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)，屬于智能機器 人自動化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 夾持裝置是工業(yè)機器人在抓取物體時的重要末端執(zhí)行機構(gòu)。許多工業(yè)現(xiàn)場需要夾 持器抓取物體時，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)，它決定了機器人是否能在不對被抓物破壞的 前提下有效抓取物體。由于特殊工況及操作安全的考慮，某些場合需要夾持裝置具有遠程 操作功能，同時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、電機支架2、電機3、 一號編碼器4、減速器5、滑臺6、雙向螺桿7、兩個V型定位夾持臂8、螺桿支架10、一號處理器、 驅(qū)動電路12、一號差分/TTL電平轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路；
[0005] 電機支架2用于將電機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，電機3用于通過減速器5帶動雙向螺桿7轉(zhuǎn)動；
[0006] 滑臺6固定在底板1上，且滑臺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V型定位夾持臂8相對設(shè)置，每個V型定位夾持臂8的夾持面均設(shè)置有娃 橡膠貼裝層9,且其中一個娃橡膠貼裝層9內(nèi)埋有壓力傳感器;兩個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V型定位夾持臂8的底部均位于滑臺6上的凹槽內(nèi)，并能夠 沿該凹槽的長度方向移動；
[0007] -號處理器的控制信號輸出端通過驅(qū)動電路12連接電機3的控制信號輸入端，一 號編碼器4用于檢測電機3輸出軸的角位移，一號編碼器4的信號輸出端通過一號差分/TTL 電平轉(zhuǎn)換電路連接一號處理器的電機角位移信號輸入端，一號處理器的CAN總線接口用于 接收位置指令W及發(fā)送力反饋信號，壓力傳感器的檢測信號輸出端通過信號調(diào)理電路連接 一號處理器的夾持力反饋信號輸入端。
[000引與上述夾持裝置相配合的手操設(shè)備包括手輪15、二號編碼器16、磁粉制動器19、齒 形帶20、Ξ號齒輪21、四號齒輪22、二號處理器、二號差分/TTL電平轉(zhuǎn)換電路、Η橋驅(qū)動器25 和霍爾電流傳感器；
[0009] Ξ號齒輪21套固在手輪15的轉(zhuǎn)軸上，四號齒輪22套固在磁粉制動器19上，四號齒 輪22用于通過齒形帶20帶動Ξ號齒輪21轉(zhuǎn)動；
[0010] 二號處理器的二號編碼器16用于檢測手輪15轉(zhuǎn)軸的角位移，二號編碼器16的信號 輸出端通過二號差分/TTL電平轉(zhuǎn)換電路連接二號處理器的手輪角位移信號輸入端，二號處 理器的控制信號輸出端通過Η橋驅(qū)動器25連接磁粉制動器19的控制信號輸入端，霍爾電流 傳感器用于檢測磁粉制動器19的驅(qū)動電流，霍爾電流傳感器的電流檢測信號輸出端連接二 號處理器的電流反饋信號輸入端，二號處理器的CAN總線接口用于發(fā)送位置指令W及接收 力反饋信號。
[0011] 上述夾持裝置的控制方法由嵌入在一號處理器內(nèi)的軟件實現(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；
[0014] 壓力信號發(fā)送步驟:將壓力傳感器發(fā)來的壓力信號發(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:將一號編碼器4發(fā)來的信號轉(zhuǎn)換為夾持臂當(dāng)前位置信 息；
[0017] 位移偏差計算步驟：計算位移偏差，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] 電機控制信號發(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) 換為電機控制信號，并將該電機控制信號發(fā)送給驅(qū)動電路12。
[0019] 上述手操設(shè)備的控制方法由嵌入在二號處理器內(nèi)的軟件實現(xiàn)，所述方法包括W下 步驟：
[0020] 位置指令發(fā)送步驟:將二號編碼器16發(fā)來的信號轉(zhuǎn)換為兩個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] 壓力信號接收步驟:接收夾持裝置發(fā)來的壓力信號，所述壓力信號即為阻尼力矩 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，并根據(jù)磁粉制動 器19的電流-阻尼力矩關(guān)系曲線將所述電流信號轉(zhuǎn)換為等效阻尼力矩；
[0023] 力矩偏差計算步驟:計算力矩偏差計，所述力矩偏差計=阻尼力矩指令一等效阻 尼力矩；
[0024] 磁粉制動器控制信號發(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)換為磁粉制動器控制信號，并將該磁粉制動器控制信號發(fā)送給Η橋驅(qū)動器25。
