CN103386690B - 双指双驱动平移夹持型柔性抓手及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双指双驱动平移夹持型柔性抓手及控制方法，其包括双伺服电机系统、双电机端同步带轮、双定位滑动导轨系统、双滚珠丝杠系统、双丝杠同步带轮、双指手爪、抓手U型主机架及主机架覆盖板等组成，通过对两个伺服电机的控制实现两手爪的协调抓取动作。抓取方法是采用双电机为动力,双指分别固定在两个丝杠导轨同步转接模块上，通过双电机端同步带轮和双丝杠端同步带轮端之间的两条同步齿形带转动，通过丝杠把电机转动转化成直线运动，从而使双指分别沿两个定位滑动导轨平移，实现了双手爪沿双导轨面的平移开合。由于该装置通过双电机来独立驱动相应手爪运动，从而使得双指运动更灵巧，双指可设定不同的抓取速度，位置精度高。

Description

双指双驱动平移夹持型柔性抓手及控制方法

技术领域

    本发明具体公开了一种双指双驱动平移夹持型柔性抓手及控制方法。

背景技术

机器人的功能主要是由手爪抓取物体，并对它进行操作来体现的。因此，对手爪的研究在整个机器人技术中占有极其重要的地位，一般安装在机器人的前端执行各种作业，其定义为：“机器人具有的可以直接作用于作业对象的部分”。目前基于电机驱动的抓手实现双指抓取往往只需要一个电机控制，实现双指对称抓取。双指平移夹持型手爪是目前使用广泛的一种。它即可用手指的内侧面夹持物体的外部，也可将手指伸入到物体的孔内后，通过平移张开双指，用外侧面卡住物体。当手爪夹紧或松开工件时，双指只作平移运动。它的夹持中心不受工件直径变化的影响。在使用一个电机的情况下，机构实现上通常采用三种方式实现双指平移抓取，一、靠连杆和导槽保持双手指作平移运动。二、是由带轮齿条推动双指平移。三、是经双向螺杆驱动手指平移。

对于机器人精密抓持、夹持或装配、水果采摘等任务，仅靠双指位置控制已不能胜任，因为在这类对接触力大小有要求的场合，微小的位置偏差都可能导致巨大的接触力，极易对机器人和带抓目标物体造成损害。机器人抓取过程发生损伤的主要原因是：机器人抓手抓取或夹持力过大，压伤物体外表；抓取不稳定，响应速度慢，物体滑落。主动的抓持力控制技术可通过优化机械手爪和工件的接触力帮助机器人减小抓取损伤。

工业机器人用的柔性抓手灵活性差、缺少力感知能力，特别是柔性抓取策略的研究，物体的运动和受力不能通过对每个手指进行主动控制来实现。本发明给出一种双指双驱动柔性抓手设计及其控制方法，所谓的柔性主要是指在双指手爪内嵌双力传感器，即采用双指主动力控制，即在位置控制中，通过力传感器引入力信号，通过数据处理，采用适当的控制策略产生控制指令驱动双指运动。该方法采用双指协调柔顺控制算法，可抓取精密器件、西红柿、鸡蛋等小型物体，实现快速无损抓取。

随着经济的快速增长，我国每年新增的工业机器人台数以及总量都在快速增长，服务机器人、特种机器人等也有广泛的需求，该抓手双指采用并行双电机独立控制，配合双力觉传感器，其灵活性明显提高，故障率明显减小，适合复杂、狭窄、恶劣环境下的抓持、夹持或装配操作，可以进一步减小易碎变形物体抓持损伤，提高机器人末端执行器抓取的柔顺性、灵活性和智能性。可以直接应用于：工业机器人配套用智能手爪、食品工业配套用末端执行器、农业机器人柔性采摘末端执行器、医学生物组织建模与拾放控制等领域。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种双指双驱动平移夹持型柔性抓手及控制方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种双指双驱动平移夹持型柔性抓手，包括左指和右指，所述的左指和右指设于主机架的下方，所述的左指和右指能沿着主机架上的导轨来回滑动，且所述的左指和右指分别各自通过一套驱动系统驱动。

