一種模塊化六自由度機械手及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機械裝置及其控制方法，尤其涉及的是一種模塊化六自由度機械手及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，工業(yè)的自動化程度越來越高。而工業(yè)機器人能夠提高生產(chǎn)過程的自動化程度和生產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)能力，因而提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品在市場上的競爭能力。全世界已有約80萬臺工業(yè)機器人正在汽車工業(yè)、機電工業(yè)和其他工業(yè)部門運行，為人類的物質(zhì)生產(chǎn)建功立業(yè)。其中，以焊接機器人和裝配機器人為兩個最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。與工業(yè)機器人相比，其他機器人的數(shù)量尚十分有限，但其重要性不容忽視，發(fā)展前景也十分看好。
[0003]工業(yè)機器人位置控制的目的，就是要使機器人各關(guān)節(jié)實現(xiàn)預(yù)先所規(guī)劃的運動，最終保證工業(yè)機器人終端(手爪)沿預(yù)定的軌跡運行。這類運動控制的特點是連續(xù)控制工業(yè)機器人手爪(或工具)的位姿軌跡。一般要求速度可控、軌跡光滑且運動平穩(wěn)。軌跡控制的技術(shù)指標(biāo)是軌跡精度和平穩(wěn)性。工業(yè)機器人的控制是個多輸入一一多輸出控制系統(tǒng)。
[0004]我們把每個關(guān)節(jié)作為一個獨立的系統(tǒng)。因而，對于一個具有m個關(guān)節(jié)的工業(yè)機器人來說，我們可以把它分解成m個獨立的單輸入一一單輸出控制系統(tǒng)。這種獨立關(guān)節(jié)控制方法是近似的，因為它忽略了工業(yè)機器人的運動結(jié)構(gòu)特點，即各個關(guān)節(jié)之間相互耦合和隨形位變化的事實。如果對于更高性能要求的機器人控制，則必須考慮更有效的動態(tài)模型、更高級的控制方法和更完善的計算機體系結(jié)構(gòu)。
[0005]其中，機械手是一種新發(fā)展的自動化生產(chǎn)設(shè)備?？梢酝ㄟ^編程來實現(xiàn)各種預(yù)期作業(yè)任務(wù)。一般需要模擬人手的動作，用來代替人工，提高生產(chǎn)的自動化程度，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。尤其是代替人工完成各種極端條件下的工作，如極端溫度和壓力條件下，放射性或者毒性等污染環(huán)境中的工作。尤其是對于簡單重復(fù)性的工作，相比較于人力，具有極大的優(yōu)勢。
[0006]因為一個剛體在空間具有六個自由度，三個方向的空間位置自由度和繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)自由度，所以現(xiàn)在的機械手技術(shù)，因為需要抓取和傳送在空間不同位置和方位的物體，就要求能夠達(dá)到空間任意一點，完成任何姿勢的動作，即機械手末端相對于其底座可以達(dá)到任何的位姿，也就需要完成六個自由度的運動。而這一般都是通過六個獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)來完成的，每個關(guān)節(jié)都是通過移動或者轉(zhuǎn)動的軸來實現(xiàn)。
[0007]—般專用的機械手多為2~4個自由度，而通用機械手則需要3~6個自由度來實現(xiàn)(不包括機械手指的自由度)。
[0008]市場上供應(yīng)的工業(yè)機器人，關(guān)節(jié)數(shù)多為3~7個。最典型的工業(yè)機器人具有六個關(guān)節(jié)，存在六個自由度，帶有夾手(通常稱為手或末端執(zhí)行裝置)。
[0009]現(xiàn)有的六自由度機械手多為普通機械手，只能完成單工作任務(wù)或者較簡單的操作，而串聯(lián)式六自由度機械裝置雖然可以實現(xiàn)自動搬運、裝配、焊接等作業(yè)，但是，由于這種裝置的自身結(jié)構(gòu)限制，其串聯(lián)的關(guān)節(jié)接口比較單一，且缺少限制自由度的承載單元，故其機構(gòu)剛性較差，無法承擔(dān)較重物體的搬運任務(wù)，而其動力部分的電機減速通常是采用齒輪減速器減速，使得其控制精度較低，從而導(dǎo)致其運動精度較差，包括定位精度較差和重復(fù)精度較差?，F(xiàn)有的六自由度機械手在控制下的運動軌跡不能調(diào)整，仍然存在運動中心位置的偏差，加之這種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增大了控制的積累誤差，導(dǎo)致向某些位置的運動較為困難，運動精度下降，給工業(yè)應(yīng)用帶來了很大的不便。
[0010]因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可以靈活、可靠的調(diào)整運動的位置和角度的機械手裝置以及其控制方法。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種模塊化六自由度機械手，包括一用于提供整個系統(tǒng)運動能量的電源系統(tǒng)、一連接并控制整個結(jié)構(gòu)運動的控制系統(tǒng)、六個相互配合的關(guān)節(jié)模塊、各關(guān)節(jié)獨立的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，以及一末端抓取機構(gòu)，所述末端抓取機構(gòu)包括用于驅(qū)動所述末端抓取機構(gòu)的一氣動夾持系統(tǒng)，其中，所述機械手結(jié)構(gòu)還采用向外側(cè)延伸的連桿結(jié)構(gòu)連接相鄰兩個所述關(guān)節(jié)模塊，用于增加關(guān)節(jié)連接的強度、剛度和精度。
