一種機(jī)械爪以及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機(jī)械爪以及控制方法，屬于機(jī)械工具技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械爪是自動(dòng)化系統(tǒng)中常用的裝置，用來(lái)搬運(yùn)移動(dòng)物體，或給所需加工的工件進(jìn) 行夾持固定，具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，按驅(qū)動(dòng)方式可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，氣缸 驅(qū)動(dòng)，一般的機(jī)械爪零件較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，控制精度較差，對(duì)于一些易損壞的物體的抓 取，不能有效抓取。
[0003] -般機(jī)械爪末端的位姿是各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的誤差，實(shí)際的 末端位姿與通過(guò)各關(guān)節(jié)計(jì)算的理論值會(huì)有偏差。機(jī)械爪末端如何快速?gòu)钠鹗嘉恢靡苿?dòng)到目 標(biāo)位置，在移動(dòng)的過(guò)程中末端位姿如何控制，都是機(jī)械爪相關(guān)理論的研究重點(diǎn)。只有規(guī)劃出 合理末端的位姿，根據(jù)末端位姿信息，才能反解出機(jī)械爪各關(guān)節(jié)的變化量，才能保證機(jī)械爪 高效的運(yùn)作。常規(guī)的機(jī)械爪運(yùn)動(dòng)控制都是勻速控制，但是如果速度取得過(guò)大，在啟動(dòng)和停止 時(shí)就運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就會(huì)有明顯的振動(dòng)，如果速度取得過(guò)小，就無(wú)法保證加工的效率。對(duì)于機(jī)械爪 的工作前期準(zhǔn)備的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，啟動(dòng)階段的振動(dòng)可以不考慮振動(dòng)問(wèn)題，但是停止階段必須考 慮振動(dòng)的影響，簡(jiǎn)單的采用較小的速度策略，來(lái)抑制振動(dòng)，必然會(huì)帶來(lái)運(yùn)動(dòng)效率低的結(jié)果，
[0004] 針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實(shí)有必要進(jìn)行研究，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在 的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)械爪以及控制方法，采用傘形齒 輪實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)控制，利用非對(duì)稱的型加減速控制方法，開(kāi)始階段的加加速度值較大， 結(jié)束階段的加加速度值較小，能夠有效提高機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)效率和精度。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0007] -種機(jī)械爪，包括機(jī)械臂本體、電控模塊、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、爪子機(jī)構(gòu)，機(jī)械臂 本體連接有電控模塊，電動(dòng)模塊控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)與爪子機(jī)構(gòu)相連接并帶動(dòng)爪子機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)傘形齒輪、被動(dòng)傘形 齒輪，所述爪子機(jī)構(gòu)的傳送軸與被動(dòng)傘形齒輪配合連接，主動(dòng)傘形齒輪帶動(dòng)被動(dòng)傘形齒輪 旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)爪子機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用傘形齒輪能夠改變電機(jī)扭矩的傳動(dòng)方向，使得零 部件的布置更為合理，減少機(jī)構(gòu)所占的空間。
[0008] 進(jìn)一步地，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括支撐座、端蓋，所述端蓋固定連接在機(jī)械臂本體 上，支撐座中間位置設(shè)置有短軸用與被動(dòng)傘形齒輪連接，使得被動(dòng)傘形齒輪以能夠旋轉(zhuǎn)的 方式固定在支撐座上，無(wú)法軸向移動(dòng)，支撐座四周設(shè)置有螺栓孔，用以與端蓋固定連接。
[0009] 進(jìn)一步地，所述被動(dòng)傘形齒輪設(shè)置有梯度通孔，一端通孔較大用于同支撐座的短 軸相配合連接，限制被動(dòng)傘形齒輪的徑向移動(dòng)，一端通孔較小并設(shè)置有螺紋用于同傳送軸 的螺紋相配合，同時(shí)支撐座中間位置開(kāi)有通孔，使得傳送軸能夠依次穿過(guò)端蓋、支撐座與被 動(dòng)傘形齒輪內(nèi)螺紋相配合旋進(jìn)旋出。
