CN105415389B - 一种机械爪以及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械爪以及控制方法，属于机械工具技术领域。本发明实施例的一种机械爪以及控制方法包括机械臂本体、电控模块、驱动机构、传动机构、爪子机构，机械臂本体连接有电控模块，电动模块控制驱动机构中的电机旋转，电机与传动机构相连接，传动机构与爪子机构相连接并带动爪子机构运动，所述传动机构包括主动伞形齿轮、被动伞形齿轮，所述爪子机构的传送轴与被动伞形齿轮配合连接，实现爪子机构的运动。传动机构采用伞形齿轮能够改变电机的扭矩的传动方向，使得零部件的布置更为合理，减少机构所占的空间。本发明采用非对称型加减速控制方法，能够有效提高机械爪的运动效率和精度，减少爪子机构停止阶段的震动。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械爪以及控制方法，属于机械工具技术领域的领域。
背景技术
机械爪是自动化系统中常用的装置，用来搬运移动物体，或给所需加工的工件进行夹持固定，具有使用方便，结构简单，适应性好等优点，按驱动方式可分为电机驱动，气缸驱动，一般的机械爪零件较多，结构较为复杂，控制精度较差，对于一些易损坏的物体的抓取，不能有效抓取。
一般机械爪末端的位姿是各关节协调运动的结果，由于串联结构的误差，实际的末端位姿与通过各关节计算的理论值会有偏差。机械爪末端如何快速从起始位置移动到目标位置，在移动的过程中末端位姿如何控制，都是机械爪相关理论的研究重点。只有规划出合理末端的位姿，根据末端位姿信息，才能反解出机械爪各关节的变化量，才能保证机械爪高效的运作。常规的机械爪运动控制都是匀速控制，但是如果速度取得过大，在启动和停止时就运动机构就会有明显的振动，如果速度取得过小，就无法保证加工的效率。对于机械爪的工作前期准备的运动过程，启动阶段的振动可以不考虑振动问题，但是停止阶段必须考虑振动的影响，简单的采用较小的速度策略，来抑制振动，必然会带来运动效率低的结果，
针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种机械爪以及控制方法，采用伞形齿轮实现机械爪的运动控制，利用非对称的型加减速控制方法，开始阶段的加加速度值较大，结束阶段的加加速度值较小，能够有效提高机械爪的运动效率和精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种机械爪，包括机械臂本体、电控模块、驱动机构、传动机构、爪子机构，机械臂本体连接有电控模块，电动模块控制驱动机构中的电机旋转，电机与传动机构相连接，传动机构与爪子机构相连接并带动爪子机构运动，所述传动机构包括主动伞形齿轮、被动伞形齿轮，所述爪子机构的传送轴与被动伞形齿轮配合连接，主动伞形齿轮带动被动伞形齿轮旋转，实现爪子机构的运动。传动机构采用伞形齿轮能够改变电机扭矩的传动方向，使得零部件的布置更为合理，减少机构所占的空间。
进一步地，所述传动机构还包括支撑座、端盖，所述端盖固定连接在机械臂本体上，支撑座中间位置设置有短轴用与被动伞形齿轮连接，使得被动伞形齿轮以能够旋转的方式固定在支撑座上，无法轴向移动，支撑座四周设置有螺栓孔，用以与端盖固定连接。
进一步地，所述被动伞形齿轮设置有梯度通孔，一端通孔较大用于同支撑座的短轴相配合连接，限制被动伞形齿轮的径向移动，一端通孔较小并设置有螺纹用于同传送轴的螺纹相配合，同时支撑座中间位置开有通孔，使得传送轴能够依次穿过端盖、支撑座与被动伞形齿轮内螺纹相配合旋进旋出。
进一步地，所述爪子机构包括传送轴、爪子、测距器、压敏元件、摄像头，爪子前端内侧安装有压敏元件用以控制爪子的夹紧力，靠近压敏元件的位置，同时安装有测距器，用以调节爪子张开的角度和范围，爪子上端的内侧同时安装有摄像头用以观察抓取时的周边环境以及抓取物体。
优选地，测距器为激光测距仪或者是超声波测距仪。
本发明提供了又一以下技术方案：
用于机械爪的控制方法，包括如下步骤：S10，把机械爪的位置信息输入到电控模块中；S20，电控模块的控制芯片根据始末位置信息对机械爪进行轨迹规划；S30，电控模块把规划信息转化为电机(1)控制信号；S40，通过控制电机(1)的旋转，实现控制机械爪运动。
机械爪的运动控制涉及到两位置点之间的运动，初始位置和终点位置的加速度与速度均为零。采用非对称型加减速控制方法，运行过程被分为七段，分别是加加速度段、匀加速度段、减加速度段、匀速度段、加减速度段、匀减速度段、减减速度段。其中加加速度段、减加速度段、加减速度段与减减速度段这四个时间段时间值相同，匀加速度段和匀减速度段时间值相同。考虑加加速度对机构运动的影响，非对称的型加减速控制方法，开始阶段即加加速度段、减加速度段二个时间段采用较大加加速度，结束阶段即加减速度段、减减速度段采用较小的加加速度，消除因为加加速度过大导致末端停止时出现的较大振动，无法兼顾精度与效率的问题。
