CN105690416B - 一种机器人夹持装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人夹持装置及控制方法，涉及智能机器人自动化控制技术领域，用以解决现有技术中存在机器人抓取物体时，物体易被抓坏的问题。该装置包括：电机装置设置在底板上，电机装置包括编码器和电机；电机的一端与编码器连接，电机的另一端与第一齿轮连接；第一夹持臂和第二夹持臂均设置在底板上；第一夹持臂和第二夹持臂相对设置，第一夹持臂在朝向第二夹持臂的侧面设置有压力传感器；双向螺杆的一端依次穿过第一夹持臂下部和第二夹持臂下部，双向螺杆的另一端设置有第二齿轮；第一齿轮和第二齿轮之间啮合传动；处理器分别与编码器、电机、压力传感器连接。

Description

一种机器人夹持装置及控制方法

技术领域

本发明涉及智能机器人自动化控制技术领域，更具体的涉及一种机器人夹持装置及控制方法。

背景技术

夹持装置是工业机器人在抓取物体时重要的末端执行机构，夹持器抓取物体时，涉及夹持器和被抓物体间的相互作用，夹持臂的位移以及夹持臂与被抓物质间的接触力是夹持过程控制的重要指标，它决定了机器人是否能在不破坏被抓物的前提下有效抓取被抓物。

现有技术中，夹持装置中的夹持臂大多是刚性设计，而且控制夹持装置的过程是机械式控制，在机器人抓取物体时，很容易破坏被抓物。

综上所述，现有技术中存在机器人抓取物体时，容易破坏被抓物的问题。

发明内容

本发明提供一种机器人夹持装置及控制方法，用以解决现有技术中存在机器人抓取物体时，容易破坏被抓物的问题。

本发明提供一种力位组合反馈柔顺控制型精密夹持装置，包括：底板、电机装置、第一齿轮、第二齿轮、第一夹持臂、第二夹持臂、双向螺杆、压力传感器和处理器；

所述电机装置设置在所述底板上，所述电机装置包括编码器和电机；

所述电机的一端与所述编码器连接，所述电机的另一端与所述第一齿轮连接；

所述第一夹持臂和所述第二夹持臂均设置在所述底板上；

所述第一夹持臂和所述第二夹持臂相对设置，所述第一夹持臂在朝向所述第二夹持臂的侧面设置有压力传感器；

所述双向螺杆的一端依次穿过所述第一夹持臂下部和所述第二夹持臂下部，所述双向螺杆的另一端设置有所述第二齿轮；

所述第一齿轮和所述第二齿轮之间啮合传动；

所述处理器分别与所述编码器、所述电机、所述压力传感器连接。

较佳地，所述底板上设置有“U”型支架和导轨，所述“U”型支架和所述导轨并排设置在所述底板上；

所述电机装置还包括减速器，所述减速器设置编码器和所述第一齿轮之间，且靠近所述第一齿轮设置；

所述“U”型支架包括设置在底板上的横板和设置在横板两端的两竖板，所述“U”型支架的一个竖板设置在所述编码器和所述电机之间，所述“U”型支架的另一个竖板设置在所述电机和所述减速器之间；

所述第一夹持臂和所述第二夹持臂均设置在所述导轨上。

较佳地，所述第一夹持臂上部和所述第二夹持臂上部相对设置有“V”型曲面，所述“V”型曲面上设置有所述压力传感器；

所述第一夹持臂和第二夹持臂下部分别设有通孔，每个所述通孔中安装有一个螺母，所述双向螺杆穿过所述螺母，并与所述螺母螺接。

较佳地，所述处理器还分别与光电开关和电位器连接，所述光电开关包括原点开关和限位开关；所述原点开关和所述限位开关设置在所述导轨上。

较佳地，所述处理器与所述编码器之间设有电平转换电路；所述处理器与所述电机之间设有驱动电路；所述处理器与所述压力传感器之间设有信号调理电路；所述处理器与所述光电开关之间设有光耦隔离电路。

