CN105328697B - 一种模块化六自由度机械手及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化六自由度机械手及其控制方法，包括一用于提供整个系统运动能量的电源系统、一连接并控制整个系统运动的控制系统、六个相互配合的关节模块、各关节独立的转换机构，以及一末端抓取机构，所述末端抓取机构包括一气动夹持系统，所述机械手结构还采用向外侧延伸的连杆结构连接相邻两个关节模块，增加了关节连接的刚度、强度和精度，并可克服惯性力矩，使得各关节运动的同步性较好；采用谐波减速器减速，精度高，运动稳定；本发明所提供的模块化六自由度机械手的控制方法，通过示教盒记录人工操纵机械手过程中各离散点的相关采样数据，并应用于以后的自动控制中，故能灵活、可靠地调整机械手运动的位置和角度，消除机械手运动的位置死角。

Description

一种模块化六自由度机械手及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机械装置及其控制方法，尤其涉及的是一种模块化六自由度机械手及其控制方法。

背景技术

随着现代科技的发展，工业的自动化程度越来越高。而工业机器人能够提高生产过程的自动化程度和生产设备的适应能力，因而提高产品质量和产品在市场上的竞争能力。全世界已有约80万台工业机器人正在汽车工业、机电工业和其他工业部门运行，为人类的物质生产建功立业。其中，以焊接机器人和装配机器人为两个最主要的应用领域。与工业机器人相比，其他机器人的数量尚十分有限，但其重要性不容忽视，发展前景也十分看好。

工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的运动，最终保证工业机器人终端(手爪)沿预定的轨迹运行。这类运动控制的特点是连续控制工业机器人手爪(或工具)的位姿轨迹。一般要求速度可控、轨迹光滑且运动平稳。轨迹控制的技术指标是轨迹精度和平稳性。工业机器人的控制是个多输入一一多输出控制系统。

我们把每个关节作为一个独立的系统。因而，对于一个具有m个关节的工业机器人来说，我们可以把它分解成m个独立的单输入一一单输出控制系统。这种独立关节控制方法是近似的，因为它忽略了工业机器人的运动结构特点，即各个关节之间相互耦合和随形位变化的事实。如果对于更高性能要求的机器人控制，则必须考虑更有效的动态模型、更高级的控制方法和更完善的计算机体系结构。

其中，机械手是一种新发展的自动化生产设备。可以通过编程来实现各种预期作业任务。一般需要模拟人手的动作，用来代替人工，提高生产的自动化程度，提高劳动生产率，降低生产成本。尤其是代替人工完成各种极端条件下的工作，如极端温度和压力条件下，放射性或者毒性等污染环境中的工作。尤其是对于简单重复性的工作，相比较于人力，具有极大的优势。

因为一个刚体在空间具有六个自由度，三个方向的空间位置自由度和绕三个坐标轴的旋转自由度，所以现在的机械手技术，因为需要抓取和传送在空间不同位置和方位的物体，就要求能够达到空间任意一点，完成任何姿势的动作，即机械手末端相对于其底座可以达到任何的位姿，也就需要完成六个自由度的运动。而这一般都是通过六个独立驱动的关节来完成的，每个关节都是通过移动或者转动的轴来实现。