S20进一步包括以下步骤：
S201，电控模块的控制芯片根据始末位置信息，计算机械爪需要运动距离；
S202，控制芯片根据运动距离以及加工要求确定前后阶段的加加速度比率K；
S203，根据加加速度段时间值tj1求出加减速度段时间值为tj2，不考虑到轨迹规划的约束条件，始末速度为零，加速度对时间积分得到速度值，进行分析计算：
可以解得tj1、tj2的关系，
其中：jerk为最大加加速度度值，k为加加速度比率
S204，根据匀加速度段时间ta1确定匀减速度段时间ta2，当tv1＝0时根据始末速度约束条件即始末速度为零，已知tj1、tj2的变化关系，利用面积割补法可以得到ta1、ta2变化关系，计算公式如下：
S205，计算匀加加速度阶段时间tj1，根据时间最优原则，先不考虑限制条件，轨迹规划时只有匀加加速度阶段包括四个时间段：加加速度段、减加速度段、加减速度段和减减速度段，不存在其他速度变化段；因此先令ta1＝0，ta2＝0，tv1＝0，求tj1值；根据非对称型加减速控制算法可得到关于速度和位移的二元三次方程组，进而可得tj1，计算公式如下：
S206，对匀加加速度阶段时间tj1进行修正，考虑速度，加速度限制要求，由于最大速度出现减加速度段结束时，加速度最大值出现在加加速度段结束时，还必须对tj1进行修正计算公式如下：
S207，确定匀加速度段时间值ta1，匀速度段时间值tv1，类似tj1、tj2求解过程，可求得ta1值，进而求出tv1值；
S208，控制芯片根据规划的时间量，求出每个伺服周期内的位移量，优选地，控制芯片采用DSP处理器，能够快速准确的进行运算。
进一步地，S202，加加速度比率K为加加速度段加加速度值与加减速度段加加速度值二者的比值，开始阶段即加加速度段和减加速度段采用较大加加速度，结束阶段即加减速度段和减减速度段采用较小的加加速度，消除因为加加速度过大导致末端停止时出现的较大振动，无法兼顾精度与效率的问题。
进一步地，S208，对规划的时间量要根据采样周期进行离散化处理，转为机器系统能够处理的时间周期。
进一步地，对tj1，ta1进行修正计算后，tj2，ta2需要分别根据S203、S204的计算方法，进行重新计算确定tj2，ta2的值。
进一步地，限制条件包括最大加速度限制、最大速度限制、最大位移限制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用伞形齿轮带动爪子机构运动，能够快速准确的控制爪子机构的运动，并能节省机构所占的空间，使得整个机构设计更为合理、紧凑。
2.本发明的爪子机构设置有压敏元件能够准确感应夹持力，并通过控制芯片能够有效控制夹持力的大小，利用测距器能够准确控制爪子的张开的角度和范围，设置有摄像头使得爪子抓取时，使用者能够准确了解爪子周边环境。
3.本发明采用非对称的型加减速控制方法，开始阶段的加加速度值较大，结束阶段的加加速度值较小，能够有效提高机械爪的运动效率和精度，减少爪子机构的停止阶段的震动。
附图说明
图1为本发明具体实施例的爆炸图；
图2为本发明具体实施例的局部示意图；
图3为本发明具体实施例控制流程图；
图4为本发明具体实施例中一段完整的加速度变化图；
图5为本发明具体实施例中采样时间变化示意图。
其中：1-电机，2-减速装置，3-电机轴，4-电机座，5-主动伞形齿轮，6-第一轴承，7-垫圈，8-旋转轴，9-被动伞形齿轮，10-第二轴承，11-支撑座，12-端盖，13-轴套，14-传送轴，15-显示屏，141-第一螺纹，142-第二螺纹，100-爪子机构，16-固定座，17-摄像头，18-测距器，19-压敏元件，20-爪子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
如图1、2所示，一种机械爪包括机械臂本体、电控模块、驱动机构、传动机构、爪子机构100，驱动机构包括连接有减速装置2的电机1、电机座4，电机座4设置有电机1孔，电机1通过轴承活动连接在电机座4上，电机座4通过螺栓固定在机械臂本体上。传动机构包括主动伞形齿轮5、被动伞形齿轮9、支撑座11、端盖12，端盖12固定连接在机械臂本体上，支撑座11中间位置设置有短轴用与被动伞形齿轮9连接，使得被动伞形齿轮9以能够旋转的方式固定在支撑座11上，无法轴向移动，支撑座11四周设置有螺栓孔，用以与端盖12固定连接。