一种机器人夹持装置的控制方法，包括以下步骤：

处理器接收上位机设定的第一夹持臂或第二夹持臂与夹持件之间的安全距离；

所述处理器通过编码器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前距离；

所述处理器通过压力传感器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前夹持力，并且根据力位移转换函数将所述当前夹持力转换为力反馈等效位移；

所述处理器根据所述安全距离、所述当前距离和所述力反馈等效位移，通过位置闭环PID控制算法驱动电机转动，所述电机转动带动第一夹持臂和第二夹持臂做夹持运动。

较佳地，当所述当前夹持力属于欠压力夹持区时，所述力反馈等效位移通过下式确定：

d＝k₁f (1)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，f为当前夹持力，且0≤f≤f₀，f₀为第一增益切换点；

当所述当前夹持力属于压力夹持区时，所述力反馈等效位移通过下式确定：

d＝k₁f₀+k₂(f-f₀) (2)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，k₂为第二增益系数，f为当前夹持力，且f₀≤f≤f₁，f₀为第一增益切换点，f₁为第二增益切换点；

当所述当前夹持力属于过压力夹持区时，所述力反馈等效位移通过下式确定：

d＝k₁f₀+k₂(f₁-f₀)+k₃(f-f₁) (3)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，k₂为第二增益系数，k₃为第三增益系数，f为当前夹持力，且f≥f₁，f₀为第一增益切换点，f₁为第二增益切换点。

本发明提供一种机器人夹持装置及控制方法，该装置中处理器通过算法控制电机转动，电机转动带动齿轮转动，齿轮啮合转动带动穿在夹持臂上的双向螺杆运动，从而实现夹持臂的精确柔顺运动，即通过夹持装置和夹持装置的控制方法，从自动控制角度保证了机器人夹持装置的柔性夹持，并具有较好的可操作性，以及控制精度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置夹持臂结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置系统连线图；

图4为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置第一种控制方法示意图；

图5为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置第二种控制方法示意图；

图6为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置第三种控制方法示意图

图7为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置力位移转换函数关系图。

100-底板，101-“U”型支架，102-导轨，103-编码器，104-电机，105-减速器，106-1-第一齿轮，106-2-第二齿轮，107-1-第一夹持臂，107-2-第二夹持臂，108-双向螺杆，108-1螺杆支架，109-压力传感器，110-处理器，111-1-原点开关，111-2-限位开关，112-电位器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种机器人夹持装置结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置夹持臂结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置系统连线图。

如图1、图2和图3所示，该装置具体包括：底板100、电机装置、第一齿轮106-1、第二齿轮106-2、第一夹持臂107-1、第二夹持臂107-2、双向螺杆108、压力传感器109和处理器110；电机装置设置在底板100上，电机装置包括编码器103和电机104；电机104的一端与编码器103连接，电机104的另一端与第一齿轮106-1连接；第一夹持臂107-1和第二夹持臂107-2均设置在底板100上；第一夹持臂107-1和第二夹持臂107-2相对设置，第一夹持臂107-1在朝向第二夹持臂107-2的侧面设置有压力传感器109；双向螺杆108的一端依次穿过第一夹持臂107-1下部和第二夹持臂107-2下部，双向螺杆108的另一端设置有第二齿轮106-2；第一齿轮106-1和第二齿轮106-2之间啮合传动；处理器110分别与编码器103、电机104、压力传感器109连接。

需要说明的是，底板100上设置有“U”型支架101和导轨102，“U”型支架101和导轨102并排设置在底板100上。具体地，电机装置还包括减速器105，减速器105设置在编码器103和第一齿轮106-1之间，且靠近第一齿轮106-1设置；“U”型支架101包括设置在底板100上的横板和设置在横板两端的两竖板，“U”型支架101的一个竖板设置在编码器103和电机104之间，“U”型支架101的另一个竖板设置在电机104和减速器105之间；第一夹持臂107-1和第二夹持臂107-2均设置在导轨102上。

