CN105291135A - 一种超冗余机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超冗余机械臂，该机械臂包括上臂、中臂、下臂和机械爪，提供了多个自由度，使机械臂的伸展性、旋转角度范围得到提升，其增加的电控模块也使该超冗余机械臂更加的易于控制，同时该超冗余机械臂能够加载其他爪机模块，提升了该超冗余机械臂的适用性。

Description

一种超冗余机械臂

技术领域

本发明涉及超冗余机械臂的设计，该机械臂能支持至少三个运动冗余自由度。

背景技术

超冗余机械臂是指具有运动冗余自由度的机械臂。与普通机械臂相比，超冗余机械臂具有更加灵活的运动特性，可以在完成上下伸展任务的同时完成机械臂旋转角度的变换等附加任务。其应用范围十分广泛，大到深海和宇宙空间的探索，小到产品加工和家庭服务等不同领域都可以发现其身影。由于具备冗余的自由度，即保证机械臂末端在完成所要求任务的同时，还能根据不同的任务要求和工作环境选择不同的优化指标。

超冗余机械臂运动轨迹的控制和角度变换是超冗余机械臂的核心研究内容，而之前的超冗余机械臂不能更好的扩展其运动轨迹及变换的角度，使之在应用上具有一定的局限性。

发明内容

本发明公开了一种机械臂的结构，至少具有三个以上的运动冗余自由度，通过加载多个自由度使机械臂能够实现多角度的旋转；机械臂的末端可加载多种爪机，并在该超冗余机械臂搭载控制模块，既能够控制机械臂自身的伸展和旋转，也能够控制末端爪机的收缩与释放，提升机械臂的适用性和实用性。

通过本发明的超冗余机械臂，拓展了机械臂的可操作范围，增加机械臂的伸缩性及变换角度，增加机械臂对末端爪机的支持，增加通信模块使机械臂的操控更加灵活，因此具有较强的适用性、稳定性和实用性。

附图说明

图1：本发明机械臂的整体结构。

图2：本发明的机械爪的结构。

具体实施方式

参见图1，本发明的机械臂包括上臂、中臂、下臂和机械爪，所述上臂一端通过旋转关节和中臂连接，另一端也具有旋转关节，可与安装该机械臂的装置(例如机床)连接，所述中臂一端通过旋转关节和上臂连接，另一端通过旋转关节和下臂连接，下臂上还具有安装机械爪的接口，可以安装任意一种匹配该接口的机械爪。每个旋转关节都由相应的电机控制，可以进行任意角度和方向的旋转，每个电机都由机械臂上安装的电控模块控制，从而使得该机械臂至少具有三个运动冗余自由度。所述电控模块根据控制信号，控制各个电机带动旋转关节，从而控制机械臂的动作。

为了使得机械臂具有更好的灵活性，本发明引入关节最佳柔顺性准则，得出用优化算法求机械臂运动学逆解的目标函数，即：

$\min F\left(z\right)=min\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[q_i\left(z\right)-q_{ic}\]}^2$

上式中，F(z)是机械臂逆解的目标函数，z为所述机械臂，n是关节数目，q_i(z)是第i个关节的目标位置，q_ic是第i个关节的当前位置。当求q_i(z)时，q_ic是已知量。因此，求逆解可以归结为求解目标函数F(z)最小值的优化问题。本发明使用遗传信赖域方法求解此最优化问题，利用二次逼近，可以构造信赖域子问题为：

${\mathrm{minq}}_k\left(d\right)=g_k^{T}d+0.5d^T{G}_{k}d$

s.t.||d||₂≤△_kz_k∈R²

其中，q_k(d)是信赖域子问题；

z_k是迭代点；

$g_k=\▿F\left(z_k\right);$

Δ_k是信赖域半径；

即求解G_k用拟牛顿法的BFGS公式构造Hession矩阵来近似。

d为试探步变量；R为实数域。

通过上述目标函数的逼近，除了关节最佳柔顺性外，我们还可以得到一个机械臂长度的优选解，即上臂、中臂、下臂的长度比例为

根据本发明的一个优选实施例，本发明采用的机械爪如图2所示，机械抓取部分采用平面四杆机构，主要由四个刚性构件低福链接组成，具有左右两个平面机构，各转接部分安装小轴承；连架杆部分等距，使左右两个平面机构连杆运动轨迹对称，达到相对的平行抓取；对称的两个连架杆各由一个齿轮带动，其中一个为主动齿轮依靠舵机提供旋距，一个为从动齿轮，由主动齿轮带动；扭矩最大可提供13kg·cm，增加压力传感器安装在爪子前端，使在抓取过程中防止受力大导致物体抓取力度变大，通过三个灵活自由度的自动控制，减少抓取过程中的外在冲击，使抓取过程中平稳。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超冗余机械臂，其特征在于，包括上臂、中臂、下臂、机械爪和电控模块，所述上臂一端通过旋转关节和中臂连接，另一端也具有旋转关节，可与安装该机械臂的装置连接，所述中臂一端通过旋转关节和上臂连接，另一端通过旋转关节和下臂连接，下臂上还具有安装机械爪的接口，可以安装任意一种匹配该接口的机械爪。每个旋转关节都由相应的电机控制，可以进行任意角度和方向的旋转，每个电机都由所述电控模块控制；所述电控模块根据控制信号，控制各个电机带动旋转关节，从而控制机械臂的动作。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述电控模块遵循关节最佳柔顺性准则，控制所述机械臂的运动，该准则通过下述公式求机械臂运动学逆解，即：

$\min F\left(z\right)=min\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[q_i\left(z\right)-q_{ic}\]}^2;$

其中，F(z)是机械臂逆解的目标函数，z为所述机械臂，n是关节数目，q_i(z)是第i个关节的目标位置，q_ic是第i个关节的当前位置。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的机械臂，其特征在于，所述上臂、中臂、下臂的长度比例为

4.根据权利要求1-3任意一项所述的机械臂，其特征在于，所述机械爪的机械抓取部分采用平面四杆机构，由四个刚性构件低福链接组成，各转接部分安装小轴承；所述机械爪的连架杆部分等距，使左右两个平面机构连杆运动轨迹对称，达到相对的平行抓取；对称的两个连架杆各由一个齿轮带动，其中一个为主动齿轮，依靠舵机提供旋距，一个为从动齿轮，由主动齿轮带动。