所述的左指的驱动系统包括一个左指电机，左指电机驱动带轮I，带轮I 通过同步齿形带驱动带轮II,带轮II 的输出轴上连接一个丝杠I，所述的丝杠I上的滑块与左指连接；

所述的右指的驱动系统包括一个右指电机，右指电机驱动带轮III，带轮III通过同步齿形带驱动带轮Ⅳ，带轮Ⅳ的输出轴上连接一个丝杠II，所述的丝杠II上的滑块与右指连接。

所述的主机架为左右对称的“U”型架，所述的“U”型架采用整块金属或铸造而成，采用线切割、销切机加工而成，在“U”型架的左边侧板和右边侧板上对称的设有三个孔，在“U”型架的底板设有两个平行的导轨，所述的左指和右指卡在导轨上，且与丝杠上的滑块相连。

所述的左指电机位于主机架的内侧，左指电机的输出轴从内侧通过左边侧板的孔II伸出，然后输出轴连接带轮I，带轮I 通过同步齿形带驱动带轮II，所述的带轮II 的输出轴穿过孔I与一个丝杠连接。

所述的右指电机位于主机架的内侧，右指电机的输出轴从内侧通过右边侧板的孔I伸出，然后输出轴连接带轮III，带轮III 通过同步齿形带驱动带轮Ⅳ，所述的带轮II 的输出轴穿过孔II与一个丝杠连接。

在所述的主机架的顶部设有覆盖板，在覆盖板的顶部设有机器人配套用法兰。

在所述的左指和右指上各自连接一个力传感器，分别是左指力传感器、右指力传感器；在所述的左边侧板的孔III安装有右指触觉开关；在右边侧板的孔III设有一个左指触觉开关。

所述的左指触觉开关，右指触觉开关分别与嵌入式控制器的输入端相连，嵌入式控制器的输出端控制右指驱动器和左指驱动器，所述的右指驱动器和左指驱动器分别控制左指电机和右指电机，所述的左指电机和右指电机的输出端分别连接左指编码器和右指编码器，所述的左指编码器和右指编码器连接到嵌入式控制器，所述的嵌入式控制器与远程网络计算机通讯。

 一种双指双驱动平移夹持型柔性抓手的控制方法，如下：

（1）：双指回零；即设定双指回零后分别张开的最大位置量，当右指碰到左边侧板处安装配置的右指触觉开关后，所设定的位置即被控制器记忆；当左指碰到右边侧板处安装配置的左指触觉开关后，所设定的位置即被控制器记忆；双指回零操作在控制系统不断电的情况下只需进行一次，柔性抓手双指以后每次开合的距离即为此位置量，双指最大张开距离为双指回零操作中设置的双指位置量之和，双指最小闭合距离为零；

（2）：双指张开；双指所能张开的距离即在回零操作中分别设置的位置量，而双指分别张开的电机速度能分别设置，即双指能以不同的速度张开；

（3）：双指抓取；在未抓取到物体时，双指的抓取速度分别设置，即双指能以不同的速度实现抓取，在双指内嵌的双力觉传感器显示的力读数同时超过事先设定的力阈值后，双指抓取自动切换到力控制过程，这时双指抓取速度由双力控制器实现双指智能变速控制，双指抓取速度的变化与双指设定力和力传感器读数有关，是线性或非线性关系。

所述的双指抓取的具体方法是：双指必须指定相同的设定力，两个设定力须为整数类型；双指必须指定相同的力阈值，力阈值为浮点类型；设定力与实际双力传感器的采集力信号相减所形成的两个力偏差分别作为两个协调力控制器的输入，实现对双力偏差进行各种控制算法运算，将两个力控制器的输出用于控制两个电机的速度，当设定力与两个力传感器读数相同时，控制双指的电机速度为零；当两个力传感器读数大于设定力时，两指将自动放松对抓握物体，放松的速度快慢自动由双指协调力控制器决定，当两个力传感器读数小于设定力时，两指将自动夹紧对物体抓握，夹紧的速度快慢自动由双指协调力控制器决定，从而形成双力觉反馈控制器的动态协调抓取，双指可快速低超调地跟踪双指设定力；如果在动态抓取过程中，单独控制其中一个手指作为主手指，主动控制其位置移动，另一手指可实现双指夹持物体的协调运动，从而可实现双指位置、力的精确控制；在存在设定力的情况下，如果未抓取到任何物体，双指将会一直进行闭合运动，直到双指碰到两个触觉开关，这时双指之间的距离为零。