[0010] 進(jìn)一步地，所述爪子機(jī)構(gòu)包括傳送軸、爪子、測(cè)距器、壓敏元件、攝像頭，爪子前端 內(nèi)側(cè)安裝有壓敏元件用以控制爪子的夾緊力，靠近壓敏元件的位置，同時(shí)安裝有測(cè)距器，用 以調(diào)節(jié)爪子張開(kāi)的角度和范圍，爪子上端的內(nèi)側(cè)同時(shí)安裝有攝像頭用以觀察抓取時(shí)的周邊 環(huán)境以及抓取物體。
[0011] 優(yōu)選地，測(cè)距器為激光測(cè)距儀或者是超聲波測(cè)距儀。
[0012] 本發(fā)明提供了又一以下技術(shù)方案：
[0013] 用于機(jī)械爪的控制方法，包括如下步驟：S10,把機(jī)械爪的位置信息輸入到電控模 塊中；S20,電控模塊的控制芯片根據(jù)始末位置信息對(duì)機(jī)械爪進(jìn)行軌跡規(guī)劃；S30,電控模塊 把規(guī)劃信息轉(zhuǎn)化為電機(jī)（1)控制信號(hào)；S40,通過(guò)控制電機(jī)（1)的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械爪運(yùn) 動(dòng)。
[0014] 機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)控制涉及到兩位置點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，初始位置和終點(diǎn)位置的加速度與 速度均為零。采用非對(duì)稱型加減速控制方法，運(yùn)行過(guò)程被分為七段，分別是加加速度段、勻 加速度段、減加速度段、勻速度段、加減速度段、勻減速度段、減減速度段。其中加加速度段、 減加速度段、加減速度段與減減速度段這四個(gè)時(shí)間段時(shí)間值相同，勻加速度段和勻減速度 段時(shí)間值相同。考慮加加速度對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，非對(duì)稱的型加減速控制方法，開(kāi)始階段即 加加速度段、減加速度段二個(gè)時(shí)間段采用較大加加速度，結(jié)束階段即加減速度段、減減速度 段采用較小的加加速度，消除因?yàn)榧蛹铀俣冗^(guò)大導(dǎo)致末端停止時(shí)出現(xiàn)的較大振動(dòng)，無(wú)法兼 顧精度與效率的問(wèn)題。
[0015] S20進(jìn)一步包括以下步驟：
[0016] S201，電控模塊的控制芯片根據(jù)始末位置信息，計(jì)算機(jī)械爪需要運(yùn)動(dòng)距離；
[0017] S202,控制芯片根據(jù)運(yùn)動(dòng)距離以及加工要求確定前后階段的加加速度比率K;
[0018] S203,根據(jù)加加速度段時(shí)間值tn求出加減速度段時(shí)間值為t ]2，不考慮到軌跡規(guī)劃 的約束條件，始末速度為零，加速度對(duì)時(shí)間積分得到速度值，進(jìn)行分析計(jì)算：
[0020] 可以解得tn、tj2的關(guān)系，
[0022] 其中：jerk為最大加加速度度值，k為加加速度比率
[0023] S204,根據(jù)勻加速度段時(shí)間tal確定勻減速度段時(shí)間t a2，當(dāng)tvl= 0時(shí)根據(jù)始末速 度約束條件即始末速度為零，已知tn、t]2的變化關(guān)系，利用面積割補(bǔ)法可以得到t al、ta2變 化關(guān)系，計(jì)算公式如下：
[0025] S205,計(jì)算勻加加速度階段時(shí)間tn，根據(jù)時(shí)間最優(yōu)原則，先不考慮限制條件，軌跡 規(guī)劃時(shí)只有勻加加速度階段包括四個(gè)時(shí)間段：加加速度段、減加速度段、加減速度段和減減 速度段，不存在其他速度變化段；因此先令tal= 0, t a2= 0, t vl= 0,求t η值；根據(jù)非對(duì)稱型 加減速控制算法可得到關(guān)于速度和位移的二元三次方程組，進(jìn)而可得tn，計(jì)算公式如下：
[0027] S206,對(duì)勻加加速度階段時(shí)間tn進(jìn)行修正，考慮速度，加速度限制要求，由于最大 速度出現(xiàn)減加速度段結(jié)束時(shí)，加速度最大值出現(xiàn)在加加速度段結(jié)束時(shí)，還必須對(duì)tn進(jìn)行修 正計(jì)算公式如下：
[0029] S207,確定勻加速度段時(shí)間值tal，勻速度段時(shí)間值tvl，類(lèi)似tn、t j2求解過(guò)程，可求 得tal值，進(jìn)而求出t vl值；
[0030] S208,控制芯片根據(jù)規(guī)劃的時(shí)間量，求出每個(gè)伺服周期內(nèi)的位移量，優(yōu)選地，控制 芯片采用DSP處理器，能夠快速準(zhǔn)確的進(jìn)行運(yùn)算。
[0031] 進(jìn)一步地，S202,加加速度比率K為加加速度段加加速度值與加減速度段加加速 度值二者的比值，開(kāi)始階段即加加速度段和減加速度段采用較大加加速度，結(jié)束階段即加 減速度段和減減速度段采用較小的加加速度，消除因?yàn)榧蛹铀俣冗^(guò)大導(dǎo)致末端停止時(shí)出現(xiàn) 的較大振動(dòng)，無(wú)法兼顧精度與效率的問(wèn)題。