进一步，“U”型支架101两端设置有穿孔，电机104和减速器105之间的轴，以及减速器105和第一齿轮106之间的轴，分别穿过“U”型支架101两端设置的穿孔，保证了电机104、减速器105和齿轮在运动时不与底座100发生碰撞。

进一步，导轨102是燕尾槽结构的导轨，燕尾槽导轨对夹持臂起导向和支撑作用，与直线导轨相比，燕尾槽导轨具有更大的承重力，实际应用中，第一夹持臂107-1和第二夹持臂107-2滑动时，滑动位置稳定，不易偏离。

需要说明的是，编码器103，采用光电编码器，用于记录电机104转动的圈数，从而获得夹持臂运动的位移。

需要说明的是，电机104，采用步进电机，用于带动齿轮啮合传动，用于控制夹持臂做相向运动、调适运动和相背运动。

需要说明的是，第一夹持臂107-1上部和第二夹持臂107-2上部相对设置有“V”型曲面，“V”型曲面上设置有压力传感器109，通过V型夹持臂，实现柔性夹持和无预应力的压力反馈。

需要说明的是，双向螺杆108，是一根有两段旋向不同的螺纹的螺杆，一段右旋螺纹，一段左旋螺纹；左右螺母分别连接左右两个夹持臂，当螺杆旋转时，两个夹持臂随螺母快速趋近或分离，从而完成需要的夹持动作；与滚珠丝杠传动相比，螺杆传动的最大优点是能自锁，这样一方面可以防止在夹持时突然断电造成被夹持物的脱落，另一方面在夹持装置姿态发生变化时，无需考虑重力对夹持的影响。

具体地，第一夹持臂107-1和第二夹持臂107-2下部分别设有通孔，每个通孔中安装有一个螺母，双向螺杆108穿过螺母，并与螺母螺接。

需要说明的是，底座100上还设置有螺杆支架108-1，螺杆支架108-1位于第一夹持臂107-1和第二夹持臂107-2之间，并且螺杆支架108-1上置有双向螺杆108，保证了双向螺杆108的稳固。

需要说明的是，夹持臂由刚体和硅橡胶贴装层两部分构成，在硅橡胶贴装层中埋置压力传感器109，V型定位夹持具有夹持牢靠，定位准确的优点，硅橡胶贴装层保证了夹持臂与夹持件的柔性接触，并且最大限度地消除了压力传感器109安装过程中的预应力问题。

需要说明的是，处理器110还与光电开关连接，光电开关包括原点开关111-1和限位开关111-2；原点开关111-1和限位开关111-2设置在导轨102上，且原点开关111-1靠近第一夹持臂107-1，以及限位开关111-2靠近螺杆支架108-1。

进一步，所谓原点就是夹持臂开度最大的位置，所谓限位，就是夹持臂的最小开度位置，由夹持装置的结构决定；一般来讲，编码器103和原点开关111-1、限位开关共同决定夹持臂的位置。

进一步，限位开关的作用是，当夹持臂运动超过一定限度时，限位开关动作，该信号传给CPU，产生中断，CPU接收中断信号后，使电机停止，该信号主要完成对系统的机械保护作用。限位开关理论上应该装2个，左限位(开度最大处)和右限位(开度最小处)，本发明中将左限位同原点开关合并，省去一个传感器。

进一步，编码器103通常采用的增量式编码器，系统上电时刻无法获取夹持臂的确切位置，因此从操作角度，需要将夹持臂进行回原点操作，即驱动电机令夹持臂张开，直至原点传感器动作，当原点传感器动作时，将脉冲计数器寄存器清零，此位置就是夹持臂的原点。系统到达原点位置的过程时初始化的过程。初始化后的系统接收的位置指令都是以原点作为基准的。

需要说明的是，处理器110还与电位器112连接，电位器112用于设置期望夹持力，即最合适的夹持力，刚好夹住夹持件，也不会损坏夹持件。

需要说明的是，处理器110与编码器103之间设有电平转换电路；处理器110与电机104之间设有驱动电路；处理器110与压力传感器109之间设有信号调理电路；处理器110与光电开关之间设有光耦隔离电路。

