專利名稱：具有力感覺的六自由度操作端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
具有力感覺的六自由度操作端
技術(shù)領(lǐng) 域本實用新型涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種具有力感覺的六自由度操作端。
背景技術(shù)：
近年來，在歐美和日本等發(fā)達國家的院校和エ廠及企業(yè)中，機器人被廣泛地用來代替人完成各類簡單和重復(fù)性的工作。這些機器人基本上是限定在特定的環(huán)境中完成単一的動作。對于ー些在危險、惡劣、繁重或一般的環(huán)境下需要高度智能才能完成的復(fù)雜作業(yè)而言，依靠普通的機器人自身則是無能為カ的。隨著機器人研究和開發(fā)及應(yīng)用的深入和普及，現(xiàn)在人們期望機器人能在太空、深海、礦井、戰(zhàn)場、エ廠、農(nóng)田、家庭、學(xué)校等各種惡劣和危險及普通的環(huán)境或場合下，代替人完成科學(xué)考察、礦井采掘、軍事戰(zhàn)斗、核電維修、機械制造、設(shè)備安裝、化工生產(chǎn)、醫(yī)療手術(shù)、搶險救災(zāi)、家務(wù)勞動、患者看護、教育娛樂等各項工作。但是，機器人要完成上述各項工作，機器人(包括機械手及其手腕和手臂)就必須能夠靈巧地完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、挫等各種作業(yè)，然而在上述復(fù)雜的場合下單純地依靠機器人自身的能力根本無法完成任何作業(yè)。機器人遠程遙控(遙操作)則是解決上述問題的最佳途經(jīng)，人通過具有力感覺的六自由度操作端來遠程遙控(遙操作)機器人，就能有效地發(fā)揮人的各種優(yōu)勢和克服機器人自身的困難和不足，從而靈巧地完成各種任務(wù)和作業(yè)。因此，機器人遙控技術(shù)的研究和開發(fā)及應(yīng)用越來越受到各國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的普遍重視。人通過機器人操作端來遠程遙控(遙操作)機器人，關(guān)鍵問題是要有ー款高通用性的操作端去遙控機器人。由于具有力感覺的六自由度操作端具有極高的通用性、機動性、經(jīng)濟性，故人通過它能夠靈活地遠程遙控(遙操作)機器人在危險、惡劣、繁重或一般的場合下靈巧地完成各類復(fù)雜的作業(yè)。因而具有力感覺的六自由度操作端的研究與開發(fā)在歐美和日本等許多國家的科學(xué)家和企業(yè)家中引起了巨大的熱情，他們迫切地希望研制出具有カ感覺的六自由度操作端來完成上述作業(yè)。因此，各發(fā)達國家政府紛紛耗資去組織和實施相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略計劃，許多大學(xué)和大公司及財團等都成立了或資助以研究和開發(fā)具有力感覺的六自由度操作端為目標的研究中心。最著名的有日本的本田公司、早稻田大學(xué)、美國的麻省理工學(xué)院、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、斯坦福大學(xué)、美國國家宇航局，以及德國宇航中心、意大利和加拿大及前南斯拉夫等許多國家的著名大學(xué)和科研機構(gòu)等等。我國亦開展了機器人遠程遙控(遙操作)端的研制，其中從事這類機器人研制的単位有北京航空航天大學(xué)、哈爾濱エ業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國科學(xué)院、臺灣大學(xué)等。由于具有力感覺的六自由度操作端是ー個綜合性的系統(tǒng)工程，涵蓋了許多學(xué)科和關(guān)鍵技術(shù)。在此，結(jié)合我們已經(jīng)初歩研制成功的具有力感覺的六自由度操作端來闡述國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。目前，國內(nèi)外的機器人遠程遙控(遙操作)端從機構(gòu)形式上來看大多是3至5個自由度的操作端，這類操作端只能遠程控制(遙操作)機器人在笛卡爾空間的三個坐標軸方向運動和有限的旋轉(zhuǎn)運動，機器人不論在靈活性和功能上都難于滿足實際需求。