專利名稱：一種遙操作機(jī)器人的機(jī)械手末端三維接觸力測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及遙操作機(jī)器人機(jī)械手的力參數(shù)測(cè)定，尤其涉及一種遙操作機(jī)器人的機(jī)械手末端三維接觸力測(cè)量裝置。該裝置基于設(shè)置了兩個(gè)三維力傳感器，適用于減少或消除遙操作機(jī)械手非勻速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力對(duì)三維力傳感器接觸力的測(cè)量所產(chǎn)生的影響。
背景技術(shù)：
遙操作機(jī)器人是指在人的操作下能在人難以接近或?qū)θ擞泻Φ沫h(huán)境中，完成比較復(fù)雜操作的一種遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)。遙操作機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)前交互式機(jī)器人技術(shù)的前沿，它可廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療、空間探索、海洋開發(fā)等領(lǐng)域。遙操作機(jī)械手爪裝載于遙操作機(jī)器人機(jī)械臂的前端，可以進(jìn)行機(jī)器人與外部環(huán)境的力觸覺交互等作業(yè)。三維力傳感器裝配于遙操作機(jī)械手爪的后端，是測(cè)量機(jī)械手爪與環(huán)境接觸過程中相互作用力的基礎(chǔ)設(shè)備，是遙操作機(jī)械手實(shí)現(xiàn)力控制的信息獲取裝置。要實(shí)現(xiàn)對(duì)遙操作機(jī)械臂或機(jī)械手爪準(zhǔn)確的力控制， 就必須對(duì)機(jī)械手爪與環(huán)境接觸過程中的相互作用力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。當(dāng)遙操作機(jī)械手在進(jìn)行搬運(yùn)、焊接、抓取等各種作業(yè)時(shí)，三維力傳感器所測(cè)出的力信息除了機(jī)械手爪與周圍環(huán)境的接觸力以外，還包括由于遙操作機(jī)械臂及機(jī)械手爪由于非勻速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力。然而，遙操作機(jī)器人控制系統(tǒng)所需的力信號(hào)是機(jī)械手爪與周圍環(huán)境的接觸力。為了保證三維力傳感器準(zhǔn)確地檢測(cè)出接觸力，必須從三維力傳感器的輸出信號(hào)中除去由于遙操作機(jī)械臂及機(jī)械手爪非勻速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力成分。國(guó)內(nèi)外對(duì)于消除慣性力干擾的遙操作機(jī)械手末端三維力的測(cè)量方法的研究少之又少。南京郵電學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系的陳輝在1995年提出基于半導(dǎo)體應(yīng)變片式加速度計(jì)的消除慣性力對(duì)機(jī)器人腕力傳感器輸出的影響的方法，靈敏度較低、功耗較大且不易裝配。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提出一種遙操作機(jī)器人的機(jī)械手末端三維接觸力測(cè)量裝置，是一種可以消除慣性力干擾的基于兩個(gè)三維力傳感器的機(jī)械手末端三維接觸力測(cè)量裝置，將兩個(gè)三維力傳感器分別裝載于遙操作機(jī)械手爪與機(jī)械臂前臂之間以及遙操作機(jī)械臂前臂與后臂之間，根據(jù)兩個(gè)三維力傳感器分別所測(cè)得的力以及遙操作機(jī)械臂前臂和機(jī)械手爪等相關(guān)工件的質(zhì)量，帶入相關(guān)公式，直接求解遙操作機(jī)械手與周圍環(huán)境的三維接觸力。