具有力感覺的六自由度操作端的製作方法

2023-07-01 11:49:31 1

專利名稱：具有力感覺的六自由度操作端的製作方法
技術領域：
具有力感覺的六自由度操作端
技術領 域本實用新型涉及機器人技術領域，具體涉及ー種具有力感覺的六自由度操作端。
背景技術：
近年來，在歐美和日本等發達國家的院校和エ廠及企業中，機器人被廣泛地用來代替人完成各類簡單和重複性的工作。這些機器人基本上是限定在特定的環境中完成単一的動作。對於ー些在危險、惡劣、繁重或一般的環境下需要高度智能才能完成的複雜作業而言，依靠普通的機器人自身則是無能為カ的。隨著機器人研究和開發及應用的深入和普及，現在人們期望機器人能在太空、深海、礦井、戰場、エ廠、農田、家庭、學校等各種惡劣和危險及普通的環境或場合下，代替人完成科學考察、礦井採掘、軍事戰鬥、核電維修、機械製造、設備安裝、化工生產、醫療手術、搶險救災、家務勞動、患者看護、教育娛樂等各項工作。但是，機器人要完成上述各項工作，機器人(包括機械手及其手腕和手臂)就必須能夠靈巧地完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、挫等各種作業，然而在上述複雜的場合下單純地依靠機器人自身的能力根本無法完成任何作業。機器人遠程遙控(遙操作)則是解決上述問題的最佳途經，人通過具有力感覺的六自由度操作端來遠程遙控(遙操作)機器人，就能有效地發揮人的各種優勢和克服機器人自身的困難和不足，從而靈巧地完成各種任務和作業。因此，機器人遙控技術的研究和開發及應用越來越受到各國學術界和產業界的普遍重視。人通過機器人操作端來遠程遙控(遙操作)機器人，關鍵問題是要有ー款高通用性的操作端去遙控機器人。由於具有力感覺的六自由度操作端具有極高的通用性、機動性、經濟性，故人通過它能夠靈活地遠程遙控(遙操作)機器人在危險、惡劣、繁重或一般的場合下靈巧地完成各類複雜的作業。因而具有力感覺的六自由度操作端的研究與開發在歐美和日本等許多國家的科學家和企業家中引起了巨大的熱情，他們迫切地希望研製出具有カ感覺的六自由度操作端來完成上述作業。因此，各發達國家政府紛紛耗資去組織和實施相應的發展戰略計劃，許多大學和大公司及財團等都成立了或資助以研究和開發具有力感覺的六自由度操作端為目標的研究中心。最著名的有日本的本田公司、早稻田大學、美國的麻省理工學院、卡內基梅隆大學、史丹福大學、美國國家宇航局，以及德國宇航中心、義大利和加拿大及前南斯拉夫等許多國家的著名大學和科研機構等等。我國亦開展了機器人遠程遙控(遙操作)端的研製，其中從事這類機器人研製的単位有北京航空航天大學、哈爾濱エ業大學、北京理工大學、國防科技大學、中國科學院、臺灣大學等。由於具有力感覺的六自由度操作端是ー個綜合性的系統工程，涵蓋了許多學科和關鍵技術。在此，結合我們已經初歩研製成功的具有力感覺的六自由度操作端來闡述國內外的發展現狀與趨勢。目前，國內外的機器人遠程遙控(遙操作)端從機構形式上來看大多是3至5個自由度的操作端，這類操作端只能遠程控制(遙操作)機器人在笛卡爾空間的三個坐標軸方向運動和有限的旋轉運動，機器人不論在靈活性和功能上都難於滿足實際需求。並且機器人遠程遙控(遙操作)端基本上不帶有力傳感器和視覺反饋，機器人遠程遙控(遙操作)大都是依靠點對點或者網際網路來進行遠程通訊。現有的機器人遠程遙控(遙操作)端研究大多從幾何學、運動學、動力學、結構學等不同角度分別進行探討，提出了一些控制方法和抓取規划算法來模擬人手的抓取運動。但是，機器人遠程遙控(遙操作)端研究存在有以下問題I) 一部分機器人遠程遙控(遙操作)端採用了基於腱的傳動方式和驅動原理。儘管腱傳動有許多優點，但是在腱傳動系統中，由於腱的剛度、機械特性、數量以及在機器人的路徑設計等對於機器人的性能具有較大的影響，會造成驅動系統滯後、腱不穩定或者損壞；2)機器人遠程遙控(遙操作)端的控制方法基本上是對裝配光電編碼器機器人進行位置反饋控制。這些控制方法僅僅以機器人各關節的光電編碼器反饋脈衝為基礎對進行単一的位置控制，沒有考慮或控制機器人與環境的的接觸カ影響；3)機器人遠程遙控(遙操作) 端研究沒有或很少涉及到機器人(手及其手腕和手臂)協調控制方法，也沒有根據來自作業對象的接觸力/力矩反饋對手及其手腕和手臂的慣性、粘性、剛性參數作有效和合理地調節，以適應不同的作業對象和作業環境的需要(比如，如何控制機器人如何抓握和加工柔軟食品，或者抓握金屬工具完成安裝和維修);4)機器人遠程遙控(遙操作)端研究沒有涉及到與作業有關的作業描述語言，更沒有採用多個機器人遠程遙控(遙操作)端控制多臺機器人進行協調作業。