CN107336241A - 机械手的控制装置及其控制方法、机械手装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种机械手的控制装置，包括：第一传感器，设置于机械手的手腕处，用于在机械手抓取物体时，读取机械手施加在物体垂直方向的上升力；第二传感器，设置于机械手的至少一个手指上，在机械手抓取物体时，读取机械手施加在物体水平方向上的握力，直到该握力达到一预设握力值；以及控制器，根据第一传感器的上升力的增加量，控制第二传感器的握力自该预设握力值相应增加，直到上升力不再增加。本公开还提供了一种机械手的控制方法和机械手装置。本公开可以根据物体的重力施加不同的握力，有较强的针对性，能够避免在拿取轻的易碎的物体时造成破坏，或者在拿取重物时施力太小，不能抬动的情况。

Description

机械手的控制装置及其控制方法、机械手装置

技术领域

本公开涉及机械领域，具有涉及一种机械手的控制装置及其控制方法、机械手装置。

背景技术

目前，机械手一般用在工厂等制造现场，为了实现自动化和人力节省，期望由机械手进行以往由人进行的各种作业，从而实现生产工序或搬运工序等的无人化或少人化。此外，机械手还可以用于体验虚拟场景，通过手套，得到人手的动作，以实现随动或者抓取物体。因此，机械手不仅用于大质量物体的搬运，还可以用于获取小质量物体。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开的目的在于提供一种机械手的控制装置及其控制方法、机械手装置，能够自适应地抓取轻、重物体，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本公开的一方面，提供了一种机械手的控制装置，包括：第一传感器，设置于机械手的手腕处，用于在机械手抓取物体时，读取机械手施加在物体垂直方向的上升力；至少一个第二传感器，设置于机械手的至少一个手指上，用于在机械手抓取物体时，读取机械手施加在物体水平方向上的握力，直到该握力达到一预设握力值；以及控制器，用于根据第一传感器的上升力的增加量，控制第二传感器的握力自该预设握力值相应增加，直到上升力不再增加。

根据本公开的一些实施例，所述握力的增加量ΔN与上升力的增加量ΔF的关系为：ΔN＝ΔF×k，其中，k为正数。

根据本公开的一些实施例，所述控制器为STM32单片机，且其上加载有μCOS-III实时系统。

根据本公开的一些实施例，还包括：光电传感器，设置于所述机械手上，用于检测物体位置；两个功能开关，设置于所述机械手上，分别用于控制机械手的抓取和随动；控制手套，其上设置有至少一个手套传感器，用于获取人手的动作数据，以控制机械手各手指上对应的关节；以及显示单元，用于接收所述第一放大信号和第二放大信号，显示所述上升力和握力。

根据本公开的一些实施例，所述控制器包括：模数转换单元，用于将第一传感器输出的握力转换成第一数字信号；以及将手套传感器输出的控制信号转换成控制数字信号；滤波单元，用于将所述第一数字信号中的噪声滤除，得到第一滤波信号；以及将所述控制数字信号中的噪声滤除，得到控制滤波信号；放大单元，将所述第一滤波信号进行放大，得到第一放大信号；以及将所述控制滤波信号进行放大，得到控制放大信号；运算单元，用于根据所述上升力的增加量，将握力相应增加；以及脉宽调制单元，用于将第一放大信号、控制滤波信号和通过集成电路总线得到的第二传感器的第二电压信号进行脉宽调制，得到脉冲波，以控制机械手的动作。

本公开的另一方面，还提供了一种机械手的控制方法，包括：获取机械手抓取物体时，施加在物体垂直方向的上升力；将机械手抓取物体时，施加在物体水平方向上的握力设置为一预设握力值；以及根据上升力的增加量控制握力自该预设握力值相应增加，直至上升力不再增加。