該裝置不需裝載加速度計(jì)和加速度的求解即可有效地消除慣性力的干擾，提高了三維力傳感器對(duì)機(jī)械手接觸力的測(cè)量精度，并具有簡(jiǎn)單、方便、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案—種遙操作機(jī)器人的機(jī)械手末端三維接觸力測(cè)量裝置，所述機(jī)械手包括機(jī)械手臂與機(jī)械手爪的聯(lián)接總體，機(jī)械手爪設(shè)置在機(jī)械手臂的前端，三維力傳感器設(shè)置在機(jī)械手爪與機(jī)械手臂之間，其特征在于設(shè)置兩個(gè)三維力傳感器，第一三維力傳感器設(shè)置在機(jī)械手臂前臂與機(jī)械手爪之間；第二三維力傳感器設(shè)置在機(jī)械手臂后臂與機(jī)械手臂前臂之間；定義機(jī)械手爪的質(zhì)量為m，機(jī)械手爪、機(jī)械手臂前臂以及第一三維力傳感器的總質(zhì)量為M ；[0008]機(jī)械手爪和機(jī)械手臂前臂進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，開啟第一、第二兩個(gè)三維力傳感器同時(shí)測(cè)力，并分別將其輸出的電壓信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)采集與AD轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)采集與AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，傳送至接觸力求解模塊，將第一三維力傳感器的測(cè)得的力和第二三維力傳感器的測(cè)得的力代入公式計(jì)算，從三維力傳感器的輸出信號(hào)中除去由于機(jī)械臂及機(jī)械手爪非勻速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力成分，直接求解出遙操作機(jī)械手爪與周圍環(huán)境的三維接觸力fx，fy，fz，再通過控制模塊將求解出的fx，fy，fz通過PID控制算法，對(duì)遙操作機(jī)械手爪和遙操作機(jī)械臂進(jìn)行反饋控制。具體計(jì)算如下開啟第一、第二兩個(gè)三維力傳感器，當(dāng)機(jī)械手爪和機(jī)械手臂前臂進(jìn)行動(dòng)作并做非勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)三維力傳感器同時(shí)測(cè)力，第一三維力傳感器的測(cè)得的力為Fxl，F(xiàn)yl，F(xiàn)zl，包括機(jī)械手爪與周圍環(huán)境的接觸力fx，fy，fz和機(jī)械手爪非勻速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力fxm，fym，fzm ； 第二三維力傳感器的測(cè)得的力為Fx2，F(xiàn)y2，F(xiàn)z2，包括機(jī)械手爪與周圍環(huán)境的接觸力fx，fy，fz 和機(jī)械手爪、機(jī)械臂前臂、第一三維力傳感器非勻速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力fxM，fyM, fzM ；則兩個(gè)傳感器所測(cè)得的力分別為 第一三維力傳感器· 第二三維力傳感器·
Fxi=fx+fxm
Fyl - fy + fym
Fzi=fz+fzm Fx2=fx+fxM
Fy2 ~ fy^ fyM
I^z2 = Λ+ /zM
) 11
/Iv
(2) 設(shè)機(jī)械手爪與機(jī)械手臂前臂三個(gè)方向的線加速度分別為\，ay, az，則機(jī)械手爪由于非勻速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力fxm，fym，fzm與機(jī)械手爪、機(jī)械臂前臂、第一三維力傳感器非勻速
運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力fxM，fyM，fzM表示為 fxm= 一m^ax
fym=-mxay(3)
/2m =-W χαζ
fyM=~Mxay(4)
/,M=-Mxaz
將式(3)、式(4)分別代入式(1)、式(2)得 Fxl =fx-mxax
Fyx =fy-mxay(5)
F2X= f
Fx2=f,~Mxax
Fyl=Iy-Mxay(6)
將第一三維力傳感器的測(cè)得力Fxl，F(xiàn)1, Fzl和第二三維力傳感器的測(cè)得力Fx2，F(xiàn)2,Fz2分別帶入式(5)、式(6)得 ,:MFxl-mFx2 x M — m \f =MFy'~mFy2 (7) M-m