[0032] 進(jìn)一步地，S208,對(duì)規(guī)劃的時(shí)間量要根據(jù)采樣周期進(jìn)行離散化處理，轉(zhuǎn)為機(jī)器系統(tǒng) 能夠處理的時(shí)間周期。
[0033] 進(jìn)一步地，對(duì)tn，tal進(jìn)行修正計(jì)算后，t _j2, ta2需要分別根據(jù)S203、S204的計(jì)算方 法，進(jìn)行重新計(jì)算確定tj2, ta2的值。
[0034] 進(jìn)一步地，限制條件包括最大加速度限制、最大速度限制、最大位移限制。
[0035] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0036] 1.本發(fā)明采用傘形齒輪帶動(dòng)爪子機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，能夠快速準(zhǔn)確的控制爪子機(jī)構(gòu)的運(yùn) 動(dòng)，并能節(jié)省機(jī)構(gòu)所占的空間，使得整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理、緊湊。
[0037] 2.本發(fā)明的爪子機(jī)構(gòu)設(shè)置有壓敏元件能夠準(zhǔn)確感應(yīng)夾持力，并通過(guò)控制芯片能夠 有效控制夾持力的大小，利用測(cè)距器能夠準(zhǔn)確控制爪子的張開(kāi)的角度和范圍，設(shè)置有攝像 頭使得爪子抓取時(shí)，使用者能夠準(zhǔn)確了解爪子周邊環(huán)境。
[0038] 3.本發(fā)明采用非對(duì)稱的型加減速控制方法，開(kāi)始階段的加加速度值較大，結(jié)束階 段的加加速度值較小，能夠有效提高機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)效率和精度，減少爪子機(jī)構(gòu)的停止階段 的震動(dòng)。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例的爆炸圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例的局部示意圖；
[0041] 圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例控制流程圖；
[0042] 圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例中一段完整的加速度變化圖；
[0043] 圖5為本發(fā)明具體實(shí)施例中采樣時(shí)間變化示意圖。
[0044] 其中：1-電機(jī)，2-減速裝置，3-電機(jī)軸，4-電機(jī)座，5-主動(dòng)傘形齒輪，6-第一軸承， 7-墊圈，8-旋轉(zhuǎn)軸，9-被動(dòng)傘形齒輪，10-第二軸承，11-支撐座，12-端蓋，13-軸套，14-傳 送軸，15-顯示屏，141-第一螺紋，142-第二螺紋，100-爪子機(jī)構(gòu)，16-固定座，17-攝像頭， 18-測(cè)距器，19-壓敏元件，20-爪子。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0046] 相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修 改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本發(fā)明有更好的了解，在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì) 節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有這些細(xì)節(jié)部分的 描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0047] 如圖1、2所示，一種機(jī)械爪包括機(jī)械臂本體、電控模塊、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、爪子 機(jī)構(gòu)100,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括連接有減速裝置2的電機(jī)1、電機(jī)座4,電機(jī)座4設(shè)置有電機(jī)1孔，電 機(jī)1通過(guò)軸承活動(dòng)連接在電機(jī)座4上，電機(jī)座4通過(guò)螺栓固定在機(jī)械臂本體上。傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 包括主動(dòng)傘形齒輪5、被動(dòng)傘形齒輪9、支撐座11、端蓋12,端蓋12固定連接在機(jī)械臂本體 上，支撐座11中間位置設(shè)置有短軸用與被動(dòng)傘形齒輪9連接，使得被動(dòng)傘形齒輪9以能夠 旋轉(zhuǎn)的方式固定在支撐座11上，無(wú)法軸向移動(dòng)，支撐座11四周設(shè)置有螺栓孔，用以與端蓋 12固定連接。
[0048] 爪子機(jī)構(gòu)100包括傳送軸14、爪子20、測(cè)距器18、壓敏元件19、攝像頭17,傳送軸 14一端設(shè)置有第一螺紋141，中間位置設(shè)置有第二螺紋142,傳送軸14另一端固定連接有爪 子20,傳送軸14通過(guò)第一螺紋141與機(jī)械臂本體固定連接，端蓋12中間設(shè)置有通孔，通孔 內(nèi)安裝有軸套13,傳送軸14穿過(guò)軸套13,使得傳送軸14能夠在端蓋12中旋轉(zhuǎn)并且