本发明的有益效果如下：

1、双指宽范围柔性可变行程，每指均可沿滑动导轨独立双向移动，可灵活抓取多种工件。

2、柔性抓手U型主机架采用整块金属或铸造而成，可采用线切割、销切等机加工等而成，其刚度和强度上较采用非整体式结构明显提高，从而为安装双电机、双丝杠、双导轨等提供刚度、强度及安装尺寸精度上的保证。

3、该双指双驱动抓手采用双指并行独立控制，双指均可单独设置抓持力、位置、速度等参数，可实现非对称抓取及操作，灵活性提高。

4、由于采用并行控制方案，当抓手系统其中一指系统损坏时，并不影响抓手性能，仍可以使用，故障率降低。

5、该柔顺控制方法不破坏伺服或步进电机原有的位控系统，易于开放式模块化配置，由于采用双力传感器，力控制精度提高。

6、双指可实现长时间动态抓持物体，同时保持恒定夹持力和夹持位置，可实时测量物体夹持长度、形变以及双指速度、位置等多种参数。

7、在抓持物体时，双指可以夹持物体沿滑动导轨实现往复平移运动，以便机器人能在复杂、狭窄等环境下执行复杂任务。

附图说明

图1 双指双电机驱动柔性抓手；

图2柔性抓手U型主机架；

图3 沿U型主机架的移动手指结构；

图4 柔性抓手控制系统示意图；

图中，1右指，2 右指滑动导轨， 3 左指滑动导轨， 4主机架， 5同步带轮Ⅳ， 6同步齿形带II， 7同步带轮III， 8 主机架覆盖板， 9 右指丝杠II， 10 左指丝杠I， 11 机器人配套法兰， 12 右指电机， 13  左指电机， 14同步齿形带I， 15同步带轮II， 16同步带轮I， 17 左指， 18 左指力传感器， 19 右指力传感器， 20 左指触觉开关安装圆孔， 21右指丝杠端安装圆孔， 22 右指电机安装椭圆孔， 23右指触觉开关安装圆孔， 24左指电机安装椭圆孔， 25过渡板， 26 左边侧板， 27左指丝杠端安装圆孔， 28 底板切除孔， 29 右边侧板，30伸出板，31滑动导轨螺母， 32同步转接模块， 33 丝杠， 34 滑动导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：                      

如图1所示，该抓手包括左指17和右指1，所述的左指17和右指1设于主机架4的下方，所述的左指17和右指1各自通过在丝杠33的作用下能沿着主机架4上的滑动导轨来回滑动，且所述的左指17和右指1分别各自通过一套驱动系统驱动，在左指17安装有左指力传感器18，在右指1安装有右指传感器19。

左指17的驱动系统包括一个左指电机 13，左指电机 13驱动同步带轮I16，同步带轮I 16通过同步齿形带I14驱动同步带轮II15, 同步带轮II15 的输出轴上连接一个左指丝杠I10，所述的左指丝杠I10上的滑块与左指连接，左指可沿左指滑动导轨3往复运动。

右指1的驱动系统包括一个右指电机12，右指电机12驱动同步带轮III7，同步带轮III7通过同步齿形带II6驱动同步带轮Ⅳ5, 同步带轮Ⅳ5的输出轴上连接一个右指丝杠II9，所述的右指丝杠II9上的滑块与右指连接，右指可沿右指滑动导轨2往复运动。