現有的研究大多只涉及到抓握、開抽屜、按開關、抓雞蛋、擺積木，弾琴等，尚未涉及更高層次的裁剪、撕拽、挖掘、敲打、磨削、刨挫等等作業。總之，現有的機器人遠程遙控(遙操作)端存在著機械結構互不相同、控制系統各自為陣、控制方法互不兼容、作業描述語言缺乏等一系列的問題。因此，現有的機器人遠程遙控(遙操作)端無論是從通用性和靈活性來看，人都很難利用它去遠程遙控(遙操作)機器人在惡劣和危險的環境下，或者太空、深海、礦井、農田、家庭等各種場合下完成各種複雜的作業。

實用新型內容本實用新型的目的在於針對現有技術存在的缺陷，提出了ー種具有力感覺的六自由度操作端。具有力感覺的六自由度操作端用於遠程遙控各類機器人來代替人在繁重、危險、惡劣或一般的環境下完成各種複雜的作業，具體技術方案如下。ー種具有力感覺的六自由度操作端，包括手臂和手腕，其採用六個直流伺服電機作為六個關節各自的驅動機構；在各直流伺服電機上安裝有一個用於測量關節角度的光電編碼器；其中，第一直流伺服電機位於操作端的最底部，用於控制整個操作端的旋轉運動；第二直流伺服電機位於第一直流伺服電機上，用於控制整個操作端的前後運動；第三直流伺服電機位於第二直流伺服電機上，用於控制整個操作端的上下運動；第四直流伺服電機位於第三直流伺服電機上，用於控制操作端手臂的前後運動；所述的直流伺服電機位於直流伺服電機上，用於操作端的手臂的旋轉運動；第六直流伺服電機位於第五直流伺服電機上，用於控制操作端的手腕的旋轉運動；力覺傳感器與操作端的手腕相連。上述具有力感覺的六自由度操作端中，所述カ覺傳感器包括感壓片和檢測電路，檢測電路包括運算放大器和AD變換器，感壓片與運算放大器的輸入端連接，運算放大器的輸出端與AD變換器。上述具有力感覺的六自由度操作端，還包括計算機，AD變換器通過I/O接ロ板與計算機連接；計算機還與所述光電編碼器和直流伺服電機連接。[0011]與現有技術相比，本實用新型具有如下優點和技術效果目前已有的機器人操作端大多是3至5個自由度的，本實用新型具有力感覺的六自由度操作端主要以現有人類手臂的的構造及其力感覺信息的反饋機理為基礎，用直流伺服電機作為六個關節的驅動機構。在各直流伺服電機上安裝測量關節角度的光電編碼器；力覺傳感器及其檢測控制電路，用應カ感壓片作為カ覺反饋機構；根據カ覺傳感器和カ覺反饋機構來設計其檢測控制電路，並處理六自由度的力覺反饋信號。通過計算機可以控制操作臂完成各種動作。通過增設無線傳輸模塊，還可以用於遠程遙控各類機器人來代替人在繁重、危險、惡劣或一般的環境下完成各種複雜的作業。由於設有力覺傳感器，可採用逆向運動學和動力學來分析各個關節カ矩和來自操作端的反作用力等。 本實用新型可用於遠程遙控各類機器人，以期在惡劣和危險的環境中，或者太空、深海、礦井、農田、家庭等各種場合下，控制各類機器人代替人完成化工生產、核電維修、礦井採掘、軍事戰鬥、科學考察、醫療手術、家務勞動等各項工作。具有力感覺的六自由度操作端集計算技術、控制技術、傳感技術、通訊技術、智能計算、數學建模，以及機構學、材料學、電子學、仿生學等於一體。

圖I是本實用新型的具有力感覺的六自由度操作端。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施作進ー步說明，但本實用新型的實施不限於此。如圖1，本實用新型的具有力感覺的六自由度操作端包括第一直流伺服電機1，第二直流伺服電機2，第三直流伺服電機3，第四直流伺服電機4，第五直流伺服電機5，第六直流伺服電機6，力傳感器7，手臂8，手腕9。本實施方式採用六個直流伺服電機作為六個關節各自的驅動機構；在各直流伺服電機上安裝有一個用於測量關節角度的光電編碼器；其中，第一直流伺服電機I位於操作端的最底部，用於控制整個操作端的旋轉運動；第二直流伺服電機2位於第一直流伺服電機I上，用於控制整個操作端的前後運動；第三直流伺服電機3位於第二直流伺服電機2上，用於控制整個操作端的上下運動；第四直流伺服電機4位於第三直流伺服電機3上，用於控制(操作端)手臂的前後運動；所述的直流伺服電機5位於直流伺服電機4上，用於操作端的手臂的旋轉運動；第六直流伺服電機6位於第五直流伺服電機5上，用於控制操作端的手腕的旋轉運動；力覺傳感器與操作端的手腕相連。