本發(fā)明涉及機(jī)器人控制技術(shù)，具體涉及一種遙操作機(jī)器人機(jī)械手爪夾持力的計(jì)算方法及機(jī)械手爪控制方法。

背景技術(shù)：

遙操作機(jī)器人是指在人的操作下，能夠在人難以接近或?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)，其廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療、空間探索、海洋開發(fā)、核環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域。

遙操作機(jī)器人在具有高溫、高腐蝕、強(qiáng)干擾、輻射大等環(huán)境作業(yè)時(shí)，遙操作機(jī)械手爪裝載于遙操作機(jī)器人的機(jī)械臂的前端，是機(jī)器人本體與環(huán)境物理交互的重要媒介，隨著工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)器人末端的柔順性的要求越來(lái)越高。對(duì)象抓取任務(wù)已不再是機(jī)械手爪簡(jiǎn)單的開閉就可以完成，考慮到抓取過(guò)程的夾持力必須被可靠控制，以及達(dá)到靈巧性和自主性，單獨(dú)的位置控制已經(jīng)不能夠滿足實(shí)際需求，因此，力控制逐漸變成機(jī)器人控制領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要的研究方向。

傳統(tǒng)的機(jī)械手末端的力控制方法通常是基于力傳感器，但是力傳感器的使用會(huì)不僅造成成本的高昂，而且在高溫、高腐蝕、強(qiáng)干擾等特殊環(huán)境下應(yīng)用受到限制，而且傳感器中有大量噪聲，環(huán)境剛度未知，嚴(yán)重影響機(jī)械手爪的控制性能，在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中使用大量傳感器，靈敏度低，功耗較大，且不易裝配等缺點(diǎn)，很難完成復(fù)雜任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的遙操作機(jī)器人機(jī)械手爪夾持力的計(jì)算方法及機(jī)械手爪控制方法能夠在不借助外界力傳感器的情況下，就能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手爪的夾持力計(jì)算。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

第一方面，提供一種遙操作機(jī)器人機(jī)械手爪夾持力的計(jì)算方法，其包括以下步驟：

采用cad三維模型獲取機(jī)械手爪每根連桿的長(zhǎng)度和質(zhì)量，所述機(jī)械手爪的單側(cè)臂為平行四邊形機(jī)構(gòu)；

對(duì)機(jī)械手爪單側(cè)臂的閉鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行開鏈分解，形成開鏈ⅰ和開鏈ⅱ；

根據(jù)開鏈ⅰ和開鏈ⅱ的關(guān)節(jié)力矩，計(jì)算閉鏈機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩；

采用廣義動(dòng)量設(shè)計(jì)干擾力矩觀測(cè)器，并根據(jù)干擾力矩觀測(cè)器觀測(cè)殘余向量：

其中，r為殘余向量；k為增益矩陣；τa為閉鏈機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩；α()為連桿重力矩向量、科式力和向心力矩陣的合成向量；q為關(guān)節(jié)角；為關(guān)節(jié)角速度；p為機(jī)械手爪的廣義動(dòng)量；

對(duì)殘余向量的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行拉普拉斯變換計(jì)算干擾力矩：

其中，r(s)為殘余向量的導(dǎo)數(shù)在復(fù)變量s域下的值；τc(s)為干擾力矩τc在復(fù)變量s域下的值；s為復(fù)變量；

根據(jù)所述干擾力矩，計(jì)算機(jī)械手爪夾持力：

其中，f為機(jī)械手爪夾持力；l1'為第五連桿的長(zhǎng)度；θf(wàn)x為機(jī)械手爪夾持力在x軸方向上的分力與機(jī)械手爪夾持力之間的夾角；θ2為第一連桿和第二連桿交匯處的關(guān)節(jié)角。

