一種力/位混合柔順控制的夾持裝置、手操設(shè)備以及夾持裝置和手操設(shè)備的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及具有遙控力反饋手操的力/位混合柔順控制夾持技術(shù)，屬于智能機(jī)器 人自動(dòng)化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 夾持裝置是工業(yè)機(jī)器人在抓取物體時(shí)的重要末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要夾 持器抓取物體時(shí)，設(shè)及夾持器和被抓物體間的相互作用，夾持臂的位移W及夾持臂與被抓 物質(zhì)間的接觸力是夾持過程控制的重要指標(biāo)，它決定了機(jī)器人是否能在不對(duì)被抓物破壞的 前提下有效抓取物體。由于特殊工況及操作安全的考慮，某些場(chǎng)合需要夾持裝置具有遠(yuǎn)程 操作功能，同時(shí)需要遙控操作者能夠感知夾持力的大小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展需求，提供一種力/位混合柔順控制 的夾持裝置、手操設(shè)備W及夾持裝置和手操設(shè)備的控制方法。
[0004] 本發(fā)明所述的一種力/位混合柔順控制的夾持裝置包括底板1、電機(jī)支架2、電機(jī)3、 一號(hào)編碼器4、減速器5、滑臺(tái)6、雙向螺桿7、兩個(gè)V型定位夾持臂8、螺桿支架10、一號(hào)處理器、 驅(qū)動(dòng)電路12、一號(hào)差分/TTL電平轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)調(diào)理電路；
[0005] 電機(jī)支架2用于將電機(jī)3固定在底板1上，螺桿支架10用于將雙向螺桿7固定在底板 1上，且雙向螺桿7能夠繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)3用于通過減速器5帶動(dòng)雙向螺桿7轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0006] 滑臺(tái)6固定在底板1上，且滑臺(tái)6的上表面設(shè)置有凹槽，該凹槽的長度方向與雙向螺 桿7的軸線平行;兩個(gè)V型定位夾持臂8相對(duì)設(shè)置，每個(gè)V型定位夾持臂8的夾持面均設(shè)置有娃 橡膠貼裝層9,且其中一個(gè)娃橡膠貼裝層9內(nèi)埋有壓力傳感器;兩個(gè)V型定位夾持臂8分別與 雙向螺桿7的兩端螺紋連接，兩個(gè)V型定位夾持臂8的底部均位于滑臺(tái)6上的凹槽內(nèi)，并能夠 沿該凹槽的長度方向移動(dòng)；
[0007] -號(hào)處理器的控制信號(hào)輸出端通過驅(qū)動(dòng)電路12連接電機(jī)3的控制信號(hào)輸入端，一 號(hào)編碼器4用于檢測(cè)電機(jī)3輸出軸的角位移，一號(hào)編碼器4的信號(hào)輸出端通過一號(hào)差分/TTL 電平轉(zhuǎn)換電路連接一號(hào)處理器的電機(jī)角位移信號(hào)輸入端，一號(hào)處理器的CAN總線接口用于 接收位置指令W及發(fā)送力反饋信號(hào)，壓力傳感器的檢測(cè)信號(hào)輸出端通過信號(hào)調(diào)理電路連接 一號(hào)處理器的夾持力反饋信號(hào)輸入端。
[000引與上述夾持裝置相配合的手操設(shè)備包括手輪15、二號(hào)編碼器16、磁粉制動(dòng)器19、齒 形帶20、Ξ號(hào)齒輪21、四號(hào)齒輪22、二號(hào)處理器、二號(hào)差分/TTL電平轉(zhuǎn)換電路、Η橋驅(qū)動(dòng)器25 和霍爾電流傳感器；
[0009] Ξ號(hào)齒輪21套固在手輪15的轉(zhuǎn)軸上，四號(hào)齒輪22套固在磁粉制動(dòng)器19上，四號(hào)齒 輪22用于通過齒形帶20帶動(dòng)Ξ號(hào)齒輪21轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0010] 二號(hào)處理器的二號(hào)編碼器16用于檢測(cè)手輪15轉(zhuǎn)軸的角位移，二號(hào)編碼器16的信號(hào) 輸出端通過二號(hào)差分/TTL電平轉(zhuǎn)換電路連接二號(hào)處理器的手輪角位移信號(hào)輸入端，二號(hào)處 理器的控制信號(hào)輸出端通過Η橋驅(qū)動(dòng)器25連接磁粉制動(dòng)器19的控制信號(hào)輸入端，霍爾電流 傳感器用于檢測(cè)磁粉制動(dòng)器19的驅(qū)動(dòng)電流，霍爾電流傳感器的電流檢測(cè)信號(hào)輸出端連接二 號(hào)處理器的電流反饋信號(hào)輸入端，二號(hào)處理器的CAN總線接口用于發(fā)送位置指令W及接收 力反饋信號(hào)。
[0011] 上述夾持裝置的控制方法由嵌入在一號(hào)處理器內(nèi)的軟件實(shí)現(xiàn)，所述方法包括W下 步驟：