根据本公开的一些实施例，所述握力的增加量ΔN与上升力的增加量ΔF的关系为：ΔN＝ΔF×k，其中，k为正数。

本公开的再一方面，还提供了一种机械手装置，包括前述的机械手的控制装置和机械手，其中，所述机械手包括：手指、手掌、手腕、转动电机和蜗轮蜗杆，其中，手指，设置于手掌一端，各手指的关节上有一个舵机，为手指的动作提供动力；手腕，设置于手掌另一端，其上有一个电机；转动电机，用于旋转以产生动力，为手腕的动作提供动力；蜗轮蜗杆，用于改变转动电机的动力方向，得到竖直方向的动力。

根据本公开的一些实施例，所述机械手还包括：支撑架，其两侧设置有滑道；固定架，固定于地面，设置于滑道的一侧；导向套，套接与所述固定架上；以及滑块，与所述导向套套接，沿所述滑道滑动，以将所述机械手竖直抬起。

根据本公开的一些实施例，所述转动电机为步进电机。

(三)有益效果

本公开的机械手的控制装置及其控制方法、机械手装置相较于现有技术，具有以下至少一项优点：

1、在机械手的手指和手腕处都增加了传感器，与控制器之间形成了高效的反馈，手指处第二传感器的读数应随着手腕处第一传感器度数的增加而增加，且二者之间的关系为线性关系，能够更精准地控制机械手的动作。

2、可以控制机械手可以根据物体的重力施加不同的握力，有较强的针对性，能够避免在拿取轻的易碎的物体时造成破坏，或者在拿取重物时施力太小，不能抬动的情况，能够自适应地抓取轻、重物体。

附图说明

图1为本公开实施例的机械手的控制装置的结构示意图。

图2为本公开一具体实施例的机械手的控制装置的结构示意图。

图3为本公开实施例的机械手的控制装置的控制器的结构示意图。

图4为本公开实施例的机械手的控制方法的步骤示意图。

图5为本公开实施例的一种机械手的示意图。

图6为本公开实施例的机械手的拆解图。

图7为本公开实施例的机械手装置的工作过程的流程图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-第一传感器；

200-第二传感器；

300-控制器；

400-光电传感器；

500-控制手套；

600-功能开关；

700-显示单元；

800-机械手；

801-手指； 802-手腕；

803-手掌； 804-转动电机；

805-蜗轮蜗杆； 806-导向套；

807-滑块； 808-支撑架；

809-固定架。

具体实施方式

现有技术中，抓取物体时，需要控制抓取的力度。轻的易碎的物体需要微小的力度，而重并且结实的物体则需要比较大的力度来抓取。但是，现有技术中的机械手不能根据物体的质量来获取物体，这样会带来机械手施力过大导致物体的损坏、或者施力过小导致不能抬起物体的后果，因此机械手在实际生活中的应用存在巨大的挑战。

针对现有技术的这些问题，本公开提供了一种机械手的控制装置，先将机械手手指施加在物体水平方向的握力设置在一个较小的数值，同时对施加在物体与重力相反方向的上升力进行实时测量，再通过机械手施加在物体竖直方向的上升力的变化，实时改变握力，直到上升力不再变化，以提供足够大的摩擦力来防止物体的滑落。以此，为了保证抓住物体，我们需要分别在各手指以及手腕处设置力度传感器，实现对不同的物体施加不同的压力，以保证握住的物体不会滑落。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开实施例的一方面，提供了一种机械手的控制装置，图1为本公开实施例的机械手的控制装置的结构示意图，如图1所示，该控制装置包括：

第一传感器100、至少一个第二传感器200和控制器300，其中，

第一传感器100，设置于机械手的手腕处，用于在机械手抓取物体时，读取机械手施加在物体垂直方向的上升力。需要注意的是，第一传感器100具有一个初始读数，即机械手的自身重力大小，因此该上升力自该初始读数增加。

至少一个第二传感器200，设置于机械手的至少一个手指上，用于在机械手抓取物体时，读取机械手施加在物体水平方向上的握力，直到该握力达到一预设握力值；此处设置一个较小的预设握力值，是为了放置机械手施加在物体上的握力过大，损坏物体，同时也为了方便之后的握力调整。