第二方面，提供一種遙操作機(jī)器人的機(jī)械手爪末端無(wú)力傳感器的控制方法，其包括以下步驟：

向pid控制器輸入機(jī)械手爪的期望關(guān)節(jié)角速度和期望夾持力；

控制所述機(jī)械手爪采用期望關(guān)節(jié)角速度向著被夾持對(duì)象移動(dòng)；

當(dāng)機(jī)械手爪與被夾持對(duì)象接觸時(shí)，獲取機(jī)械手爪的編碼器采集的關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角；

基于編碼器采集的關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角，采用權(quán)利要求1-5任一所述的計(jì)算方法計(jì)算機(jī)械手爪夾持被夾持對(duì)象時(shí)的夾持力，并將所述夾持力反饋給所述pid控制器；

所述pid控制器以期望夾持力作為輸入，以所述夾持力作為反饋，控制機(jī)械手爪與被夾持對(duì)象的實(shí)際夾持力接近期望夾持力。

本發(fā)明的有益效果為：采用本方案的計(jì)算方法可以在不外加力傳感器、加速度計(jì)的情況下，基于機(jī)械手爪自帶的編碼器采集的關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角就能夠計(jì)算出機(jī)械手爪夾持被夾持對(duì)象時(shí)所需的夾持力，并通過(guò)所得到夾持力實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪工作時(shí)夾持力的準(zhǔn)確控制。

通過(guò)這種計(jì)算方法在機(jī)械手爪工作時(shí)實(shí)現(xiàn)夾持力準(zhǔn)確獲取及準(zhǔn)確控制，從而解決了傳統(tǒng)添加外部力傳感器和加速度傳感器成本昂貴和安裝不便及安裝傳感器靈敏度低、功耗較大等問(wèn)題，該方式計(jì)算的夾持力具有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為遙操作機(jī)器人機(jī)械手爪夾持力的計(jì)算方法的流程圖。

圖2為遙操作機(jī)器人的機(jī)械手爪的基本結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)示意圖。

圖3為遙操作機(jī)器人的機(jī)械手爪的基本結(jié)構(gòu)夾持力示意圖。

圖4為遙操作機(jī)器人的機(jī)械手爪末端無(wú)傳感器力控制方法的實(shí)際作用力與估計(jì)作用力的仿真圖。

圖5為遙操作機(jī)器人的機(jī)械手爪末端無(wú)傳感器力控制方法的作用力誤差的仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。

參考圖1，圖1示出了遙操作機(jī)器人機(jī)械手爪夾持力的計(jì)算方法的流程圖；如圖1所示，該計(jì)算方法包括步驟101至步驟106。

在步驟101中，采用cad三維模型獲取機(jī)械手爪每根連桿的長(zhǎng)度和質(zhì)量；具體地，將機(jī)械手爪的cad圖紙直接導(dǎo)入cad三維模型中，由于機(jī)械手爪在設(shè)計(jì)時(shí)，其每根連桿的長(zhǎng)度、質(zhì)量、重心位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在圖紙上均能體現(xiàn)，故本步驟采用cad三維模型就能直接生成每根連桿的長(zhǎng)度和質(zhì)量。

如圖2和圖3所示，本方案研究的是單側(cè)臂為平行四邊形機(jī)構(gòu)的機(jī)械手爪；圖2和圖3中的link1為第一連桿，link2為第二連桿，link3為第三連桿，link(4)為第四連桿，link1′為第五連桿；其中第三連桿和第四連桿為連接為一體的桿體，且兩者之間的夾角固定為θ3-4。

如圖2所示，坐標(biāo)系xoy作為基坐標(biāo)系，設(shè)第一連桿、第二連桿、第三連桿、第四連桿和第五連桿均為粗細(xì)均勻且質(zhì)量均勻分布的剛性連桿，其中第一連桿為固定基座(看作固定連桿)，將機(jī)械手爪基本結(jié)構(gòu)看作閉鏈結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行研究。