M-m由式(7)得知，通過已知的m和M，以及兩個(gè)傳感器分別測(cè)得三個(gè)方向的分力Fxl， Fyl, Fzl和Fx2，F(xiàn)y2，F(xiàn)z2，直接計(jì)算出遙操作機(jī)械手爪與周圍環(huán)境的三維接觸力fx，fy，fz,消除了慣性力的干擾。由控制模塊將求解出的fx，fy，fz通過PID控制算法，對(duì)遙操作機(jī)械手爪和遙操作機(jī)械臂進(jìn)行反饋控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果為(1)消除了慣性力的干擾，提高了三維力傳感器的測(cè)力精度。(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需使用加速度計(jì)而僅用兩個(gè)三維力傳感器就消除了慣性力的干擾，節(jié)約了硬件和軟件資源。(3)無需進(jìn)行加速度的求解而直接求解接觸力，算法簡(jiǎn)單可靠，速度較快且成本較低。

圖1是本實(shí)用新型的測(cè)量流程圖；圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例原理框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。參照?qǐng)D2，為臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人機(jī)械手裝置，其主要任務(wù)是在人們難以靠近的高溫、高壓、強(qiáng)輻射、窒息等極限環(huán)境實(shí)施物體抓取等作業(yè)。包括遙操作機(jī)械手爪1，第一三維力傳感器3，遙操作機(jī)械臂前臂5，第二三維力傳感器7，由鉸鏈構(gòu)成的遙操作機(jī)器人肘關(guān)節(jié) 10，鉸鏈與前臂之間用于固定第二三維力傳感器的基座9和遙操作機(jī)械臂后臂11。第一三維力傳感器3通過其底端的法蘭盤4固定于遙操作機(jī)械臂前臂5的前端并通過第一三維力傳感器頂端的法蘭盤2與遙操作機(jī)械手爪的底部連接。第二三維力傳感器7通過其底部的法蘭盤8固定于基座9的前端，并通過其頂端法蘭盤6與遙操作機(jī)械臂前臂4的后端連接。 由鉸鏈構(gòu)成的遙操作機(jī)器人肘關(guān)節(jié)10用于連接基座9和遙操作機(jī)械臂后臂11。機(jī)械手爪 1與第一三維力傳感器3之間，第一三維力傳感器3與遙操作機(jī)械臂前臂5之間，遙操作機(jī)械臂前臂5與第二三維力傳感器7之間以及第二三維力傳感器7與基座9之間均為剛性連接。臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人進(jìn)行臨場(chǎng)感作業(yè)時(shí)，機(jī)械手爪1，第一三維力傳感器3，遙操作機(jī)械臂前臂5，第二三維力傳感器7和基座9的中心軸保持在同一條直線上，不會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。由鉸鏈構(gòu)成的遙操作機(jī)器人肘關(guān)節(jié)10將基座9和遙操作機(jī)械臂后臂11連接，并使得由機(jī)械手爪1，第一三維力傳感器3，操作機(jī)械臂前臂5，第二三維力傳感器7，基座9構(gòu)成的遙操作機(jī)械臂前半部分與遙操作機(jī)械臂后臂11可一發(fā)生繞由鉸鏈構(gòu)成的遙操作機(jī)器人肘關(guān)節(jié)10的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械手爪1的手爪可以張開與閉合進(jìn)行臨場(chǎng)感作業(yè)。其中遙操作機(jī)械手爪1的質(zhì)量為m ；遙操作機(jī)械手爪1、遙操作機(jī)械臂前臂5和第一三維力傳感器3 (包括法蘭盤2和4)的總質(zhì)量為M。參看圖1、3，臨場(chǎng)感遙操作機(jī)器人進(jìn)行臨場(chǎng)感作業(yè)時(shí)，由遙操作機(jī)械手爪受到與外界環(huán)境的三維接觸力為(fx，fy，fz)，并由于非勻速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生三維慣性力(fxm，fym，fj。遙操作機(jī)械手爪將(fx，fy，fz)與(fxm，fym，fj傳遞給第一三維力傳感器進(jìn)行力信號(hào)的測(cè)量， 并將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。設(shè)第一三維力傳感器測(cè)得的力信號(hào)為爾1!