控制器300，用于根据第一传感器100在抓取物体时的上升力的增加量，控制第二传感器200的握力自该预设握力值相应增加，直到上升力不再增加，即机械手已将物体抬起，此时上升力的大小为物体的重力大小。

更进一步地，所述握力的增加量ΔN与上升力的增加量ΔF呈线性关系，且具体公式为：

ΔN＝ΔF×k，其中，k为正数。这样调节机械手施加的握力，能够提供足够大的摩擦力来防止物体的滑落。

其中，第一传感器100与第二传感器200可以采用一般的压力传感器，二者输出的第一电压与第二电压经过控制器300处理后，得到对应的上升力与握力。

图2为本公开一具体实施例的机械手的控制装置的结构示意图，如图2所示，该机械手的控制装置还包括光电传感器400、功能开关600、控制手套500和显示单元700。

光电传感器400，其设置于所述机械手上，将物体对光信号(红外线、紫外线或者可见光)进行光电转换，得到电信号，从而检测物体位置，判断物体是否在机械手触及的范围，方便机械手对物体进行相应的操作：若物体在触及范围之外，则需要更靠近物体，直至物体在机械手的触及范围之内。

两个功能开关600，设置于所述机械手上，分别用于控制机械手的抓取和随动；需要注意的是，在其他事实例中，该功能开关600可以根据实际用户的需要该机械手具备的功能，设置更多或者更少，即功能开关600的个数不局限于两个。

控制手套500，其上设置有至少一个手套传感器，用于获取人手的动作数据，以控制机械手各手指上对应的关节，从而在虚拟体验时实现机械手跟同人手随动，还可以控制机械手跟同人手获取物体。

显示单元700，包括但不限于LED(发光二极管)数码管或者LCD液晶显示屏，用于接收所述第一放大信号和第二放大信号，直观地显示所述上升力和握力。

接下来，再对控制器进行详细说明，根据本公开的一种实施例，该控制器为意法半导体的STM32单片机(在其他实施例中也可以为其他型号的单片机或者微处理器)，且其上加载有μCOS-III实时系统，以确保机械手能够实时监测各传感器的示数。图3为本公开实施例的机械手的控制装置的控制器的结构示意图，如图3所示，该控制器包括模数转换单元301、滤波单元302、放大单元303、运算单元304和脉宽调制单元305。

因为单片机一般只能对数字信号进行处理，因此需要设置一个模数转换单元301。模数转换单元301接收第一传感器输出的模拟信号形式的握力信号，并对其进行模数转换，得到第一数字信号；以及将手套传感器输出的模拟信号形式的控制信号转换成控制数字信号。

为了得到信号中的特定波段或者频段，需要滤除其他频段或者波段的信号以防止干扰，因此采用了滤波单元302。滤波单元302用将模数转换单元301输出的第一数字电压，并将其中的噪声滤除，得到第一滤波信号；以及将所述控制数字信号中的噪声滤除，得到控制滤波信号。

滤波过程中电压信号大大减弱，因此设置一个放大单元303，用于将滤波单元302输出的第一滤波信号进行放大，得到第一放大信号；以及将所述控制滤波信号进行放大，得到控制放大信号。

运算单元304，用于根据上升力的增加量，将握力相应增加，且握力的增加量ΔN与上升力的增加量ΔF呈线性关系，且具体公式为：ΔN＝ΔF×k，其中，k为正数。

为了调节电压，对模拟电路进行有效的控制，因此选择灵活、简单且响应性好的脉宽调制(PWM)单元。该脉宽调制单元305将第一放大信号、控制滤波信号和通过集成电路总线(IIC)得到的第二传感器的第二电压信号进行脉宽调制，得到脉冲波，以控制机械手中的电机和舵机，从而控制机械手的手指和手腕的动作，与此同时还能实现机械手跟同人手的随动。

