结果数据输入预设的智能控制模型，得到关节电机的控制参数。

具体地，姿态传感器、感应传感器、微型摄像头等数据采集模块将采集到的运行参数、姿态数据、周围图像数据、感应数据发送到控制模块，控制模块通过边缘计算可以较快的得到计算结果数据，计算结果数据为关节电机的运行数据，例如，速度、加速度、角度、角速度、位置等参数。

进一步地，将计算出来的运行数据输入智能控制模型，智能控制模型估计运动的特性曲线，输出控制参数，帮助机器人电机工作在合理的力矩和速度曲线上，达到快速稳定精准工作。保障设备安全和在弹性变形范围使用，发现偏差系统自动调整参数修正，防止超限损坏和发生早期磨损，合理延长了使用时间和使用精度。

在一种可能的实现方式中，还需通过预设的专家预案以及大量历史数据训练智能控制模型，并对训练好的智能控制模型进行性能评估，达到使用要求方可正常使用。也可以通过其他骨骼机器人控制算法进行训练，本申请实施例不做具体限定。

在一个可选地实施例中，关节电机还可以与系统中的其他关节电机通信连接，接收其他关节电机发送过来的运行参数、姿态数据、周围图像数据以及感应数据，形成感知共享数据；根据感知共享数据计算得到关节电机的联动控制参数，根据联动控制参数控制关节电机的执行机构。

在一个示例性场景中，7个电机的姿态和力矩控制可以形成独立的数据进行内部交换，实现每个关节都工作在最优的工作状态。关节之间通过千兆网络连接，具有普通串口所没有的数据交换速度，具备快速的相互数据共享和快速控制能力。

7个电机通过将运行参数、姿态数据、周围图像数据以及感应数据等数据形成感知共享数据，每个关节电机根据共享数据来计算优化自己的控制参数，通过分析共享的数据来调整每个电机的控制参数来实现整个运动系统的优化运行。可以了解电机周围的环境和可能发生的碰撞，对可能发生的碰撞进行图像识别，保障机器人的运动安全。

S104根据控制参数控制关节电机的执行机构。

具体地，关节电机根据接收到的控制参数快速驱动执行机构进行运动，调整工作状态和自动选择适合的运行状态，体现出快速、稳定、柔和、精准的特征。

在一个可选地实施例中，还包括基于震动传感器采集关节电机运行过程中的频谱波形数据，根据频谱波形数据得到关节电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案。

具体地，在关节电机中设置震动传感器，通过震动传感器采集电机运行过程中的频谱波形数据，并将采集到的频谱波形数据发送到控制模块。

进一步地，控制模块根据接收到的频谱波形数据分析电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案。

在一种可能的实现方式中，在机器完好时可以测出正常情况下的频谱波形，在机器磨损时可以测出不同磨损程度对应的频谱波形，提取不同磨损程度的频谱波形的特征，得到频谱波性特征与磨损程度对应表。当接收到检测的频谱波形后，即可根据提取的波形特征查找对应的磨损程度。进一步地，根据零件使用时间，工厂先做磨损测试，掌握时间和零件变坏的数据，记录不同磨损程度对应的使用时长。

在一种可能的实现方式中，还包括根据不同磨损程度、损坏器件、预测使用时长以及常用维修保养知识得到维护方案，将维护方案存入控制模块。并将控制模块与移动终端无线连接，例如，将关节电机通过移动网络、WIFI等通讯方式与用户手机连接，将将磨损程度、预测使用时长以及维护方案通过无线通讯发送到移动终端。移动终端语音播报磨损程度、预测使用时长以及维护方案。