￡，&,，&2)，則(Flx, Fly，F(xiàn)J = (fx+ffflx, fy+fmy，fz+fmz)同時(shí)，第一三維力傳感器也由于非勻速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生三維慣性力(flx，fly，flz)，并將 (fx, fy，fz)，(fxm，fym，fj，(flx，fly，flz)與傳遞給遙操作機(jī)械臂前臂。遙操作機(jī)械臂前臂將 (fx，fy，fz)，(fxm，fym，fj, (flx，fly，flz)以及自身非勻速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生三維慣性力(f3x，f3y, f3z)傳遞給第二三維力傳感器。設(shè)機(jī)械手、機(jī)械臂前臂、第一三維力傳感器非勻速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力總和為(fMx，fMy，f z)，即(f·，fMy, fMz) = (fmx+flx+f3x, fmy+fly+f3y，fmz+flz+f3z)設(shè)第二三維力傳感器測(cè)得的力信號(hào)為(Fx2，F(xiàn)y2，F(xiàn)z2)，則(Fx2, Fy2，F(xiàn)z2) = (fx+fMx, fy+fMy, fz+fMz)。第一、第二三維力傳感器分別將其輸出的電壓信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)采集與AD轉(zhuǎn)換模塊。數(shù)據(jù)采集與AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，傳送至接觸力求解模塊。由接觸力求解模塊判斷數(shù)字信號(hào)所對(duì)應(yīng)的第一、第二三維力傳感器所測(cè)力值的大小，將換算出的測(cè)得力(Flx，F(xiàn)ly，F(xiàn)J與(Fx2，F(xiàn)y2，F(xiàn)z2)代入式
權(quán)利要求1. 一種遙操作機(jī)器人的機(jī)械手末端三維接觸力測(cè)量裝置，所述機(jī)械手包括機(jī)械手臂與機(jī)械手爪的聯(lián)接總體，機(jī)械手爪設(shè)置在機(jī)械手臂的前端，三維力傳感器設(shè)置在機(jī)械手爪與機(jī)械手臂之間，其特征在于設(shè)置兩個(gè)三維力傳感器，第一三維力傳感器設(shè)置在機(jī)械手臂前臂與機(jī)械手爪之間；第二三維力傳感器設(shè)置在機(jī)械手臂后臂與機(jī)械手臂前臂之間；機(jī)械手爪和機(jī)械手臂前臂進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，開啟第一、第二兩個(gè)三維力傳感器同時(shí)測(cè)力，并分別將其輸出的電壓信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)采集與AD轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)采集與AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，傳送至接觸力求解模塊，再通過控制模塊對(duì)遙操作機(jī)械手爪和遙操作機(jī)械臂進(jìn)行反饋控制。
專利摘要本實(shí)用新型提出一種遙操作機(jī)器人的機(jī)械手末端三維接觸力測(cè)量裝置，所述遙操作機(jī)械手包括機(jī)械手臂與機(jī)械手爪的聯(lián)接總體，其特征在于設(shè)置兩個(gè)三維力傳感器，第一三維力傳感器設(shè)置在機(jī)械手臂前臂與機(jī)械手爪之間；第二三維力傳感器設(shè)置在機(jī)械手臂后臂與機(jī)械手臂前臂之間；定義機(jī)械手爪的質(zhì)量為m，機(jī)械手爪、機(jī)械手臂前臂以及第一三維力傳感器的總質(zhì)量為M，帶入求解公式，直接計(jì)算遙操作機(jī)械手與周圍環(huán)境的三維接觸力。本裝置不需裝載加速度計(jì)和加速度的求解即可有效地消除慣性力的干擾，提高了三維力傳感器對(duì)機(jī)械手接觸力的測(cè)量精度，并具有簡(jiǎn)單、方便、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B25J19/00GK202097745SQ20112002912
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者吳涓, 宋愛國(guó), 崔建偉, 茅晨, 馬俊青 申請(qǐng)人:東南大學(xué)