更进一步地，还可以将控制手套上的手套传感器的控制信号输出至控制器处理，经过模数转换得到控制信号，再通过PWM单元调制得到控制脉冲波，从而控制机械手的手指关节，能够实现机械手跟同人手的随动。

本公开实施例的另一方面，还提供了一种机械手的控制方法，图4为本公开实施例的机械手的控制方法的步骤示意图，如图4所示，该控制方法包括步骤：

步骤A，获取机械手抓取物体时，施加在物体垂直方向的上升力。需要注意的是，第一传感器100具有一个初始读数，即机械手的自身重力大小，因此该上升力自该初始读数增加。

步骤B，将机械手抓取物体时，施加在物体水平方向上的握力设置为一预设握力值；此处设置一个较小的预设握力值，是为了放置机械手施加在物体上的力过大，损坏物体，同时也为了方便之后的握力调整。

步骤C，根据上升力的增加量控制握力自该预设握力值相应增加，直至上升力不再增加，即机械手已将物体抬起，此时上升力的大小为物体的重力大小。且握力的增加量ΔN与上升力的增加量ΔF呈线性关系，且具体公式为：ΔN＝ΔF×k，其中，k为正数。这样调节机械手施加的握力，能够提供足够大的摩擦力来防止物体的滑落。

本公开实施例的再一方面，还提供了一种机械手装置，包括前述的机械手的控制装置以及机械手，图5为本公开实施例的一种机械手的示意图，图6为本公开实施例的机械手的拆解图，如图5和图6所示，该机械手包括：手指801、手掌803、手腕802、转动电机804和蜗轮蜗杆805。

4个手指801，设置于手掌803一端，各手指801的关节上有一个舵机，为手指的动作提供动力。且每个手指801上还有一个第二传感器，且先将该第二传感器测得的握力维持在一较小的预设握力值。

手腕802，设置于手掌803另一端，一般手腕802处施加的力比手指801处的大的多，因此在手腕802上有一个电机和一第一传感器，该第一传感器本身具有一个初始读数，即机械手整体的自身重力大小，上升力的增加量可以通过控制器实时读取，控制器控制第二传感器的握力随着上升力的增加量相应地增加。

转动电机804，用于旋转以产生动力，为手腕的上升和下降动作提供动力。蜗轮蜗杆805，用于改变转动电机804的动力方向，将动力的输出方向由旋转转变为伸缩，得到竖直方向的动力。

为了节省空间，以及方便机械手指801的动作，该机械手还包括：支撑架808，其两侧设置有滑道；固定架809，固定于地面，设置于滑道的一侧；导向套806，套接与所述固定架809上；滑块807，与所述导向套806套接，沿所述滑道滑动，以将所述机械手竖直抬起。

此外，为了能更加精准的配合各传感器，实现抓取动作，本公开中的转动电机804优选为步进电机，在其他实施例中，也可以选择伺服电机。

图7为本公开实施例的机械手装置的工作过程的流程图，如图7所示，该工作过程的具体流程为：

步骤S701，先判断机械手是否抓取物体；若机械手已经抓取了物体，则进行步骤S702，机械手在抓取物体时施加一水平方向的握力。为了不让物体因为握力过大而损坏，根据物体的实际重力，预估一较小的预设握力值作为握力的初始值。因此，再进行步骤S703，判断握力是否到达预设握力值，若未达到，则返回步骤S702，机械手继续在物体水平方向上施加握力，直到握力达到该预设握力值。在此之后，再调节涡轮蜗杆和转动电机，使得机械手在物体的垂直方向上施加一个与重力方向相反的上升力，需要注意的是，设置在手腕处的第一传感器具有一个初始读数，即机械手的自身重力大小，因此该上升力自该初始读数增加。随着转动电机和蜗轮蜗杆继续抬起机械手，进行步骤S704，判断上升力是否增加。若上升力还在增加，则控制器根据上升力的增加量调节握力，且所述握力的增加量ΔN与上升力的增加量ΔF呈线性关系，具体调节公式为：ΔN＝ΔF×k，其中，k为正数。此时，继续增加上升力，直至上升力不再增加，此时上升力大小达到了物体的重力大小，说明物体即将离开地面，继续保持该握力和上升力。同时，进行步骤S706，机械手在电极和蜗轮蜗杆的带动下，继续上升，抬起物体。这样调节机械手施加的握力，能够提供足够大的摩擦力来防止物体的滑落。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械手的控制装置，包括：