通过采用手机APP实现人机交互模式的工作模式，可以播放维修保养知识，提前准备配件材料，非专业人员可以根据提示完成维修任务。

为了便于理解本申请实施例提供的智能关节电机的控制方法，下面结合附图2进行说明。如图2所示，该方法包括：采集电机的速度、加速度等运行参数，采集电机的姿态数据、图像数据以及感应数据等，将采集到的数据输入电机内部的控制模块，例如在电机内部加入高性能单片嵌入式系统(如ST-157A)，根据控制模块对采集的数据进行快速边缘计算，将计算出来的数据输入预设的智能控制模型，智能控制模型根据输入的参数进行计算，输出电机控制参数，根据输出的控制参数驱动电机执行机构，帮助机器人电机工作在合理的力矩和速度曲线上，达到快速稳定精准工作，保障设备安全和在弹性变形范围使用，发现偏差系统自动调整参数修正。

根据本申请实施例提供的智能关节电机的控制方法，关节电机具备独立的感知和计算处理能力，具备更多的自身检测和精确控制协调功能，能准确知道自己的姿态和空间位置，能根据实际环境随时改变电机的控制特性。还能预知电机磨损问题，自动给出维修方案。实现了电机单元工作的智能化科学管理和精密准确控制，实现了电机的远程管理、软件升级、硬件检测和机械故障监管、问题提示和解决问题的方法服务。

本申请实施例还提供了一种智能关节电机的控制系统，图3是智能关节电机的示意图，本申请实施例的智能关节电机，在内部加入高性能的控制模块(如ST-157A)，加入了姿态传感器、微型摄像头、感应传感器、震动传感器、参数采集模块等装置。

其中，参数采集模块，用于获取关节电机的运行参数；姿态传感器，用于采集关节的姿态数据，并将姿态数据发送到控制模块；微型摄像头，用于采集关节周围图像数据，并将周围图像数据发送到控制模块；感应传感器，用于感知关节附近的物体，并将感应数据发送到控制模块；

控制模块，用于对运行参数、姿态数据、周围图像数据、感应数据进行边缘计算，得到计算结果数据，将计算结果数据输入预设的智能控制模型，得到关节电机的控制参数，根据控制参数控制关节电机的执行机构。

在一个可选地实施例中，还包括：震动传感器，用于采集关节电机运行过程中的频谱波形数据，并将频谱波形数据发送到控制模块。控制模块还用于根据频谱波形数据分析得到关节电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案。

在一个可选地实施例中，控制模块还用于与移动终端无线连接，并将关节电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案发送到移动终端。移动终端用于接收关节电机的磨损程度、预测使用时长以及维护方案，并通过语音播报的方式播放磨损程度、预测使用时长以及维护方案。

通过采用手机APP实现人机交互模式的工作模式，可以播放维修保养知识，提前准备配件材料，非专业人员可以根据提示完成维修任务。

需要说明的是，上述实施例提供的智能关节电机的控制系统在执行智能关节电机的控制方法时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的智能关节电机的控制系统与智能关节电机的控制方法实施例属于同一构思，其体现实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本申请实施例还提供一种与前述实施例所提供的智能关节电机的控制方法对应的智能关节电机，以执行上述智能关节电机的控制方法。

请参考图4，其示出了本申请的一些实施例所提供的一种关节电机的示意图。如图4所示，关节电机包括：处理器400，存储器401，总线402和通信接口403，处理器400、通信接口403和存储器401通过总线402连接；存储器401中存储有可在处理器400上运行的计算机程序，处理器400运行计算机程序时执行本申请前述任一实施例所提供的智能关节电机的控制方法。

其中，存储器401可能包含高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口403(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网、广域网、本地网、城域网等。

总线402可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。其中，存储器401用于存储程序，处理器400在接收到执行指令后，执行程序，前述本申请实施例任一实施方式揭示的智能关节电机的控制方法可以应用于处理器400中，或者由处理器400实现。

处理器400可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器400中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器400可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器401，处理器400读取存储器401中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

本申请实施例提供的关节电机与本申请实施例提供的智能关节电机的控制方法出于相同的发明构思，具有与其采用、运行或实现的方法相同的有益效果。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。