爪子机构100包括传送轴14、爪子20、测距器18、压敏元件19、摄像头17，传送轴14一端设置有第一螺纹141，中间位置设置有第二螺纹142，传送轴14另一端固定连接有爪子20，传送轴14通过第一螺纹141与机械臂本体固定连接，端盖12中间设置有通孔，通孔内安装有轴套13，传送轴14穿过轴套13，使得传送轴14能够在端盖12中旋转并且能够轴向移动。传送轴14的第二螺纹142与被动伞形齿轮9相配合，被动伞形齿轮9设置有梯度通孔，一端通孔较大用于同支撑座11的短轴相配合连接，限制被动伞形齿轮9的径向移动，一端通孔较小并设置有螺纹用于同传送轴14的第二螺纹142相配合，使得传送轴14能够从端盖12中旋进旋出。
爪子20前端内侧安装有压敏元件19用以控制爪子20的夹紧力，靠近压敏元件19的位置，同时安装有测距器18，用以调节爪子20张开的角度和范围。爪子20上端的内侧同时安装有摄像头17用以观察抓取时的环境，爪子20通过固定座16与传送轴14固定连接。电控模块包括显示屏15、控制芯片，显示屏15一方面用以显示摄像头17采集的图像信息另一方面可显示爪子20的运动轨迹以及规划信息。
如图3所示，具体实施例中的一种机械爪控制方法，包括如下步骤：S10，把机械爪的位置信息输入到电控模块中；S20，电控模块的控制芯片根据始末位置信息对机械爪进行轨迹规划；S30，电控模块把规划信息转化为电机(1)控制信号；S40，通过控制电机(1)的旋转，实现控制机械爪运动。
把机械爪的位置信息以及加工精度、效率要求输入到电控模块中；电控模块的控制芯片根据始末位置信息对机械爪的运动采用非对称型加减速控制方法进行轨迹规划，电控模块把规划信息转化为电机1控制信号，即根据规划的时间量，求出每个伺服周期内的位移量，控制芯片控制电路转换为相应脉冲信号控制电机1旋转，进而实现控制机械爪运动距离。
对于一段完整对称型型加减速控制方法，加速度变化如图4所示，根据时间最优算法，对它的轨迹规划实际上就是求解三个时间量：匀加加速度阶段时间值tj，匀加速度阶段时间值ta，匀速度阶段时间值tv，采用非对称型型加减速控制方法，轨迹规划会比对称型型加减速控制方法复杂的多，加加速度段、减加速度段与加减速度段与减减速度段的时间不再相同，同时匀加速度段和匀减速度段时间也不同，时间未知量变为5个，分别为加加速度段时间值为tj1，加减速度段时间值为tj2，匀加速度段时间值为ta1，匀减速度段时间值ta2，匀速度段时间值为tv1。
具体实施例中S20进一步包括以下步骤：
S201，电控模块的控制芯片根据始末位置信息，计算机械爪需要运动距离；
S202，控制芯片根据运动距离以及加工要求确定前后阶段的加加速度比率K；
S203，根据加加速度段时间值tj1，求出加减速度段时间值为tj2，不考虑到轨迹规划的约束条件，始末速度为零，加速度对时间积分得到速度值，进行分析计算：
可以解得tj1、tj2的关系，
其中：jerk为最大加加速度度值，k为加加速度比率
S204，根据匀加速度段时间ta1确定匀减速度段时间ta2，当tv1＝0时根据始末速度约束条件即始末速度为零，已知tj1、tj2的变化关系，利用面积割补法可以得到ta1、ta2变化关系，计算公式如下：
S205，计算匀加加速度阶段时间tj1，根据时间最优原则，先不考虑限制条件，轨迹规划时只有匀加加速度阶段包括四个时间段：加加速度段、减加速度段、加减速度段和减减速度段，不存在其他速度变化段；因此先令ta1＝0，ta2＝0，tv1＝0，求tj1值；根据非对称型加减速控制算法可得到关于速度和位移的二元三次方程组，进而可得tj1，计算公式如下：
S206，对匀加加速度阶段时间tj1进行修正，考虑速度，加速度限制要求，由于最大速度出现减加速度段结束时，加速度最大值出现在加加速度段结束时，还必须对tj1进行修正计算公式如下：
S207，确定匀加速度段时间值ta1，匀速度段时间值tv1，类似tj1、tj2求解过程，可求得ta1值，进而求出tv1值；
S208，控制芯片根据规划的时间量，求出每个伺服周期内的位移量，控制芯片采用DSP处理器，能够快速准确的进行运算。