并且機器人遠程遙控(遙操作)端基本上不帶有力傳感器和視覺反饋，機器人遠程遙控(遙操作)大都是依靠點對點或者互聯(lián)網(wǎng)來進行遠程通訊?，F(xiàn)有的機器人遠程遙控(遙操作)端研究大多從幾何學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)等不同角度分別進行探討，提出了一些控制方法和抓取規(guī)劃算法來模擬人手的抓取運動。但是，機器人遠程遙控(遙操作)端研究存在有以下問題I) 一部分機器人遠程遙控(遙操作)端采用了基于腱的傳動方式和驅(qū)動原理。盡管腱傳動有許多優(yōu)點，但是在腱傳動系統(tǒng)中，由于腱的剛度、機械特性、數(shù)量以及在機器人的路徑設(shè)計等對于機器人的性能具有較大的影響，會造成驅(qū)動系統(tǒng)滯后、腱不穩(wěn)定或者損壞；2)機器人遠程遙控(遙操作)端的控制方法基本上是對裝配光電編碼器機器人進行位置反饋控制。這些控制方法僅僅以機器人各關(guān)節(jié)的光電編碼器反饋脈沖為基礎(chǔ)對進行単一的位置控制，沒有考慮或控制機器人與環(huán)境的的接觸カ影響；3)機器人遠程遙控(遙操作) 端研究沒有或很少涉及到機器人(手及其手腕和手臂)協(xié)調(diào)控制方法，也沒有根據(jù)來自作業(yè)對象的接觸力/力矩反饋對手及其手腕和手臂的慣性、粘性、剛性參數(shù)作有效和合理地調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)對象和作業(yè)環(huán)境的需要(比如，如何控制機器人如何抓握和加工柔軟食品，或者抓握金屬工具完成安裝和維修);4)機器人遠程遙控(遙操作)端研究沒有涉及到與作業(yè)有關(guān)的作業(yè)描述語言，更沒有采用多個機器人遠程遙控(遙操作)端控制多臺機器人進行協(xié)調(diào)作業(yè)。現(xiàn)有的研究大多只涉及到抓握、開抽屜、按開關(guān)、抓雞蛋、擺積木，弾琴等，尚未涉及更高層次的裁剪、撕拽、挖掘、敲打、磨削、刨挫等等作業(yè)?？傊?，現(xiàn)有的機器人遠程遙控(遙操作)端存在著機械結(jié)構(gòu)互不相同、控制系統(tǒng)各自為陣、控制方法互不兼容、作業(yè)描述語言缺乏等一系列的問題。因此，現(xiàn)有的機器人遠程遙控(遙操作)端無論是從通用性和靈活性來看，人都很難利用它去遠程遙控(遙操作)機器人在惡劣和危險的環(huán)境下，或者太空、深海、礦井、農(nóng)田、家庭等各種場合下完成各種復(fù)雜的作業(yè)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了ー種具有力感覺的六自由度操作端。具有力感覺的六自由度操作端用于遠程遙控各類機器人來代替人在繁重、危險、惡劣或一般的環(huán)境下完成各種復(fù)雜的作業(yè)，具體技術(shù)方案如下。ー種具有力感覺的六自由度操作端，包括手臂和手腕，其采用六個直流伺服電機作為六個關(guān)節(jié)各自的驅(qū)動機構(gòu)；在各直流伺服電機上安裝有一個用于測量關(guān)節(jié)角度的光電編碼器；其中，第一直流伺服電機位于操作端的最底部，用于控制整個操作端的旋轉(zhuǎn)運動；第二直流伺服電機位于第一直流伺服電機上，用于控制整個操作端的前后運動；第三直流伺服電機位于第二直流伺服電機上，用于控制整個操作端的上下運動；第四直流伺服電機位于第三直流伺服電機上，用于控制操作端手臂的前后運動；所述的直流伺服電機位于直流伺服電機上，用于操作端的手臂的旋轉(zhuǎn)運動；第六直流伺服電機位于第五直流伺服電機上，用于控制操作端的手腕的旋轉(zhuǎn)運動；力覺傳感器與操作端的手腕相連。上述具有力感覺的六自由度操作端中，所述カ覺傳感器包括感壓片和檢測電路，檢測電路包括運算放大器和AD變換器，感壓片與運算放大器的輸入端連接，運算放大器的輸出端與AD變換器。上述具有力感覺的六自由度操作端，還包括計算機，AD變換器通過I/O接ロ板與計算機連接；計算機還與所述光電編碼器和直流伺服電機連接。