主机架4为左右对称的“U”型架，在“U”型架的两侧板对称的设有三个孔，右边侧板29上的孔分别是：左指触觉开关安装圆孔20(即右侧板的孔III)，右指丝杠端安装圆孔21(即右侧板的孔II)，右指电机安装椭圆孔22(即右侧板的孔I)， 左边侧板26上的孔分别是右指触觉开关安装圆孔23(即左侧板的孔III)，左指电机安装圆孔24(即左侧板的孔II)，左指丝杠端安装圆孔27(即左侧板的孔I)， 在“U”型架的底板设有两个平行的导轨，分别是右指滑动导轨2，左指滑动导轨3，在两个导轨之间设有底板切除孔28，在主机架的顶部设有主机架覆盖板8，在主机架覆盖板8的上面设有机器人配套法兰11，在两侧板的顶部有过渡板25，在底板的两侧有伸出板30。

丝杠33、滑动导轨34上通过同步转接模块32与手指形成装配约束关系，同步转接模块32、丝杠螺母与滑动导轨螺母31通过螺钉固定。

该发明是双伺服或步进电机系统、双电机端同步带轮、双同步齿形带、双定位滑动导轨系统、双滚珠丝杠系统、双丝杠同步带轮、双指手爪、抓手U型主机架、主机架覆盖板及机器人配套用法兰11等组成，整体结构设计简单、模块化零组件安装配置、易于加工、易于装配和拆卸，可通过对两个伺服电机的控制实现两手爪的协调抓取动作。抓取方案是采用双电机为动力, 双指分别固定在两个丝杠导轨同步转接模块上，通过双电机端同步带轮和双丝杠端同步带轮端之间的两条同步齿形带转动，通过丝杠把电机转动转化成直线运动，从而使双指分别沿两个定位滑动导轨平移，实现了双手爪沿双导轨面的平移开合。由于该装置通过双电机来独立驱动相应手爪运动，从而使得双指运动更灵巧，双指可设定不同的抓取速度，位置精度高。该机械手爪尺寸小、结构合理、性价比高,具有很广泛的市场。

抓手U型主机架4为整体式结构，采用整块金属或塑料结构，可采用线切割、销切等机加工、铸造等而成如图2所示。双指双驱动抓手U型主机架4采用整块金属或铸造而成，可采用线切割、销切等机加工而成，其刚度和强度上较采用非整体式结构明显提高，从而为其上安装双电机、双丝杠、双导轨等提供尺寸精度上的保证。在U型主机架4右边侧板29上，加工有左指触觉开关安装圆孔20(即右侧板的孔III)，右指丝杠端安装圆孔21(即右侧板的孔II)，右指电机安装椭圆孔22(即右侧板的孔I)；在左边侧板26加工有右指触觉开关安装圆孔23(即左侧板的孔III)，左指电机安装圆孔24(即左侧板的孔II)，左指丝杠端安装圆孔27(即左侧板的孔I)；各孔的轴线与U型主机架4底板保持平行，配置如图2所示。在U型主机架底板上，留有一条或数条长方孔或类似长方孔形状，以便双指手爪可沿此孔运动。右边侧板29和U型主机架伸出板30通过圆角过渡呈L型，左侧亦相同结构。左边侧板26和左边侧板上部过渡板通过圆角过渡呈倒L型或T型，右侧亦相同结构。

柔性抓手手指结构如图3所示，起定位作用的滑动导轨通过螺钉固定或内嵌于柔性抓手U型主机架（图2所示）底部面板上。丝杠导轨同步转接模块32主要功能是将丝杠33上的传动螺母与滑动导轨螺母固定在一起，并且将手指固定在滑动导轨螺母31上，丝杠33上的传动螺母以及滑动导轨螺母31通过螺钉同时固定于丝杠导轨同步转接模块32上。电机带动丝杠转动时，通过丝杠螺母传功，由于丝杠33上配合螺母以及滑轨螺母31均固定于丝杠导轨同步转接模块32中，带动手指沿滑轨运动，从而使双指实现平移，实现抓取功能。丝杠固定于U型主机架中，与滑动导轨保持平行，丝杠导轨同步转接模块32在竖直虚线方向设计为左右对称式结构。