需要说明的是，本发明实施例提供的一种机器人夹持装置，是以处理器110核心，具体还包括定时器单元，PWM(英文为：Pulse Width Modulation，中文为：脉冲宽度调制)发生单元，编码器计数单元，串行总线接口，A/D(模拟/数字)转换单元，GPIO(通用输入输出)单元等。各单元具体功能如下：

定时器单元：定时器工作周期设定为1ms，在定时中断服务程序中，完成闭环控制算法。

PWM发生单元：主要完成脉宽调制信号的发生，PWM信号用以驱动电机104主回路的功率器件，进而改变加在电机104电枢的平均电压，从而驱动电机104运行。

编码器计数单元：通过对编码器103信号的读取，再根据机械传动比例关系，即可获得夹持臂之间的距离。

串行总线接口：通过串行总线接口，上位机可对夹持装置系统进行参数设置和指令下达。设置的参数包括：力位移转换参数，夹持力极限参数，夹持臂位置极限参数，期望夹持力参数设定等；下达的指令有夹持力控制指令，夹持臂定位控制指令，期望夹持力设定通道选择指令。

A/D转换单元：AD转换接口负责模拟信号采集，模拟信号包括模拟通道期望夹持力设定以及夹持力反馈。期望夹持力的模拟通道设定通过电位器112设定。夹持力传感器信号经过信号调理单元将夹持力信息传入处理器110。

GPIO单元：该单元主要完成夹持臂左右限位和系统机械零位读取。

图4为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置第一种控制方法示意图。

结合图1、图2、图3和图4，本发明实施例提供的一种机器人夹持装置的第一种控制方法属于指令切换型力位组合反馈柔顺控制模式，该控制模式适用于夹持装置响应速度较快，而压力传感器灵敏度不高的场合。包括：

通过上位机设定第一夹持臂或第二夹持臂与夹持件之间的安全距离，以及通过电位器设定所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的期望夹持力；

处理器通过编码器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前距离；

所述处理器通过压力传感器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前夹持力；

所述处理器将所述当前距离和所述当前夹持力发送给所述上位机；

当所述当前夹持力小于等于所述期望夹持力时，根据所述安全距离和所述当前距离，所述处理器通过位置闭环控制算法驱动电机转动，所述电机转动带动所述第一夹持臂和所述第二夹持臂做相向运动；

当所述当前夹持力大于所述期望夹持力时，根据所述期望夹持力和所述当前夹持力，所述处理器通过力反馈PID控制算法驱动所述电机转动，所述电机转动带动所述第一夹持臂和所述第二夹持臂做调适运动。

需要说明的是，PID控制算法，是指在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)。

需要说明的是，第一种控制方法的具体控制过程为：

(1)参数设定：位置指令设定在安全距离区，期望夹持力设定在合适范围内(依工件的具体情况而定)。

(2)趋近控制：该过程在位置控制区完成。夹持控制器根据上位机下达的夹持位置指令使夹持臂运行到被夹工件附近，此时夹持臂的宽度为工件半径与安全距离的和的2倍；此时系统控制器处于电机编码器位置闭环控制状态。这时系统仅将压力传感器的信号作为安全保护信号使用，当此过程中压力传感器信号超出预设安全范围，则停止夹持操作。

(3)夹持控制：该过程在力反馈控制区完成。此时闭环控制切换到力反馈控制器上，系统根据期望夹持力指令的设定，控制夹持臂与工件之间接触力的大小。此时比编码器的位置信息只用作判断夹持臂

(4)放置控制：放置控制操作时，需要将位置指令设置在位置控制区，然后将控制通道切换到位置闭环即可。

图5为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置第二种控制方法示意图。

结合图1、图2、图3和图5，本发明实施例提供的一种机器人夹持装置的第二种控制方法属于自主切换型力位组合反馈柔顺控制模式，该控制模式适用于夹持装置响应速度较慢，而压力传感器精度和灵敏度较高的场合。包括：