第一传感器，设置于机械手的手腕处，用于在机械手抓取物体时，读取机械手施加在物体垂直方向的上升力；

至少一个第二传感器，设置于机械手的至少一个手指上，用于在机械手抓取物体时，读取机械手施加在物体水平方向上的握力，直到该握力达到一预设握力值；以及

控制器，用于根据第一传感器的上升力的增加量，控制第二传感器的握力自该预设握力值相应增加，直到上升力不再增加。

2.根据权利要求1所述的机械手的控制装置，其中，所述握力的增加量ΔN与上升力的增加量ΔF的关系为：ΔN＝ΔF×k，其中，k为正数。

3.根据权利要求1所述的机械手的控制装置，其中，所述控制器为STM32单片机，且其上加载有μCOS-III实时系统。

4.根据权利要求1至3中任一所述的机械手的控制装置，还包括：

光电传感器，设置于所述机械手上，用于检测物体位置；

两个功能开关，设置于所述机械手上，分别用于控制机械手的抓取和随动；

控制手套，其上设置有至少一个手套传感器，用于获取人手的动作数据，以控制机械手各手指上对应的关节；以及

显示单元，用于接收所述第一放大信号和第二放大信号，显示所述上升力和握力。

5.根据权利要求4所述的机械手的控制装置，其中，所述控制器包括：

模数转换单元，用于将第一传感器输出的握力转换成第一数字信号；以及将手套传感器输出的控制信号转换成控制数字信号；

滤波单元，用于将所述第一数字信号中的噪声滤除，得到第一滤波信号；以及将所述控制数字信号中的噪声滤除，得到控制滤波信号；

放大单元，将所述第一滤波信号进行放大，得到第一放大信号；以及将所述控制滤波信号进行放大，得到控制放大信号；

运算单元，用于根据所述上升力的增加量，将握力相应增加；以及

脉宽调制单元，用于将第一放大信号、控制滤波信号和通过集成电路总线得到的第二传感器的第二电压信号进行脉宽调制，得到脉冲波，以控制机械手的动作。

6.一种机械手的控制方法，包括：

获取机械手抓取物体时，施加在物体垂直方向的上升力；

将机械手抓取物体时，施加在物体水平方向上的握力设置为一预设握力值；以及

根据上升力的增加量控制握力自该预设握力值相应增加，直至上升力不再增加。

7.根据权利要求6所述的机械手的控制方法，其中，所述握力的增加量ΔN与上升力的增加量ΔF的关系为：ΔN＝ΔF×k，其中，k为正数。

8.一种机械手装置，包括机械手和如权利要求1至5中任一项所述的机械手的控制装置，其中，所述机械手包括：手指、手掌、手腕、转动电机和蜗轮蜗杆，其中，

手指，设置于手掌一端，各手指的关节上有一个舵机，为手指的动作提供动力；

手腕，设置于手掌另一端，其上有一个电机；

转动电机，用于旋转以产生动力，为手腕的动作提供动力；

蜗轮蜗杆，用于改变转动电机的动力方向，得到竖直方向的动力。

9.根据权利要求8所述的机械手装置，其中，所述机械手还包括：

支撑架，其两侧设置有滑道；

固定架，固定于地面，设置于滑道的一侧；

导向套，套接与所述固定架上；以及

滑块，与所述导向套套接，沿所述滑道滑动，以将所述机械手竖直抬起。

10.根据权利要求8或9所述的机械手装置，其中，所述转动电机为步进电机。