一般专用的机械手多为2~4个自由度，而通用机械手则需要3~6个自由度来实现（不包括机械手指的自由度）。

市场上供应的工业机器人，关节数多为3~7个。最典型的工业机器人具有六个关节，存在六个自由度，带有夹手（通常称为手或末端执行装置）。

现有的六自由度机械手多为普通机械手，只能完成单工作任务或者较简单的操作，而串联式六自由度机械装置虽然可以实现自动搬运、装配、焊接等作业，但是，由于这种装置的自身结构限制，其串联的关节接口比较单一，且缺少限制自由度的承载单元，故其机构刚性较差，无法承担较重物体的搬运任务，而其动力部分的电机减速通常是采用齿轮减速器减速，使得其控制精度较低，从而导致其运动精度较差，包括定位精度较差和重复精度较差。现有的六自由度机械手在控制下的运动轨迹不能调整，仍然存在运动中心位置的偏差，加之这种装置结构复杂，增大了控制的积累误差，导致向某些位置的运动较为困难，运动精度下降，给工业应用带来了很大的不便。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以灵活、可靠的调整运动的位置和角度的机械手装置以及其控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种模块化六自由度机械手，包括一用于提供整个系统运动能量的电源系统、一连接并控制整个结构运动的控制系统、六个相互配合的关节模块、各关节独立的转换机构，以及一末端抓取机构，所述末端抓取机构包括用于驱动所述末端抓取机构的一气动夹持系统，其中，所述机械手结构还采用向外侧延伸的连杆结构连接相邻两个所述关节模块，用于增加关节连接的强度、刚度和精度。

所述的模块化六自由度机械手，其中，所述转换机构包括安装在每个关节上的一动力系统，所述动力系统包括一电机连接一柔性结构谐波减速器，并经过所述柔性结构谐波减速器减速后，在控制系统控制下，运动所连接的机构到指定位置。

所述的模块化六自由度机械手，其中，所述柔性结构谐波减速器包括位于所述减速器中央的一波发生器，位于所述减速器外围的一钢轮和位于所述钢轮内侧的一柔轮，所述柔轮用于通过变形实现与所述钢轮的无侧隙啮合。

所述的模块化六自由度机械手，其中，所述转换机构还包括至少一位置传感器，所述位置传感器设置在各关节本体上，用于实时检测所述关节的位置。

所述的模块化六自由度机械手，其中，所述控制系统还包括一伺服系统和一示教盒，所述伺服系统由基于DSP的运动控制器、伺服驱动器、伺服电动机及光电编码器组成；所述示教盒通过控制级计算机获得机械手伺服系统中的数据，并应用于控制级计算机控制软件中，从而实现对机械手的示教及控制。

所述的模块化六自由度机械手，其中，所述末端抓取机构采用卡盘式夹具结构，包括一驱动旋转气缸连接并驱动至少一三爪气动卡盘，并通过所述三爪气动卡盘手指上的橡胶板接触并抓取物体。

所述的模块化六自由度机械手，其中，所述连杆机构，由钛合金材料制成；所述关节转换机构包括步进电机或伺服电机。

所述的模块化六自由度机械手的控制方法，其中，所述六个关节模块各自接受独立的电机驱动，并经过各自的谐波减速器减速后，驱动各自末端产生相应的运动。

所述的模块化六自由度机械手的控制方法，其中，包括以下步骤：

A： 所述示教盒记录人工操作过程中的力闭环信息和位置闭环信息，所述位置闭环信息包括通过传感器检测机械手末端抓取机构的位移；

B： 所述示教盒输出的所储存的控制信息中的位移信息，经位移/力变换环节转换为输入力；

C： 所述输入力与力的设定值合成之后作为力控制的给定量，输出后用于自动操纵所述机械手的运动。

所述的模块化六自由度机械手结构的控制方法，其中，所述控制方法通过控制机械手的离散点上手爪的位姿，实现相邻点的运动。

本发明所提供的模块化六自由度机械手及其控制方法，由于采用了对称分布的连杆机构连接各关节模块，增加了关节连接的刚度、强度和精度，并可克服关节运动导致的惯性力矩，使得各关节运动的同步性较好；而提供各关节运动动力的电机采用相应的谐波减速器减速，其输出精度较高，这使得各关节运动较稳定；而本发明所提供的模块化六自由度机械手的控制方法，仅仅采样并控制所述机械手的离散点上手爪的位姿，通过示教盒记录人工操纵机械手过程中各离散点的相关采样数据，并应用于以后的自动控制中，故能灵活、可靠地调整机械手运动的位置和角度，消除机械手运动的位置死角。