通过上位机设定第一夹持臂或第二夹持臂与所述夹持件之间的形变距离，以及通过电位器设定所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的期望夹持力；

处理器通过编码器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前距离；

所述处理器通过压力传感器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前夹持力；

当所述当前夹持力小于等于所述期望夹持力时，根据所述形变距离和所述当前距离，所述处理器通过位置闭环控制算法驱动电机转动，所述电机转动带动所述第一夹持臂和所述第二夹持臂做相向运动；

当所述当前夹持力于大于所述期望夹持力时，根据所述期望夹持力和所述当前夹持力，所述处理器通过力反馈PID控制算法驱动所述电机转动，所述电机转动带动所述第一夹持臂和所述第二夹持臂做调适运动。

需要说明的是，第二种控制方法的具体控制过程为：

(1)参数设定：首先位置指令设定在使工件产生形变的位置，期望夹持力设定在合适范围内(依工件的具体情况而定)。

(2)趋近控制：若压力传感器的值小于等于期望夹持力时，说明夹持臂与被夹持工件没有接触，此时闭环控制通道切换到位置闭环状态；此时夹持臂在电机的作用下迅速趋近被夹持工件。在此过程中控制器一直监测压力传感器的值。若压力传感器的压力值大于阈值时，即夹持臂与被夹持工件发生接触时，则进入夹持力反馈控制。

(3)夹持控制：当压力传感器的压力值大于期望夹持力时，即夹持臂与被夹持工件发生接触时，系统根据切换控制规则自动切换到力反馈控制状态。夹持臂与工件的夹持力自动调整到预设夹持力附近，完成了夹持操作。

(4)放置控制：放置控制操作时，需要将位置指令设置在位置控制区，然后将控制通道切换到位置闭环即可。

图6为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置第三种控制方法示意图。

结合图1、图2、图3和图6，本发明实施例提供的一种机器人夹持装置的第三种控制方法属于力反馈通道增益可调型力位混合柔顺控制模式，该模式适用于夹持装置响应速度较快，而压力传感器灵敏度和精度比较高的场合。包括：

处理器接收上位机设定的第一夹持臂或第二夹持臂与夹持件之间的安全距离；

所述处理器通过编码器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前距离；

所述处理器通过压力传感器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前夹持力，并且根据力位移转换函数将所述当前夹持力转换为力反馈等效位移；

所述处理器根据所述安全距离、所述当前距离和所述力反馈等效位移，通过位置闭环PID控制算法驱动电机转动，所述电机转动带动第一夹持臂和第二夹持臂做夹持运动。

需要说明的是，编码器位移和力反馈等效位移一起反馈到指定信号输入端，并与设定的位置作差。

需要说明的是，夹持装置控制系统跟踪误差＝设定位置-编码器位移-力反馈等效位移。

需要说明的是，夹持装置控制系统的工作过程可以作如下解释：压力传感器的信号经过力位置转换函数变为力反馈等效位移后，对位置设定进行修正，修正后的位置设定再对夹持臂进行位置调整，最终达到新的平衡状态。

需要说明的是，当压力信号较大时，相应的力反馈等效位移也较大，夹持臂之间的宽度会增加，从而实现了柔顺控制。

具体地，在第三种控制方法中，确定力反馈等效位移的具体过程为：

图7为本发明实施例提供的一种机器人夹持装置力位移转换函数图。

力位移转换函数通常与被夹持物的性状有关，为简单起见，将力位移转换函数设置为如图7的分段线性的形式，f为压力，由处理器通过压力传感器获得，d为力反馈等效位移输出，如图7可知力/位移转换函数关系分为3段。

当前夹持力属于欠压力夹持区时，力反馈等效位移为：

d＝k₁f (1)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，f为当前夹持力，且0≤f≤f₀，f₀为第一增益切换点。