该抓手控制系统的硬件主要包括：1个嵌入式控制器、2个驱动器、2个电机（带减速装置）、2个触觉开关、2个力传感器组成、远程网络计算机等组成。核心控制单元为嵌入式控制器，它采用FPGA的模式采集两个电机的编码器信息，以实时记录两个手爪的位置信息；同时，根据需要可发命令给两个驱动器，从而控制两个电机转动。远程网络计算机是指与嵌入式控制器处于同一个局域网内的普通计算机，主要功能是通过以太网TCP/IP等协议下载程序、发送控制指令和界面显示功能，一旦控制指令发送后，嵌入式控制器可以与远程计算机断开，不影响抓手的使用。该抓手同机器人的通讯方式有2种，可通过RS232串口或嵌入式控制器的I/O接口通信。本发明给出的控制方法主要是指运行于嵌入式控制器中的控制软件部分。

    本发明给出柔性抓手控制方法步骤分为三步：

第一步：双指回零。即设定双指分别移动的位置量，当右指电机带动右指碰到左边侧板23处安装配置的右指触觉开关后，所设定的位置即被控制系统记忆。当左指电机带动左指碰到右边侧板20处安装配置的左指触觉开关后，所设定的位置即被控制系统记忆。双指回零操作在控制系统不断电的情况下只需进行一次，柔性抓手双指以后每次开合的距离即为此位置量，双指最大张开距离为双指回零操作中设置的双指位置量之和，双指最小闭合距离为0。

第二步：双指张开。双指所能张开的距离即在回零操作中分别设置的位置量。而双指分别张开的电机速度可分别设置，即双指可以不同的速度张开，也可以相同的速度张开。

第三步：双指抓取。在未抓取到物体时，双指的抓取速度可分别设置，即双指可以不同的速度实现抓取。在双指内嵌的双力觉传感器显示的力读数超过事先设定的力阈值后，双指抓取自动切换到力控制过程，这时双指抓取速度不能由人工指定，而是由设计的双力反馈协调控制器实现智能双指变速控制，双指抓取速度的变化与双指设定力和力传感器读数有关，可以是线性或非线性关系。具体方法是：双指必须指定相同的设定力，设定力须为整数类型，设定力与实际双力传感器读数所形成的双力偏差分别作为两个力传感器的输入，可以对双力偏差进行各种控制算法运算，例如双PID等多种控制算法，两个力控制器的输出通过两驱动器作为双电机的速度输入，主要特点是当力偏差等于零时，电机速度输入亦为零，即双指呈静止状态，从而实现双指柔顺协调抓取。在抓取过程中，可单独控制其中一个手指作为主手指，主动控制其位置移动，另一手指可实现双指夹持物体沿滑动导轨做协调跟随运动，从而可实现夹持物体的位置和力的精确控制，以便机器人能在复杂、狭窄等环境下执行复杂任务。

Claims (6)

1.一种双指双驱动平移夹持型柔性抓手，其特征在于：包括左指和右指，所述的左指和右指设于主机架的下方，所述的左指和右指能沿着主机架上的导轨来回滑动，且所述的左指和右指分别各自通过一套驱动系统驱动；

所述的左指的驱动系统包括一个左指电机，左指电机驱动带轮I，带轮I通过同步齿形带驱动带轮II,带轮II的输出轴上连接一个丝杠I，所述的丝杠I上的滑块与左指连接；

所述的右指的驱动系统包括一个右指电机，右指电机驱动带轮III，带轮III通过同步齿形带驱动带轮Ⅳ,带轮Ⅳ的输出轴上连接一个丝杠II，所述的丝杠II上的滑块与右指连接；

所述的主机架为左右对称的“U”型架，所述的“U”型架采用整块金属或铸造而成，采用线切割、销切机加工而成，在“U”型架的左边侧板和右边侧板上对称的设有三个孔，在“U”型架的底板设有两个平行的导轨，所述的左指和右指卡在导轨上，且与丝杠上的滑块相连；

在所述的左指和右指上各自连接一个力传感器，分别是左指力传感器、右指力传感器；在所述的左边侧板的孔III安装有右指触觉开关；在右边侧板的孔III设有一个左指触觉开关；