附图说明

图1是本发明模块化六自由度机械手的总体结构示意图。

图2A，2B是本发明模块化六自由度机械手中柔性结构谐波减速器的示意图。

图3A，3B是本发明模块化六自由度机械手第一关节的结构示意图。

图4A，4B是本发明模块化六自由度机械手第二关节的结构示意图。

图5A，5B是本发明模块化六自由度机械手第三关节的结构示意图。

图6A，6B是本发明模块化六自由度机械手第四关节的结构示意图。

图7A，7B是本发明模块化六自由度机械手第五关节的结构示意图。

图8A，8B是本发明模块化六自由度机械手第六关节的结构示意图。

图9是本发明模块化六自由度机械手的末端抓取机构结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种模块化六自由度机械手及其控制方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述模块化六自由度机械手的一个实施例，如图1所示，包括依次连接的第一关节11、第二关节22、第三关节33、第四关节44、第五关节55、第六关节66、末端抓取机构77，以及一嵌入式控制系统等结构，所述末端抓取机构包括用于驱动所述末端抓取机构的一气动夹持系统，所述嵌入式控制系统包括一伺服系统和一示教盒，所述伺服系统由基于DSP（数字信号处理）的运动控制器、伺服驱动器、伺服电动机及光电编码器组成；所述示教盒通过控制级计算机获得机械手伺服系统中的数据，并应用于控制级计算机控制软件中，从而实现对机械手的示教及控制。

本实施例中关节转换机构的动力系统在各关节上均采用一电机提供动力，并通过一柔性结构谐波减速器减速后，驱动并实现所述关节所连接的工件（一般为下一关节，而第六关节所连接的工件则为末端抓取机构）的旋转运动。所述电机为步进电机或交流伺服电机，以提供精确的输出运动。其所采用的柔性结构谐波减速器，如图2A、2B所示，包括置于其内部的一波发生器801，置于其外围的一刚轮802和位于所述钢轮802内侧的一柔轮803，所述柔轮803通过变形，实现与所述钢轮802的无侧隙啮合。在机械手结构中，所述动力系统采用柔性结构谐波减速器减速后进行驱动，为本发明的一个创新，其优点包括：传动速比大、承载能力高、体积小且重量轻、传动平稳、无噪音、并具有传动效率高和运动精度高的特点；所述电机通过所述柔性结构谐波减速器减速后驱动所述相连工件，并在每一关节上都设有至少一位置传感器，用于采集所述关节位置并输入至所述控制系统，这就实现了在控制系统控制下各关节的精确定位，提高了关节运动的位置精度和效率，防止各关节运动的误差进行积累。所述位置传感器所采集的各关节位置数据输入控制系统后，作为反馈信息，联合所述示教盒中所记录的数据，经过相关控制软件处理后，输出至对应的关节，并控制每个相应关节都在自身的运动范围内运动；各关节运动叠加后，可以使得图1中所示的末端抓取机构77在各个关节的运动组合中得到所需要的生产或加工的运动轨迹，以正确的姿态到达所需要的位置。

本实施例所采用的位置传感器，使用粘合于各关节本体上的光电传感器，实现了对进行机械运动的机构位置的实时检测，尤其是各关节位置的实时检测，并将相关采集数据输送至控制系统，在经过控制系统软件综合处理后，用于控制各机构在设定范围内运动。

通过采用内置的如图2A、2B所示的柔性结构谐波减速器，和各关节上的位置传感器，本发明的一个实施例能够很好地实现所述机械手的空间位置定位，并确保其运动精度，在采用多个连杆机构分别连接所述关节模块，并组成模块化六自由度机械手后，所述实施例可实现关节间传递介质的绝对分离，可避免运动传递过程中引起关节运动惯性力的问题，并可解决由于位置精度问题造成的机械手转换等加工制造困难的问题，这将大大降低设备的制造成本。

本实施例中的电源系统用于提供能量，驱动各关节中的电机，并经过各关节中的谐波减速器减速后，驱动各关节的传动，包括第一关节11在±90º范围内的旋转，第二关节22在±45º范围内的回转，第三关节33在±45º范围内的回转，第四关节44在±90º范围内的旋转，第五关节55在±45º范围内的回转，以及第六关节66在±180º范围内的旋转运动。