在这个范围内的增益为k₁，增益较低；在此区域，由于夹持压力较小，相应的力反馈等效位移也较小，此时系统的反馈主要由编码器位移决定。

当前夹持力属于压力夹持区时，力反馈等效位移为：

d＝k₁f₀+k₂(f-f₀) (2)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，k₂为第二增益系数，f为当前夹持力，且f₀≤f≤f₁，f₀为第一增益切换点，f₁为第二增益切换点。

在这个范围内的增益为k₂，属于中等增益，正常夹持物体的工作夹持力(即标称夹持力)即分布在这一区域，此时编码器位移与力反馈等效位移在反馈中所占的权重相当，系统反馈由这两个因素共同决定。

当前夹持力属于过压力夹持区时，力反馈等效位移为：

d＝k₁f₀+k₂(f₁-f₀)+k₃(f-f₁) (3)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，k₂为第二增益系数，k₃为第三增益系数，f为当前夹持力，且f≥f₁，f₀为第一增益切换点，f₁为第二增益切换点。

在这个范围内的增益为k₃，为高增益，若以这个范围的力进行夹持操作，被夹工件会因夹持力过大而受到破坏，为此，我们将该增益设置为最高，此时系统反馈主要由力反馈等效位移决定。

举例具体说明，一种机器人夹持装置的第一种控制方法如下：

串行总线接口用于接收上位机指令，包括位置控制指令，Swtich信号等。位置控制指令用于位置设定，Switch信号即上位机指令切换指令，当Switch为0时，闭环控制采用位置控制算法；当Switch信号为1时，闭环控制采用压力控制算法。夹持系统利用串口中断，在接收上位机指令的同时触发信息回传，将夹持臂当前位置，夹持臂压力信号返回给上位机。夹持臂当前位置由光电编码器经差分-TTL电平转换电路，由计数器单元测得，存储在脉冲计数缓冲区中；夹持臂压力信号由压力传感器，经由信号调理电路并经过AD转换单元I测得，存储在夹持力信号缓冲区中。缓冲区中的数据不仅用于信号回传，还用于闭环控制中。

定时器单元用于产生夹持闭环控制电路的定时中断，即定时中断触发夹持控制进程。具体过程如下：

1、读取位置指令缓冲区的数据，作为位置控制指令输入，其中，位置缓冲区，通过总线接口单元接收的上位机的数据，并进行更新。

2、程序通过AD转换单元I获取压力传感器的夹持力模拟量信号，并存储在夹持力信号缓冲区中；AD转换单元II获取电位器电压信号，该信号作为期望夹持力设定。

3、通过编码器、差分-TTL转换电路、以及计数单元，获得夹持臂的实时位置，并存储在脉冲计数缓冲区。

4、程序进行安全检查，判断夹持臂的当前位置是否超过安全阈值，如果超过安全阈值，则进程终止，如果在安全范围内，则继续进程。

5、偏差计算：当Switch信号为0时，偏差＝位置指令-夹持臂当前位置；当Switch信号为1时，偏差＝期望夹持力设定-夹持压力传感器信息；偏差计算在定时器单元的中断服务程序中实现。

6、完成闭环控制算法：当Switch信号为0时，闭环控制算法采用位置闭环控制算法；当Switch信号为1时，闭环控制算法采用压力闭环控制算法。闭环控制算法单元的输入信号为偏差信号，其输出信号是H桥占空比信号，控制算法采用PID控制算法，通过在定时器单元中断服务程序中，调用PID控制子函数实现。