如圖2所示，設(shè)遙操作任務(wù)過(guò)程中，不考慮摩擦力且重力沿著基坐標(biāo)系y軸負(fù)方向。其中第一連桿看作虛擬連桿，關(guān)節(jié)角θ1＝0為固定值，圖2和圖3中的θ2、θ3和θ1'均為其所在處兩根連桿之間形成的關(guān)節(jié)角度；θ1為第五連桿和第一連桿的初始關(guān)節(jié)角度；θ4為第三連桿、第四連桿第五連桿交匯處關(guān)節(jié)角。圖2中右側(cè)的直角梯形為固定基座，其上端的矩形塊為被夾持對(duì)象，夾持力的反作用力為f。

在步驟102中，對(duì)機(jī)械手爪單側(cè)臂的閉鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行開鏈分解，形成開鏈ⅰ和開鏈ⅱ。實(shí)施時(shí)，本方案優(yōu)選第三連桿、第四連桿和第五連桿交匯處的關(guān)節(jié)為斷開關(guān)節(jié)，第一連桿、第二連桿、第三連桿和第四連桿形成開鏈ⅰ，第五連桿形成開鏈ⅱ；其中，第三連桿和第四連桿為連接為一體的桿體。

在步驟103中，根據(jù)開鏈ⅰ和開鏈ⅱ的關(guān)節(jié)力矩，計(jì)算閉鏈機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩；閉鏈機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算公式為：

τa＝τ2-τ3+τ1'

其中，τa為閉鏈機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩；τ2為第二連桿的關(guān)節(jié)力矩；τ3為第三連桿的關(guān)節(jié)力矩；τ1'為第五連桿的關(guān)節(jié)力矩。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第五連桿的關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算公式為：

其中，τii為開鏈ⅱ的關(guān)節(jié)力矩；bii為開鏈ⅱ的慣性矩陣；vii為開鏈ⅱ的科氏力；gii為開鏈ⅱ的重力矩；qii為開鏈ⅱ的關(guān)節(jié)角度；為開鏈ⅱ的關(guān)節(jié)角速度；為開鏈ⅱ的關(guān)節(jié)角加速度。

第二連桿的關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算公式為：

第三連桿的關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算公式為：

其中，v1為第一連桿的向心力向量；g1為第一連桿的重力矩；v3為第三連桿的向心力向量；g3為第三連桿的重力矩；為開鏈ⅰ的慣性矩陣的第一行第一列的元素；為開鏈ⅰ的慣性矩陣的第一行第二列的元素；為開鏈ⅰ的慣性矩陣的第一行第三列的元素；為開鏈ⅰ的慣性矩陣的第一行第四列的元素；為開鏈ⅰ的慣性矩陣的第三行第一列的元素；為開鏈ⅰ的慣性矩陣的第三行第二列的元素；為開鏈ⅰ的慣性矩陣的第三行第三列的元素；為開鏈ⅰ的慣性矩陣的第三行第四列的元素；為第一連桿與第五連桿的初始關(guān)節(jié)角的加速度；為第一連桿與第二連桿之間關(guān)節(jié)角的加速度；為第二連桿與第三連桿之間關(guān)節(jié)角的加速度；為第三連桿、第四連桿和第五連桿交匯處關(guān)節(jié)角的加速度。

其中，開鏈ⅱ的慣性矩陣與開鏈ⅰ的慣性矩陣的列數(shù)和行數(shù)都相等，開鏈ⅰ的慣性矩陣為：

在步驟104中，采用廣義動(dòng)量設(shè)計(jì)干擾力矩觀測(cè)器，并根據(jù)干擾力矩觀測(cè)器觀測(cè)殘余向量：

其中，r為殘余向量；k為增益矩陣；τa為閉鏈機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩；α()為連桿重力矩向量、科式力和向心力矩陣的合成向量；q為關(guān)節(jié)角；為關(guān)節(jié)角速度；p為機(jī)械手爪的廣義動(dòng)量。