本實施方式的ー個具有力感覺的六自由度操作端，外形尺寸為500X500X650mm,重量為3. O公斤，共包含有六個關節(六個自由度)。該具有力感覺的六自由度操作端可以遠程遙控機器人完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、挫等種複雜作業。關節伺服控制算法，具有力感覺的六自由度操作端採用位置歸還型、力歸還型、並列型控制方法和作業描述語言來控制具有力感覺的六自由度操作端和遙控機器人，並採用力覺傳感器及其檢測控制電路來遙控機器人。具有力感覺的六自由度操作端以人類的手臂構造及其力感覺信息的反饋機理為基礎，具體實施時可根據需要確定具有力感覺的六自由度操作端的關節設置、幾何尺寸。具有力感覺的六自由度操作端採用前向運動學和動力學來計算各個關節角軌跡，檢驗控制算法。此外，也採用逆向運動學和動力學來分析各個關節カ矩和來自操作端的反作用力等。力覺傳感器的檢測原理和電路硬體的具體實施方式
如下I)用應カ感壓片來設計カ傳感器及其檢測電路。觸覺點處的應カ感壓片受拉申後其阻值受會發生變化，產生交變電流i，經過運算放大器檢出對應的電壓信號Vmn後送給AD變換器。再由I/O接ロ板送計算機進行處理。這樣就可以檢測，處理和實現カ的檢測功倉泛;2)建立具有力感覺的六自由度操作端的運動學和動力學方程及其雅可比矩陣。並對雅可比矩陣進行LU分解和ILX分解，以便實現具有力感覺的六自由度操作端的各個關 節的控制。根據具有力感覺的六自由度操作端的控制特徵，通過其數據構造和擴展雅可比行列式，計算和導出控制各關節運動的關節角和角速度的目標值；3)為了讓具有力感覺的六自由度操作端正確地完成遠程遙控作業，可以預先測量人的它的運動及カ/矩等作為各種運動軌跡產生器，並採用前向運動學和動力學來計算各關節角的軌跡。這樣可以得出具有力感覺的六自由度操作端位置和カ並可以驗證個種控制算法。此外也採用逆向運動學和動力學，根據具有力感覺的六自由度操作端的位置和姿勢來計算各關節角的位置、速度、加速度，以便分析各關節カ矩以及來自各接觸點的反作用力等。4)使用高性能個人計算機和I/O板來構成具有力感覺的六自由度操作端的控制裝置。一臺計算機讀取安裝在各指關節處的光電編碼器和力覺傳感器的運算放大器輸出，檢測直流伺服電機的迴轉角和力覺點的電流和電壓變化值。再送入計算機處理；在實際環境中，用具有觸覺的五指形機械手完成抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、敲、打等各種複雜的作業。
權利要求1.一種具有力感覺的六自由度操作端，包括手臂和手腕，其特徵在於採用六個直流伺服電機作為六個關節各自的驅動機構；在各直流伺服電機上安裝有一個用於測量關節角度的光電編碼器；其中，第一直流伺服電機位於操作端的最底部，用於控制整個操作端的旋轉運動；第二直流伺服電機位於第一直流伺服電機上，用於控制整個操作端的前後運動;第三直流伺服電機位於第二直流伺服電機上，用於控制整個操作端的上下運動；第四直流伺服電機位於第三直流伺服電機上，用於控制操作端手臂的前後運動；所述的直流伺服電機位於直流伺服電機上，用於操作端手臂的旋轉運動；第六直流伺服電機位於第五直流伺服電機上，用於控制操作端手腕的旋轉運動；力覺傳感器與操作端的手腕相連。
2.根據權利要求I所述的具有力感覺的六自由度操作端，其特徵在於所述力覺傳感器包括感壓片和檢測電路，檢測電路包括運算放大器和AD變換器，感壓片與運算放大器的輸入端連接，運算放大器的輸出端與AD變換器。
3.根據權利要求2所述的具有力感覺的六自由度操作端，其特徵在於還包括計算機，AD變換器通過I/O接口板與計算機連接；計算機還與所述光電編碼器和直流伺服電機連接。
專利摘要本實用新型涉及一種具有力感覺的六自由度操作端，包括手臂和手腕，其採用六個直流伺服電機作為六個關節各自的驅動機構；在各直流伺服電機上安裝有一個用於測量關節角度的光電編碼器；。具有力感覺的六自由度操作端用於遠程遙控各類機器人來代替人在繁重、危險、惡劣或一般的環境下完成各種複雜的作業。本實用新型採用傳感技術和多自由度控制技術，通過計算機進行靈活控制，可用在太空、深海、礦井、戰場、工廠、農田、家庭、學校等各種惡劣和危險及普通的環境或場合。
文檔編號B25J9/02GK202367749SQ20112050695
公開日2012年8月8日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者肖南峰 申請人:華南理工大學