本实施例中的前5个关节均采用连杆机构相连接，这增加了关节连接之间的强度、刚度和精度。所述连接相应关节模块的连杆机构，采用高刚度的轻型材料制成，所述材料包括合金材料，尤其是采用钛合金材料制作，以保证所述连杆机构的高强度和轻质量。而控制系统中的动力系统即电机系统则采用了伺服电机或步进电机驱动系统，减少了运动控制中的误差积累，提高了运行精度，本实施例中的六个关节模块和相应的连杆连接机构，经过优化，减轻了重量，从而改善了所述机构的惯性力，使得所述机构灵活，平稳。本发明中所述电机均指步进电机或交流伺服电机。

本实施例中所述模块化六自由度机械手每个关节的详细结构分别描述如下：

本实施例中第一关节的总体结构示意图如图3A所示，图3B是本实施例中第一关节的中剖面结构示例图， 一传感器105安装于所述第一关节11本体101上，而所述关节本体101则通过螺钉固定到底座108上，一谐波减速器103通过螺钉固定在一电机102上，而所述电机102则通过连接螺钉固定在所述关节本体101上，一用于连接第二关节22的输出连杆106通过轴承固定在所述关节本体101上，并与所述电机102相联结，一接口电路板107与所述关节本体101固定连接，用于连接并实施各关节通讯。所述第一关节11采用步进电机或伺服电机驱动，XB1型谐波减速器减速并传动，直连垂直放置结构，即第二关节22，使得其末端输出连杆106以及与之相连的第二关节22产生旋转运动，角度可达到±90°。

本发明的一个实施例中第二关节22总体结构如图4A所示，所述第二关节22的剖面示意图如图4B所示，所述连接第一关节输出连杆106的关节接口在本实施例中为电机支座204，通过螺钉固定在第二关节22的本体201上，所述电机支座204及第二关节本体201与第一关节的输出连杆106相连接，一谐波减速器203由螺钉与一电机202连接，所述电机202通过螺钉固定在所述电机支座204上，一传感器205固定在所述电机支座204上，用于探测所述电机支座204的运动位置，也即所述第二关节22的运动位置；一输出连杆206通过传动轴与电机支座204连结，并由电机支座204支承所述传动轴，而所述传动轴与所述电机202通过一联轴器连接，所述输出连杆206在所述电机202的驱动下带动与之相连的第三关节33转动。所述第二关节22采用一步进电机或伺服电机202驱动，XB1型谐波减速器203减速并传动，直连一水平放置结构第三关节33，使得其末端输出连杆206以及与之相连的第三关节33产生回转运动。

本发明的一个实施例中第三关节33总体结构如图5A所示，所述第三关节33的剖面示意图如图5B所示，一谐波减速器303与一电机302连接，所述电机302通过螺钉与一电机支座301固定连接，而所述电机支座301通过螺钉与一关节接口304固定连接，输出连杆306通过轴承，与所述电机302相连，一传感器305与所述电机支座301连接，测量并通过所述控制系统限定所述输出接口306的运动范围。所述第三关节33采用步进电机或伺服电机驱动，经过同步带减速并传动后，连接谐波减速器输出，直连一水平放置结构即第四关节44，使得其末端输出连杆306及与之相连的第四关节44产生回转运动，角度可达到±45º。

本发明的一个实施例中第四关节44总体结构如图6A所示，所述第四关节44的剖面示意图如图6B所示，第四关节44的关节接口404与所述第三关节的输出连杆306相联结，一电机支座401通过螺钉与所述关节接口404连接，一谐波减速器403通过螺钉与一电机402联结，所述电机402与所述电机支座401固定联结，一输出连杆406与所述电机402连接，一传感器405与所述电机支座401固定连接，所述传感器405探测并通过控制系统限制所述第四关节44的运动范围。所述第四关节44采用步进电机或伺服电机驱动，经过蜗轮蜗杆传动至输出连杆406，使得末端输出连杆406及与之相连的第五关节55产生旋转运动，角度可达到±90°。