7、PWM单元，PWM单元根据闭环控制单元输出的占空比信号，生成PWM脉冲；

8、H桥在PWM脉冲的作用下，驱动电机，进而驱动夹持臂，完成夹持操作。

9、原点控制，原点开关一旦触发，则触发计数器寄存器清零指令。这意味着夹持臂运动到原点。是否是触动原点开关，夹持臂执行返回原点动作。

举例具体说明，一种机器人夹持装置的第三种控制方法如下：

定时器单元用于产生夹持控制电路的定时中断；定时中断触发夹持控制进程。具体过程如下：

1、读取位置指令缓冲区的数据，作为位置控制指令，其中，位置缓冲区，通过总线接口单元接收的手轮装置的数据，进行更新。

2、程序通过AD转换单元获取压力传感器的夹持力模拟量信号，并存储在夹持力信号缓冲区中。

3、利用力/位移等效函数曲线，获得等效力反馈等效位移信息，为处理方便，将力/位移等效函数曲线，用分段线性函数逼近，分段线性函数分为3个区域，欠压力夹持区，压力夹持区，过压力夹持区，分段点的位置及各段的斜率，可根据夹持物不同材质的而选定，基于压力分区处理的增益分段式力反馈等效位移法是实现夹持过程柔顺控制的重要保证。

4、通过编码器计数单元，获得夹持臂的实时位置。

5、程序进行安全检查，判断夹持臂的当前位置，以及夹持臂夹持力信号是否超过安全阈值，如果超过安全阈值，则进程终止，如果在安全范围内，则继续进程，夹持力的安全阈值通过电位器设定，通过AD转换单元II读取，位置阈值用限位开关的信号，限位开关信号用通用输入输出单元获得。

6、偏差计算：偏差＝位置指令-力反馈等效位移-夹持臂当前位置，偏差计算在定时器单元中断服务程序中实现。

7、位置闭环控制：位置闭环控制单元的输入信号为偏差信号，其输出信号是H桥占空比信号，控制算法采用PID控制算法，通过在定时器单元中断服务程序中，调用PID控制子函数实现。

8、PWM单元，PWM发生单元根据闭环控制输出的占空比信号，生成PWM脉冲；H桥在PWM脉冲的作用下，驱动电机，进而驱动夹持臂完成夹持操作。

9、原点控制，原点开关一旦触发，则触发计数器寄存器清零指令。这意味着夹持臂运动到原点。

综上所述，本发明实施例提供的一种机器人夹持装置及控制方法，该装置中处理器通过算法控制电机转动，电机转动带动齿轮转动，齿轮啮合转动带动穿在夹持臂上的双向螺杆运动，从而实现夹持臂的精确柔顺运动，即通过夹持装置和夹持装置的控制方法，从自动控制角度保证了机器人夹持装置的柔性夹持，并具有较好的可操作性，以及控制精度高。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种机器人夹持装置，其特征在于，包括：底板(100)、电机装置、第一齿轮(106-1)、第二齿轮(106-2)、第一夹持臂(107-1)、第二夹持臂(107-2)、双向螺杆(108)、压力传感器(109)和处理器(110)；

所述电机装置设置在所述底板(100)上，所述电机装置包括编码器(103)和电机(104)；

所述电机(104)的一端与所述编码器(103)连接，所述电机(104)的另一端与所述第一齿轮(106-1)连接；

所述第一夹持臂(107-1)和所述第二夹持臂(107-2)均设置在所述底板(100)上；

所述第一夹持臂(107-1)和所述第二夹持臂(107-2)相对设置，所述第一夹持臂(107-1)在朝向所述第二夹持臂(107-2)的侧面设置有压力传感器(109)；

所述双向螺杆(108)的一端依次穿过所述第一夹持臂(107-1)下部和所述第二夹持臂(107-2)下部，所述双向螺杆(108)的另一端设置有所述第二齿轮(106-2)；

所述第一齿轮(106-1)和所述第二齿轮(106-2)之间啮合传动；

所述处理器(110)分别与所述编码器(103)、所述电机(104)、所述压力传感器(109)连接；

所述底板(100)上设置有“U”型支架(101)和导轨(102)，所述“U”型支架(101)和所述导轨(102)并排设置在所述底板(100)上；

所述电机装置还包括减速器(105)，所述减速器(105)设置编码器(103)和所述第一齿轮(106-1)之间，且靠近所述第一齿轮(106-1)设置；

所述“U”型支架(101)包括设置在底板(100)上的横板和设置在横板两端的两竖板，所述“U”型支架(101)的一个竖板设置在所述编码器(103)和所述电机(104)之间，所述“U”型支架(101)的另一个竖板设置在所述电机(104)和所述减速器(105)之间；