[0012] 位置指令接收步驟:接收位置指令；
[0013] 壓力采集步驟:采集壓力傳感器發(fā)來的壓力信號(hào)；
[0014] 壓力信號(hào)發(fā)送步驟:將壓力傳感器發(fā)來的壓力信號(hào)發(fā)送給手操設(shè)備；
[0015] 力反饋等效位移獲得步驟:利用力/位移轉(zhuǎn)換函數(shù)將采集到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為力 反饋等效位移；
[0016] 夾持臂當(dāng)前位置獲得步驟:將一號(hào)編碼器4發(fā)來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為夾持臂當(dāng)前位置信 息；
[0017] 位移偏差計(jì)算步驟：計(jì)算位移偏差，所述位移偏差二位置指令一力反饋等效位 移一夾持臂當(dāng)前位置；
[0018] 電機(jī)控制信號(hào)發(fā)送步驟:利用閉環(huán)控制算法(如PID控制算法)將所述位移偏差轉(zhuǎn) 換為電機(jī)控制信號(hào)，并將該電機(jī)控制信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電路12。
[0019] 上述手操設(shè)備的控制方法由嵌入在二號(hào)處理器內(nèi)的軟件實(shí)現(xiàn)，所述方法包括W下 步驟：
[0020] 位置指令發(fā)送步驟:將二號(hào)編碼器16發(fā)來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)V型定位夾持臂8的位 置指令，并向夾持裝置發(fā)送該位置指令；
[0021] 壓力信號(hào)接收步驟:接收夾持裝置發(fā)來的壓力信號(hào)，所述壓力信號(hào)即為阻尼力矩 指令；
[0022] 等效阻尼力矩獲得步驟:采集霍爾電流傳感器發(fā)來的電流信號(hào)，并根據(jù)磁粉制動(dòng) 器19的電流-阻尼力矩關(guān)系曲線將所述電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為等效阻尼力矩；
[0023] 力矩偏差計(jì)算步驟:計(jì)算力矩偏差計(jì)，所述力矩偏差計(jì)=阻尼力矩指令一等效阻 尼力矩；
[0024] 磁粉制動(dòng)器控制信號(hào)發(fā)送步驟:利用閉環(huán)控制算法(如PID控制算法)將所述力矩 偏差轉(zhuǎn)換為磁粉制動(dòng)器控制信號(hào)，并將該磁粉制動(dòng)器控制信號(hào)發(fā)送給Η橋驅(qū)動(dòng)器25。
[0025] 本發(fā)明所述的夾持裝置與手動(dòng)操作設(shè)備所構(gòu)成的系統(tǒng)，能夠在遠(yuǎn)程夾持物體過程 中模仿人手的功能，實(shí)現(xiàn)夾持過程的柔順控制。
[0026] 上述夾持裝置具有簡(jiǎn)單緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，V型定位柔性夾持臂從結(jié)構(gòu)角度完成柔 性夾持和無預(yù)應(yīng)力的壓力反饋;雙向螺桿驅(qū)動(dòng)使驅(qū)動(dòng)具有自鎖功能;壓力傳感器信號(hào)除了 給夾持控制端提供力反饋信號(hào)外，還通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程操作端，作為操控裝置阻尼 控制指令。夾持裝置的控制方法利用閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)V型定位柔性夾持臂精確柔順控制。
[0027] 上述手操設(shè)備采用磁粉制動(dòng)器作為產(chǎn)生可變阻尼的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為防止阻尼力過大 W及滑差速率過低對(duì)造成的力矩不連續(xù)，本發(fā)明在手輪與磁粉制動(dòng)器輸入軸之間采用齒輪 皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整傳動(dòng)比改善磁粉制動(dòng)器的輸出阻尼力矩的平滑性。與電機(jī)類力反 饋執(zhí)行裝置相比，磁粉制動(dòng)器是阻尼器件，不會(huì)產(chǎn)生反向力矩，通過調(diào)節(jié)激磁電流可實(shí)現(xiàn)阻 尼力矩的連續(xù)可調(diào)；手操設(shè)備的控制方法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)，閉環(huán)調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的輸出 電流，進(jìn)而控制阻尼力矩，使操作者能在遠(yuǎn)程控制端感知現(xiàn)場(chǎng)的夾持壓力狀態(tài)。