[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果目前已有的機器人操作端大多是3至5個自由度的，本實用新型具有力感覺的六自由度操作端主要以現(xiàn)有人類手臂的的構(gòu)造及其力感覺信息的反饋機理為基礎(chǔ)，用直流伺服電機作為六個關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)。在各直流伺服電機上安裝測量關(guān)節(jié)角度的光電編碼器；力覺傳感器及其檢測控制電路，用應(yīng)カ感壓片作為カ覺反饋機構(gòu)；根據(jù)カ覺傳感器和カ覺反饋機構(gòu)來設(shè)計其檢測控制電路，并處理六自由度的力覺反饋信號。通過計算機可以控制操作臂完成各種動作。通過增設(shè)無線傳輸模塊，還可以用于遠程遙控各類機器人來代替人在繁重、危險、惡劣或一般的環(huán)境下完成各種復(fù)雜的作業(yè)。由于設(shè)有力覺傳感器，可采用逆向運動學(xué)和動力學(xué)來分析各個關(guān)節(jié)カ矩和來自操作端的反作用力等。 本實用新型可用于遠程遙控各類機器人，以期在惡劣和危險的環(huán)境中，或者太空、深海、礦井、農(nóng)田、家庭等各種場合下，控制各類機器人代替人完成化工生產(chǎn)、核電維修、礦井采掘、軍事戰(zhàn)斗、科學(xué)考察、醫(yī)療手術(shù)、家務(wù)勞動等各項工作。具有力感覺的六自由度操作端集計算技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、智能計算、數(shù)學(xué)建模，以及機構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、仿生學(xué)等于一體。

圖I是本實用新型的具有力感覺的六自由度操作端。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施作進ー步說明，但本實用新型的實施不限于此。如圖1，本實用新型的具有力感覺的六自由度操作端包括第一直流伺服電機1，第二直流伺服電機2，第三直流伺服電機3，第四直流伺服電機4，第五直流伺服電機5，第六直流伺服電機6，力傳感器7，手臂8，手腕9。本實施方式采用六個直流伺服電機作為六個關(guān)節(jié)各自的驅(qū)動機構(gòu)；在各直流伺服電機上安裝有一個用于測量關(guān)節(jié)角度的光電編碼器；其中，第一直流伺服電機I位于操作端的最底部，用于控制整個操作端的旋轉(zhuǎn)運動；第二直流伺服電機2位于第一直流伺服電機I上，用于控制整個操作端的前后運動；第三直流伺服電機3位于第二直流伺服電機2上，用于控制整個操作端的上下運動；第四直流伺服電機4位于第三直流伺服電機3上，用于控制(操作端)手臂的前后運動；所述的直流伺服電機5位于直流伺服電機4上，用于操作端的手臂的旋轉(zhuǎn)運動；第六直流伺服電機6位于第五直流伺服電機5上，用于控制操作端的手腕的旋轉(zhuǎn)運動；力覺傳感器與操作端的手腕相連。本實施方式的ー個具有力感覺的六自由度操作端，外形尺寸為500X500X650mm,重量為3. O公斤，共包含有六個關(guān)節(jié)(六個自由度)。該具有力感覺的六自由度操作端可以遠程遙控機器人完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、挫等種復(fù)雜作業(yè)。關(guān)節(jié)伺服控制算法，具有力感覺的六自由度操作端采用位置歸還型、力歸還型、並列型控制方法和作業(yè)描述語言來控制具有力感覺的六自由度操作端和遙控機器人，并采用力覺傳感器及其檢測控制電路來遙控機器人。具有力感覺的六自由度操作端以人類的手臂構(gòu)造及其力感覺信息的反饋機理為基礎(chǔ)，具體實施時可根據(jù)需要確定具有力感覺的六自由度操作端的關(guān)節(jié)設(shè)置、幾何尺寸。具有力感覺的六自由度操作端采用前向運動學(xué)和動力學(xué)來計算各個關(guān)節(jié)角軌跡，檢驗控制算法。此外，也采用逆向運動學(xué)和動力學(xué)來分析各個關(guān)節(jié)カ矩和來自操作端的反作用力等。力覺傳感器的檢測原理和電路硬件的具體實施方式