本发明的一个实施例中第五关节55总体结构如图7A所示，所述第五关节55的剖面示意图如图7B所示，所述第五关节55通过一关节接口504与第四关节的相应输出连杆406连接，电机支座501与所述关节接口504通过销固定联结，一谐波减速器503通过螺钉与一电机502相连，而所述电机502与所述电机支座501通过螺钉固定连结，一传感器505粘贴于所述电机支座501上，用于探测并通过控制系统限制所述第五关节55运动的范围。所述关节55采用一步进电机或伺服电机驱动，由所述谐波减速器503减速后，经过同步带传动，驱动一主动齿轮507转动，所述主动齿轮507连接并驱动从动齿轮508转动，而从动齿轮508经过同步带驱动放置于506位置的一水平放置结构，即与之相连的第六关节66产生回转运动，角度可达到±45°。

本发明的一个实施例中第六关节66总体结构如图8A所示，该关节也不采用连杆机构驱动输出，而采用两个锥齿轮旋转输出，以驱动所述末端抓取机构77，好处是结构紧凑，占用空间小。所述第六关节66的剖面示意图如图8B所示，第六关节66通过关节接口604与第五关节输出连杆506固定联结，而所述关节接口604通过销钉与电机支座601固定联结，一电机602通过螺钉与所述电机支座601固定联结，一谐波减速器603通过螺钉与所述伺服电机602连结，而一传感器605粘贴于所述电机支座601上，用于探测并通过控制系统限制第六关节66运动的范围。所述第六关节66采用一电机602驱动，经过谐波减速器603减速传动后，驱动锥齿轮607转动，而锥齿轮607又驱动从动锥齿轮608转动，改变旋转方向90^o后，驱动一与从动锥齿轮608的上表面固定连接一末端抓取机构77，使得所述末端抓取机构77产生旋转运动，角度可达到±180°。

本实施例中的末端抓取机构77，采用了卡盘式夹具结构，如图9所示，卡爪连接块701连接两个三爪气动卡盘704与一驱动旋转气缸703，所述驱动旋转气缸703上设有用于提供动力给其内部的一气动夹持系统的两个气体进出口705，即进气口和排气口，所述抓取结构通过对应的气动夹持系统，采用气动控制对应的三爪气动卡盘704上的气动手指张合，以抓取或释放物体；所述末端抓取机构通过一驱动旋转气缸连接块702连接到第六关节的从动锥齿轮608的上表面，从而可以由所述六个关节共同运动以输送达到任何所期望的位姿；而所述驱动旋转气缸可以使所述三爪气动卡盘704旋转到合适角度以增加所述气动手抓系统的适用性；所述两个三爪气动卡盘704分别由所述气动手指和贴于手指上的橡胶板构成，在抓取工件时，所述橡胶板增加了工件接触面，实现了良好的定位，从而确保了运动精度；本实施例的机械手模块通过采用所述卡盘式夹具结构，增加了抓取力，提高了抓取精度，增大了适应范围和运行精度，从而可以实现空间的复杂运动，提高工业化应用水平。

本发明所述的一种模块化六自由度机械手结构的控制方法，仅仅控制机械手离散点上手爪的位姿，尽快而无超调地实现相邻点的运动，而对运动轨迹并不作控制。

在一个实施例中，所述模块化六自由度机械手的控制方法，通过采用一台工业PC（个人电脑）+DSP（数字信号处理）运动控制卡的结构来实现。其中，所述模块化六自由度机械手的控制系统，包括一个伺服系统和一个示教盒。

所述伺服系统由基于DSP的运动控制器、伺服驱动器、伺服电动机及光电编码器组成，用于接收由一伺服级计算机经过相关计算后发出的各种运动控制命令，控制所述机械手运动；而所述控制命令来自于一控制级计算机输出的储存于示教盒中的信息。所述功能皆由现有编程技术来实现，在此不作详述。

所述示教盒通过控制级计算机获得所述计算机上人工操纵过程的数据，包括脉冲和转角信息，记录在示教盒中，并应用于控制级计算机的控制软件中，从而实现对机械手的示教及控制。