所述第一夹持臂(107-1)和所述第二夹持臂(107-2)均设置在所述导轨(102)上；

所述第一夹持臂(107-1)上部和所述第二夹持臂(107-2)上部相对设置有“V”型曲面，所述第一夹持臂(107-1)的“V”型曲面上设置有所述压力传感器(109)；

所述第一夹持臂(107-1)和第二夹持臂(107-2)下部分别设有通孔，每个所述通孔中安装有一个螺母，所述双向螺杆(108)穿过所述螺母，并与所述螺母螺接；

所述处理器(110)还分别与光电开关和电位器(112)连接，所述光电开关包括原点开关(111-1)和限位开关(111-2)；所述原点开关(111-1)和所述限位开关(111-2)设置在所述导轨(102)上；

所述处理器(110)，用于接收上位机设定的第一夹持臂或第二夹持臂与夹持件之间的安全距离；用于通过编码器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前距离；用于通过压力传感器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前夹持力，并且根据力位移转换函数将所述当前夹持力转换为力反馈等效位移；以及用于根据所述安全距离、所述当前距离和所述力反馈等效位移，通过位置闭环PID控制算法驱动电机转动，所述电机转动带动第一夹持臂和第二夹持臂做夹持运动；

其中，当所述当前夹持力属于欠压力夹持区时，所述力反馈等效位移通过下式确定：

d＝k₁f (1)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，f为当前夹持力，且0≤f≤f₀，f₀为第一增益切换点；

当所述当前夹持力属于压力夹持区时，所述力反馈等效位移通过下式确定：

d＝k₁f₀+k₂(f-f₀) (2)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，k₂为第二增益系数，f为当前夹持力，且f₀≤f≤f₁，f₀为第一增益切换点，f₁为第二增益切换点；

当所述当前夹持力属于过压力夹持区时，所述力反馈等效位移通过下式确定：

d＝k₁f₀+k₂(f₁-f₀)+k₃(f-f₁) (3)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，k₂为第二增益系数，k₃为第三增益系数，f为当前夹持力，且f≥f₁，f₀为第一增益切换点，f₁为第二增益切换点。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器(110)与所述编码器(103)之间设有电平转换电路；所述处理器(110)与所述电机(104)之间设有驱动电路；所述处理器(110)与所述压力传感器(109)之间设有信号调理电路；所述处理器(110)与所述光电开关之间设有光耦隔离电路。

3.一种机器人夹持装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

处理器接收上位机设定的第一夹持臂或第二夹持臂与夹持件之间的安全距离；

所述处理器通过编码器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前距离；

所述处理器通过压力传感器获得所述第一夹持臂或所述第二夹持臂与所述夹持件之间的当前夹持力，并且根据力位移转换函数将所述当前夹持力转换为力反馈等效位移；

所述处理器根据所述安全距离、所述当前距离和所述力反馈等效位移，通过位置闭环PID控制算法驱动电机转动，所述电机转动带动第一夹持臂和第二夹持臂做夹持运动；

当所述当前夹持力属于欠压力夹持区时，所述力反馈等效位移通过下式确定：

d＝k₁f (1)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，f为当前夹持力，且0≤f≤f₀，f₀为第一增益切换点；

当所述当前夹持力属于压力夹持区时，所述力反馈等效位移通过下式确定：

d＝k₁f₀+k₂(f-f₀) (2)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，k₂为第二增益系数，f为当前夹持力，且f₀≤f≤f₁，f₀为第一增益切换点，f₁为第二增益切换点；

当所述当前夹持力属于过压力夹持区时，所述力反馈等效位移通过下式确定：

d＝k₁f₀+k₂(f₁-f₀)+k₃(f-f₁) (3)

式中，d为力反馈等效位移，k₁为第一增益系数，k₂为第二增益系数，k₃为第三增益系数，f为当前夹持力，且f≥f₁，f₀为第一增益切换点，f₁为第二增益切换点。