其中，機(jī)械手爪廣義動(dòng)量p的計(jì)算公式為：

b(q)為機(jī)械手爪的慣性矩陣；為關(guān)節(jié)角速度。

連桿重力矩向量、科式力和向心力矩陣的合成向量的公式為：

本方案采用干擾力矩觀測(cè)器進(jìn)行殘余向量觀測(cè)后，無(wú)需在機(jī)械手末端或腕部安裝力矩傳感器來(lái)檢測(cè)外力，且采用本方案的計(jì)算方法，機(jī)械手爪在任何位置與外界物體發(fā)生碰撞，都能夠?qū)崿F(xiàn)外力的快速計(jì)算。

在采用廣義動(dòng)量設(shè)計(jì)干擾力矩觀測(cè)器時(shí)，還需要考慮動(dòng)量估計(jì)值的導(dǎo)數(shù)的計(jì)算，本方案選取四階r-k算法求取動(dòng)量估計(jì)值的導(dǎo)數(shù)。

其中，動(dòng)量估計(jì)值的計(jì)算公式為：

在步驟105中，對(duì)殘余向量的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行拉普拉斯變換計(jì)算干擾力矩：

其中，r(s)為殘余向量的導(dǎo)數(shù)在復(fù)變量s域下的值；τc(s)為干擾力矩τc在復(fù)變量s域下的值；s為復(fù)變量；

上述的殘余向量的導(dǎo)數(shù)的公式為：

其中，為殘余向量的導(dǎo)數(shù)；為廣義動(dòng)量的導(dǎo)數(shù)。

在步驟106中，根據(jù)所述干擾力矩，計(jì)算機(jī)械手爪夾持力：

其中，f為機(jī)械手爪夾持力；l1'為第五連桿的長(zhǎng)度；θf(wàn)x為機(jī)械手爪夾持力在x軸方向上的分力與機(jī)械手爪夾持力之間的夾角；θ2為第一連桿和第二連桿交匯處的關(guān)節(jié)角。

至此，已完成對(duì)遙操作機(jī)器人機(jī)械手爪夾持力的計(jì)算方法的說(shuō)明，下面接著對(duì)遙操作機(jī)器人的機(jī)械手爪末端無(wú)力傳感器的控制方法進(jìn)行說(shuō)明。

該控制方法包括以下步驟：

向pid控制器輸入機(jī)械手爪的期望關(guān)節(jié)角速度和期望夾持力；

控制所述機(jī)械手爪采用期望關(guān)節(jié)角速度向著被夾持對(duì)象移動(dòng)；

當(dāng)機(jī)械手爪與被夾持對(duì)象接觸時(shí)，獲取機(jī)械手爪的編碼器采集的關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角；

基于編碼器采集的關(guān)節(jié)角速度和關(guān)節(jié)角，采用權(quán)利要求1-5任一所述的計(jì)算方法計(jì)算機(jī)械手爪夾持被夾持對(duì)象時(shí)的夾持力，并將所述夾持力反饋給所述pid控制器；

所述pid控制器以期望夾持力作為輸入，以所述夾持力作為反饋，控制機(jī)械手爪與被夾持對(duì)象的實(shí)際夾持力接近期望夾持力。

圖4和圖5為在matlab/simulink平臺(tái)下所做的仿真，通過(guò)兩個(gè)仿真圖可以得出，本方案在無(wú)外界的力傳感器下計(jì)算的夾持力及機(jī)械手爪末端無(wú)力傳感器的控制方法中，針對(duì)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)這一類機(jī)械手爪，在非接觸的情況下，計(jì)算的夾持力能夠跟隨實(shí)際夾持力；而且利用計(jì)算的夾持力作為反饋，結(jié)合速度和力控制切換的控制方式，實(shí)現(xiàn)了低振蕩的無(wú)力傳感器的機(jī)械手爪夾持力的控制。