[0013]所述的模塊化六自由度機械手，其中，所述轉(zhuǎn)換機構(gòu)包括安裝在每個關(guān)節(jié)上的一動力系統(tǒng)，所述動力系統(tǒng)包括一電機連接一柔性結(jié)構(gòu)諧波減速器，并經(jīng)過所述柔性結(jié)構(gòu)諧波減速器減速后，在控制系統(tǒng)控制下，運動所連接的機構(gòu)到指定位置。
[0014]所述的模塊化六自由度機械手，其中，所述柔性結(jié)構(gòu)諧波減速器包括位于所述減速器中央的一波發(fā)生器，位于所述減速器外圍的一鋼輪和位于所述鋼輪內(nèi)側(cè)的一柔輪，所述柔輪用于通過變形實現(xiàn)與所述鋼輪的無側(cè)隙嚙合。
[0015]所述的模塊化六自由度機械手，其中，所述轉(zhuǎn)換機構(gòu)還包括至少一位置傳感器，所述位置傳感器設(shè)置在各關(guān)節(jié)本體上，用于實時檢測所述關(guān)節(jié)的位置。
[0016]所述的模塊化六自由度機械手，其中，所述控制系統(tǒng)還包括一伺服系統(tǒng)和一示教盒，所述伺服系統(tǒng)由基于DSP的運動控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電動機及光電編碼器組成；所述示教盒通過控制級計算機獲得機械手伺服系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于控制級計算機控制軟件中，從而實現(xiàn)對機械手的示教及控制。
[0017]所述的模塊化六自由度機械手，其中，所述末端抓取機構(gòu)采用卡盤式夾具結(jié)構(gòu)，包括一驅(qū)動旋轉(zhuǎn)氣缸連接并驅(qū)動至少一三爪氣動卡盤，并通過所述三爪氣動卡盤手指上的橡膠板接觸并抓取物體。
[0018]所述的模塊化六自由度機械手，其中，所述連桿機構(gòu)，由鈦合金材料制成；所述關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換機構(gòu)包括步進電機或伺服電機。
[0019]所述的模塊化六自由度機械手的控制方法，其中，所述六個關(guān)節(jié)模塊各自接受獨立的電機驅(qū)動，并經(jīng)過各自的諧波減速器減速后，驅(qū)動各自末端產(chǎn)生相應(yīng)的運動。
[0020]所述的模塊化六自由度機械手的控制方法，其中，包括以下步驟:
A:所述示教盒記錄人工操作過程中的力閉環(huán)信息和位置閉環(huán)信息，所述位置閉環(huán)信息包括通過傳感器檢測機械手末端抓取機構(gòu)的位移； B:所述示教盒輸出的所儲存的控制信息中的位移信息，經(jīng)位移/力變換環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為輸入力；
C:所述輸入力與力的設(shè)定值合成之后作為力控制的給定量，輸出后用于自動操縱所述機械手的運動。
[0021]所述的模塊化六自由度機械手結(jié)構(gòu)的控制方法，其中，所述控制方法通過控制機械手的離散點上手爪的位姿，實現(xiàn)相鄰點的運動。
[0022]本發(fā)明所提供的模塊化六自由度機械手及其控制方法，由于采用了對稱分布的連桿機構(gòu)連接各關(guān)節(jié)模塊，增加了關(guān)節(jié)連接的剛度、強度和精度，并可克服關(guān)節(jié)運動導(dǎo)致的慣性力矩，使得各關(guān)節(jié)運動的同步性較好；而提供各關(guān)節(jié)運動動力的電機采用相應(yīng)的諧波減速器減速，其輸出精度較高，這使得各關(guān)節(jié)運動較穩(wěn)定；而本發(fā)明所提供的模塊化六自由度機械手的控制方法，僅僅采樣并控制所述機械手的離散點上手爪的位姿，通過示教盒記錄人工操縱機械手過程中各離散點的相關(guān)采樣數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于以后的自動控制中，故能靈活、可靠地調(diào)整機械手運動的位置和角度，消除機械手運動的位置死角。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明模塊化六自由度機械手的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2A，2B是本發(fā)明模塊化六自由度機械手中柔性結(jié)構(gòu)諧波減速器的示意圖。
[0025]圖3A，3B是本發(fā)明模塊化六自由度機械手第一關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4A，4B是本發(fā)明模塊化六自由度機械手第二關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖5A，5B是本發(fā)明模塊化六自由度機械手第三關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖6A，6B是本發(fā)明模塊化六自由度機械手第四關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖7A，7B是本發(fā)明模塊化六自由度機械手第五關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖8A，8B是本發(fā)明模塊化六自由度機械手第六關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖9是本發(fā)明模塊化六自由度機械手的末端抓取機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明提供了一種模塊化六自由度機械手及其控制方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處