如下I)用應(yīng)カ感壓片來設(shè)計カ傳感器及其檢測電路。觸覺點處的應(yīng)カ感壓片受拉申后其阻值受會發(fā)生變化，產(chǎn)生交變電流i，經(jīng)過運算放大器檢出對應(yīng)的電壓信號Vmn后送給AD變換器。再由I/O接ロ板送計算機進行處理。這樣就可以檢測，處理和實現(xiàn)カ的檢測功倉泛;2)建立具有力感覺的六自由度操作端的運動學(xué)和動力學(xué)方程及其雅可比矩陣。并對雅可比矩陣進行LU分解和ILX分解，以便實現(xiàn)具有力感覺的六自由度操作端的各個關(guān) 節(jié)的控制。根據(jù)具有力感覺的六自由度操作端的控制特征，通過其數(shù)據(jù)構(gòu)造和擴展雅可比行列式，計算和導(dǎo)出控制各關(guān)節(jié)運動的關(guān)節(jié)角和角速度的目標值；3)為了讓具有力感覺的六自由度操作端正確地完成遠程遙控作業(yè)，可以預(yù)先測量人的它的運動及カ/矩等作為各種運動軌跡產(chǎn)生器，并采用前向運動學(xué)和動力學(xué)來計算各關(guān)節(jié)角的軌跡。這樣可以得出具有力感覺的六自由度操作端位置和カ并可以驗證個種控制算法。此外也采用逆向運動學(xué)和動力學(xué)，根據(jù)具有力感覺的六自由度操作端的位置和姿勢來計算各關(guān)節(jié)角的位置、速度、加速度，以便分析各關(guān)節(jié)カ矩以及來自各接觸點的反作用力等。4)使用高性能個人計算機和I/O板來構(gòu)成具有力感覺的六自由度操作端的控制裝置。一臺計算機讀取安裝在各指關(guān)節(jié)處的光電編碼器和力覺傳感器的運算放大器輸出，檢測直流伺服電機的回轉(zhuǎn)角和力覺點的電流和電壓變化值。再送入計算機處理；在實際環(huán)境中，用具有觸覺的五指形機械手完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、敲、打等各種復(fù)雜的作業(yè)。
權(quán)利要求1.一種具有力感覺的六自由度操作端，包括手臂和手腕，其特征在于采用六個直流伺服電機作為六個關(guān)節(jié)各自的驅(qū)動機構(gòu)；在各直流伺服電機上安裝有一個用于測量關(guān)節(jié)角度的光電編碼器；其中，第一直流伺服電機位于操作端的最底部，用于控制整個操作端的旋轉(zhuǎn)運動；第二直流伺服電機位于第一直流伺服電機上，用于控制整個操作端的前后運動;第三直流伺服電機位于第二直流伺服電機上，用于控制整個操作端的上下運動；第四直流伺服電機位于第三直流伺服電機上，用于控制操作端手臂的前后運動；所述的直流伺服電機位于直流伺服電機上，用于操作端手臂的旋轉(zhuǎn)運動；第六直流伺服電機位于第五直流伺服電機上，用于控制操作端手腕的旋轉(zhuǎn)運動；力覺傳感器與操作端的手腕相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有力感覺的六自由度操作端，其特征在于所述力覺傳感器包括感壓片和檢測電路，檢測電路包括運算放大器和AD變換器，感壓片與運算放大器的輸入端連接，運算放大器的輸出端與AD變換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有力感覺的六自由度操作端，其特征在于還包括計算機，AD變換器通過I/O接口板與計算機連接；計算機還與所述光電編碼器和直流伺服電機連接。
專利摘要本實用新型涉及一種具有力感覺的六自由度操作端，包括手臂和手腕，其采用六個直流伺服電機作為六個關(guān)節(jié)各自的驅(qū)動機構(gòu)；在各直流伺服電機上安裝有一個用于測量關(guān)節(jié)角度的光電編碼器；。具有力感覺的六自由度操作端用于遠程遙控各類機器人來代替人在繁重、危險、惡劣或一般的環(huán)境下完成各種復(fù)雜的作業(yè)。本實用新型采用傳感技術(shù)和多自由度控制技術(shù)，通過計算機進行靈活控制，可用在太空、深海、礦井、戰(zhàn)場、工廠、農(nóng)田、家庭、學(xué)校等各種惡劣和危險及普通的環(huán)境或場合。
文檔編號B25J9/02GK202367749SQ20112050695
公開日2012年8月8日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者肖南峰 申請人:華南理工大學(xué)