本实施例的所述模块化六自由度机械手在开始某项工作时，控制方法包括学习和重复过程，首先由人工操作控制级计算机的操作软件，操纵所述伺服系统产生并输出控制所述机械手各关节的位姿信息和各伺服电机的速度信息，包括脉冲和转角信息，以控制所述机械手运动；所述软件同时将相关的控制信息，包括力闭环信息和位置闭环信息，包括通过传感器检测到的机械手末端抓取机构的位移，经过控制级计算机处理后，存储至所述示教盒中；在以后的机械手自主运动中，所述示教盒自动输出所存储的控制信息中的位移信息，经位移/力变换环节转换为输入力，与力的设定值合成之后作为力控制的给定量并输出；所述示教盒还通过伺服级计算机输出各关节对应的速度和位姿等信息，输出至伺服系统的控制端子，以控制各关节的位姿，模拟重复所学习的动作模式，完成所期待的动作。

本实施例的实验结果证明了采用所述PC+DSP的计算结构可以充分利用DSP运算的高速性，满足机器人控制的实时需求，实现较高的运动控制性能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种模块化六自由度机械手，包括一用于提供整个系统运动能量的电源系统、一连接并控制整个结构运动的控制系统、六个相互配合的关节模块、各关节独立的转换机构，以及一末端抓取机构，所述末端抓取机构包括用于驱动所述末端抓取机构的一气动夹持系统，其特征在于，所述机械手结构还采用向外侧延伸的连杆机构连接相邻两个所述关节模块，用于增加关节连接的强度、刚度和精度;

所述转换机构还包括至少一位置传感器，所述位置传感器设置在各关节本体上，用于实时检测所述关节的位置；

所述六个相互配合的关节模块包括依次连接的第一关节，第二关节，第三关节，第四关节，第五关节，第六关节；

所述第二关节的转换机构通过末端输出连杆连接并驱动所述第三关节产生回转运动；

所述第三关节的转换机构通过末端输出连杆连接并驱动所述第四关节产生回转运动；

所述第四关节的转换机构通过末端输出连杆连接并所述第五关节产生旋转运动；

所述末端输出连杆包括相对设置的两个连接片，用于从两侧夹持连接下一关节。

2.根据权利要求1所述的模块化六自由度机械手，其特征在于，所述转换机构包括安装在每个关节上的一动力系统，所述动力系统包括一电机连接一柔性结构谐波减速器，并经过所述柔性结构谐波减速器减速后，在控制系统控制下，运动所连接的机构到指定位置。

3.根据权利要求2所述的模块化六自由度机械手，其特征在于，所述柔性结构谐波减速器包括位于所述减速器中央的一波发生器，位于所述减速器外围的一钢轮和位于所述钢轮内侧的一柔轮，所述柔轮用于通过变形实现与所述钢轮的无侧隙啮合。

4.根据权利要求1所述的模块化六自由度机械手，其特征在于，所述控制系统还包括一伺服系统和一示教盒，所述伺服系统由基于DSP的运动控制器、伺服驱动器、伺服电动机及光电编码器组成；所述示教盒通过控制级计算机获得机械手伺服系统中的数据，并应用于控制级计算机控制软件中，从而实现对机械手的示教及控制。

5.根据权利要求1所述的模块化六自由度机械手，其特征在于，所述末端抓取机构采用卡盘式夹具结构，包括一驱动旋转气缸连接并驱动至少一三爪气动卡盘，并通过所述三爪气动卡盘手指上的橡胶板接触并抓取物体。

6.根据权利要求1所述的模块化六自由度机械手，其特征在于，所述连杆机构，由钛合金材料制成；所述关节转换机构包括步进电机或伺服电机。

7.一种根据权利要求1至6任一条所述的模块化六自由度机械手的控制方法，其特征在于，所述六个关节模块各自接受独立的电机驱动，并经过各自的谐波减速器减速后，驱动各自末端产生相应的运动。

8.根据权利要求7所述的模块化六自由度机械手的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：示教盒记录人工操作过程中的力闭环信息和位置闭环信息，所述位置闭环信息包括通过传感器检测机械手末端抓取机构的位移；

B： 所述示教盒输出的所储存的控制信息中的位移信息，经位移/力变换环节转换为输入力；

C： 所述输入力与力的设定值合成之后作为力控制的给定量，输出后用于自动操纵所述机械手的运动。

9.根据权利要求8所述的模块化六自由度机械手的控制方法，其特征在于，所述控制方法通过控制机械手的离散点上手爪的位姿，实现相邻点的运动。