具体实施例中为保证变量的单一性，先不考虑速度和加速度的限制，在要求停止阶段加加速度等于相等值时，设置不同的加加速度比率，开始的加加速度会不同，对整个运动阶段的规划出来的采样时间进行对比。编程进行仿真实验，点到点的位移量为10m，停止阶段的加加速度等于25m/s3时，随着比率的增加，采样时间变化如图5所示，停止阶段的加加速度值相同的情况下，采样时间值会明显的减少，表明采用非对称型加减速控制方法可以明显提高机械爪的运动效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种机械爪控制方法，包括机械臂本体、电控模块、驱动机构、传动机构、爪子机构(100)，机械臂本体连接有电控模块，电动模块控制驱动机构中的电机(1)旋转，电机(1)与传动机构相连接，传动机构与爪子机构(100)相连接并带动爪子机构(100)运动，所述传动机构包括主动伞形齿轮(5)、被动伞形齿轮(9)，所述爪子机构(100)的传送轴(14)与被动伞形齿轮(9)配合连接，主动伞形齿轮(5)带动被动伞形齿轮(9)旋转；所述传动机构还包括支撑座(11)、端盖(12)，所述端盖(12)固定连接在机械臂本体上，支撑座(11)中间位置设置有使得被动伞形齿轮(9)以能够旋转的方式固定在支撑座(11)上的短轴，支撑座(11)四周设置有用以与端盖(12)固定连接的螺栓孔；所述被动伞形齿轮(9)设置有梯度通孔，梯度通孔用于同支撑座(11)的短轴相配合连接的一端孔径较大，用于同传送轴(14)的螺纹相配合的一端孔径较小并设置有螺纹，同时支撑座(11)中间位置开有通孔；
其特征在于，包括如下步骤：S10，把机械爪的位置信息输入到电控模块中；S20，电控模块的控制芯片根据始末位置信息对机械爪进行轨迹规划；S30，电控模块把规划信息转化为电机(1)控制信号；S40，通过控制电机(1)的旋转，实现控制机械爪的运动；
S20进一步包括以下步骤：
S201，电控模块的控制芯片根据始末位置信息，计算机械爪需要运动的距离；
S202，控制芯片根据运动距离以及加工要求确定前后阶段的加加速度比率K；加加速度比率K为加加速度段加加速度值与加减速度段加加速度值二者的比值，开始阶段即加加速度段和减加速度段采用较大加加速度，结束阶段即加减速度段和减减速度段采用较小的加加速度；
S203，根据加加速度段时间值tj1，求出加减速度段时间值为tj2，不考虑轨迹规划的约束条件，始末速度为零，加速度对时间积分得到速度值，进行分析计算：
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其中：jerk为最大加加速度度值，k为加加速度比率；
S204，根据匀加速度段时间ta1，确定匀减速度段时间ta2，当tv1＝0时根据始末速度约束条件即始末速度为零，已知tj1、tj2的变化关系，利用面积割补法可以得到ta1、ta2变化关系，计算公式如下：
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S205，计算匀加加速度阶段时间tj1，根据时间最优原则，先不考虑限制条件，轨迹规划时只有匀加加速度阶段包括四个时间段：加加速度段、减加速度段、加减速度段和减减速度段，不存在其他速度变化段；因此先令ta1＝0，ta2＝0，tv1＝0，求tj1值；根据非对称型加减速控制算法可得到关于速度和位移的二元三次方程组，进而可得tj1，计算公式如下：
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S-位移量；
S206，对匀加加速度阶段时间tj1进行修正，考虑速度，加速度限制要求，由于最大速度出现减加速度段结束时，加速度最大值出现在加加速度段结束时，还必须对tj1进行修正计算公式如下：
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-允许的最长加速度时间，-允许的最长加速度时间，vm-最大限制速度，am-最大限制加速度，j-加加速度(当tj1不需要圆整为伺服周期的整数倍时，就是原来jerk的值，当tj1圆整为伺服周期的整数倍时，把圆整后的tj1代回其计算公式中算出j的值)；
S207，确定匀加速度段时间值ta1，匀速度段时间值tv1，类似tj1、tj2求解过程，可求得ta1值，进而求出tv1值；
S208，控制芯片根据规划的时间量，求出每个伺服周期内的位移量；对规划的时间量要根据采样周期进行离散化处理(即对其圆整为伺服周期的整数倍)，转为机器系统能够处理的时间周期。
2.如权利要求1所述的机械爪控制方法，其特征在于，S208，对规划的时间量要根据采样周期进行离散化处理，转为机器系统能够处理的时间周期。
3.如权利要求2所述的机械爪控制方法，其特征在于，对tj1、ta1进行修正计算后，tj2、ta2需要分别根据S203、S204的计算方法，进行重新计算确定tj2，ta2的值。
4.如权利要求3所述的机械爪控制方法，其特征在于，限制条件包括最大加速度限制、最大速度限制、最大位移限制。
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