[0028] 本發(fā)明具有操作、控制簡(jiǎn)單方便，無需提供絲筒、鋼絲、轉(zhuǎn)盤、彈黃等輔助機(jī)構(gòu)等優(yōu) 點(diǎn)，具有遠(yuǎn)程操作功能，且遙控操作者能夠感知夾持力的大小，適用于絕大多數(shù)需要遠(yuǎn)程控 制的精確柔性夾持的應(yīng)用場(chǎng)合。
【附圖說明】
[0029] 圖1為實(shí)施方式一中的夾持裝置與手動(dòng)操作設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖， 其中夾持控制電路為夾持裝置中的電氣部分，手操控制電路為手操設(shè)備中的電氣部分；
[0030] 圖2為實(shí)施方式一所述的夾持裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖3為實(shí)施方式一中的兩個(gè)V型定位夾持臂的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中黑色填充部分為壓 力傳感器；
[0032] 圖4為實(shí)施方式一中所述的夾持裝置的電氣結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖5為實(shí)施方式二中的控制模塊的工作原理示意圖；
[0034] 圖6為實(shí)施方式二中的力/位混合柔順控制原理框圖；
[0035] 圖7為實(shí)施方式Ξ中的力/位移轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系；
[0036] 圖8為實(shí)施方式八所述的手操設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，該圖為側(cè)視圖；
[0037] 圖9為實(shí)施方式八所述的手操設(shè)備的電氣結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖10為實(shí)施方式九中的控制模塊的工作原理示意圖；
[0039] 圖11為實(shí)施方式九中的控制模塊的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0040] 一:結(jié)合圖1至圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種力/位混 合柔順控制的夾持裝置包括底板1、電機(jī)支架2、電機(jī)3、一號(hào)編碼器4、減速器5、滑臺(tái)6、雙向 螺桿7、兩個(gè)V型定位夾持臂8、螺桿支架10、一號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)電路12、一號(hào)差分/TTL電平轉(zhuǎn) 換電路和信號(hào)調(diào)理電路；
[0041] 電機(jī)支架2用于將電機(jī)3固定在底板1上，螺桿支架10用于將雙向螺桿7固定在底板 1上，且雙向螺桿7能夠繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)3用于通過減速器5帶動(dòng)雙向螺桿7轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0042] 滑臺(tái)6固定在底板1上，且滑臺(tái)6的上表面設(shè)置有凹槽，該凹槽的長度方向與雙向螺 桿7的軸線平行;兩個(gè)V型定位夾持臂8相對(duì)設(shè)置，每個(gè)V型定位夾持臂8的夾持面均設(shè)置有娃 橡膠貼裝層9,且其中一個(gè)娃橡膠貼裝層9內(nèi)埋有壓力傳感器;兩個(gè)V型定位夾持臂8分別與 雙向螺桿7的兩端螺紋連接，兩個(gè)V型定位夾持臂8的底部均位于滑臺(tái)6上的凹槽內(nèi)，并能夠 沿該凹槽的長度方向移動(dòng)；
[0043] -號(hào)處理器的控制信號(hào)輸出端通過驅(qū)動(dòng)電路12連接電機(jī)3的控制信號(hào)輸入端，一 號(hào)編碼器4用于檢測(cè)電機(jī)3輸出軸的角位移，一號(hào)編碼器4的信號(hào)輸出端通過一號(hào)差分/TTL 電平轉(zhuǎn)換電路連接一號(hào)處理器的電機(jī)角位移信號(hào)輸入端，一號(hào)處理器的CAN總線接口用于 接收位置指令W及發(fā)送力反饋信號(hào)，壓力傳感器的檢測(cè)信號(hào)輸出端通過信號(hào)調(diào)理電路連接 一號(hào)處理器的夾持力反饋信號(hào)輸入端。
[0044] 本實(shí)施方式所述的夾持裝置需要配合手動(dòng)操作設(shè)備（簡(jiǎn)稱手操設(shè)備）來完成夾持 動(dòng)作，如圖1所示，夾持裝置安裝在工作現(xiàn)場(chǎng)區(qū)，手動(dòng)操作設(shè)備安裝在遠(yuǎn)程操作區(qū)，夾持裝置 和手動(dòng)操作設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接。手動(dòng)操作設(shè)備包括手輪15、二號(hào)編碼器16、磁粉制動(dòng)