[0025] 本發(fā)明所述的夾持裝置與手動操作設(shè)備所構(gòu)成的系統(tǒng)，能夠在遠程夾持物體過程 中模仿人手的功能，實現(xiàn)夾持過程的柔順控制。
[0026] 上述夾持裝置具有簡單緊湊的機械結(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)動使驅(qū)動具有自鎖功能;壓力傳感器信號除了 給夾持控制端提供力反饋信號外，還通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)竭h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)備采用磁粉制動器作為產(chǎn)生可變阻尼的執(zhí)行機構(gòu)，為防止阻尼力過大 W及滑差速率過低對造成的力矩不連續(xù)，本發(fā)明在手輪與磁粉制動器輸入軸之間采用齒輪 皮帶傳動結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整傳動比改善磁粉制動器的輸出阻尼力矩的平滑性。與電機類力反 饋執(zhí)行裝置相比，磁粉制動器是阻尼器件，不會產(chǎn)生反向力矩，通過調(diào)節(jié)激磁電流可實現(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)場壓力信號，閉環(huán)調(diào)節(jié)磁粉制動器的輸出 電流，進而控制阻尼力矩，使操作者能在遠程控制端感知現(xiàn)場的夾持壓力狀態(tài)。
[0028] 本發(fā)明具有操作、控制簡單方便，無需提供絲筒、鋼絲、轉(zhuǎn)盤、彈黃等輔助機構(gòu)等優(yōu) 點，具有遠程操作功能，且遙控操作者能夠感知夾持力的大小，適用于絕大多數(shù)需要遠程控 制的精確柔性夾持的應(yīng)用場合。
【附圖說明】
[0029] 圖1為實施方式一中的夾持裝置與手動操作設(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為實施方式一所述的夾持裝置的機械結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖3為實施方式一中的兩個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為實施方式二中的控制模塊的工作原理示意圖；
[0034] 圖6為實施方式二中的力/位混合柔順控制原理框圖；
[0035] 圖7為實施方式Ξ中的力/位移轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系；
[0036] 圖8為實施方式八所述的手操設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)示意圖，該圖為側(cè)視圖；
[0037] 圖9為實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為實施方式九中的控制模塊的工作原理示意圖；
[0039] 圖11為實施方式九中的控制模塊的工作流程圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0040] 一:結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，本實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、電機支架2、電機3、一號編碼器4、減速器5、滑臺6、雙向 螺桿7、兩個V型定位夾持臂8、螺桿支架10、一號處理器、驅(qū)動電路12、一號差分/TTL電平轉(zhuǎn) 換電路和信號調(diào)理電路；
[0041] 電機支架2用于將電機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，電機3用于通過減速器5帶動雙向螺桿7轉(zhuǎn)動；
[0042] 滑臺6固定在底板1上，且滑臺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V型定位夾持臂8相對設(shè)置，每個V型定位夾持臂8的夾持面均設(shè)置有娃 橡膠貼裝層9,且其中一個娃橡膠貼裝層9內(nèi)埋有壓力傳感器;兩個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V型定位夾持臂8的底部均位于滑臺6上的凹槽內(nèi)，并能夠 沿該凹槽的長度方向移動；
[0043] -號處理器的控制信號輸出端通過驅(qū)動電路12連接電機3的控制信號輸入端，一 號編碼器4用于檢測電機3輸出軸的角位移，一號編碼器4的信號輸出端通過一號差分/TTL 電平轉(zhuǎn)換電路連接一號處理器的電機角位移信號輸入端，一號處理器的CAN總線接口用于 接收位置指令W及發(fā)送力反饋信號，壓力傳感器的檢測信號輸出端通過信號調(diào)理電路連接 一號處理器的夾持力反饋信號輸入端。
[0044] 本實施方式所述的夾持裝置需要配合手動操作設(shè)備（簡稱手操設(shè)備）來完成夾持 動作，如圖1所示，夾持裝置安裝在工作現(xiàn)場區(qū)，手動操作設(shè)備安裝在遠程操作區(qū)，夾持裝置 和手動操作設(shè)備通過現(xiàn)場總線連接。手動操作設(shè)備包括手輪15、二號編碼器16、磁粉制動