所述的左指触觉开关，右指触觉开关分别与嵌入式控制器的输入端相连，嵌入式控制器的输出端控制右指驱动器和左指驱动器，所述的右指驱动器和左指驱动器分别控制左指电机和右指电机，所述的左指电机和右指电机的输出端分别连接左指编码器和右指编码器，所述的左指编码器和右指编码器连接到嵌入式控制器，所述的嵌入式控制器与远程网络计算机通讯；

在未抓取到物体时，双指的抓取速度分别设置，即双指能以不同的速度实现抓取，在双指内嵌的双力觉传感器显示的力读数同时超过事先设定的力阈值后，双指抓取自动切换到力控制过程，这时双指抓取速度由双力控制器实现双指智能变速控制，双指抓取速度的变化与双指设定力和力传感器读数有关，是线性或非线性关系。

2.如权利要求1所述的柔性抓手，其特征在于：所述的左指电机位于主机架的内侧，左指电机的输出轴从内侧通过左边侧板的孔II伸出，然后输出轴连接带轮I，带轮I通过同步齿形带驱动带轮II，所述的带轮II的输出轴穿过孔I与一个丝杠连接。

3.如权利要求1所述的柔性抓手，其特征在于：所述的右指电机位于主机架的内侧，右指电机的输出轴从内侧通过右边侧板的孔I伸出，然后输出轴连接带轮III，带轮III通过同步齿形带驱动带轮Ⅳ，所述的带轮II的输出轴穿过孔II与一个丝杠连接。

4.如权利要求1所述的柔性抓手，其特征在于：在所述的主机架的顶部设有覆盖板，在覆盖板的顶部设有机器人配套用法兰。

5.一种双指双驱动平移夹持型柔性抓手的控制方法，其特征在于，如下：

(1)：双指回零；即设定双指回零后分别张开的最大位置量，当右指碰到左边侧板处安装配置的右指触觉开关后，所设定的位置即被控制器记忆；当左指碰到右边侧板处安装配置的左指触觉开关后，所设定的位置即被控制器记忆；双指回零操作在控制系统不断电的情况下只需进行一次，柔性抓手双指以后每次开合的距离即为此位置量，双指最大张开距离为双指回零操作中设置的双指位置量之和，双指最小闭合距离为零；

(2)：双指张开；双指所能张开的距离即在回零操作中分别设置的位置量，而双指分别张开的电机速度能分别设置，即双指能以不同的速度张开；

(3)：双指抓取；在未抓取到物体时，双指的抓取速度分别设置，即双指能以不同的速度实现抓取，在双指内嵌的双力觉传感器显示的力读数同时超过事先设定的力阈值后，双指抓取自动切换到力控制过程，这时双指抓取速度由双力控制器实现双指智能变速控制，双指抓取速度的变化与双指设定力和力传感器读数有关，是线性或非线性关系。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的双指抓取的具体方法是：双指必须指定相同的设定力，两个设定力须为整数类型；双指必须指定相同的力阈值，力阈值为浮点类型；设定力与实际双力传感器的采集力信号相减所形成的两个力偏差分别作为两个协调力控制器的输入，实现对双力偏差进行各种控制算法运算，将两个力控制器的输出用于控制两个电机的速度，当设定力与两个力传感器读数相同时，控制双指的电机速度为零；当两个力传感器读数大于设定力时，两指将自动放松对抓握物体，放松的速度快慢自动由双指协调力控制器决定，当两个力传感器读数小于设定力时，两指将自动夹紧对物体抓握，夹紧的速度快慢自动由双指协调力控制器决定，从而形成双力觉反馈控制器的动态协调抓取，双指快速低超调地跟踪双指设定力；如果在动态抓取过程中，单独控制其中一个手指作为主手指，主动控制其位置移动，另一手指实现双指夹持物体的协调运动，从而实现双指位置、力的精确控制；在存在设定力的情况下，如果未抓取到任何物体，双指将会一直进行闭合运动，直到双指碰到两个触觉开关，这时双指之间的距离为零。