CN108000477A - 一种全位姿主被动柔顺机器人及利用该机器人的旋拧阀门方法 - Google Patents
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Abstract
一种全位姿主被动柔顺机器人及利用该机器人的旋拧阀门方法，涉及机器人及利用该机器人的旋拧阀门方法。旨在解决工业机器人无法进行大范围运动，作业范围窄；末端执行器和阀门手轮间产生刚性碰撞和径向接触力；由于不同阀门的旋拧阻力矩不同，可能造成作业装置的损伤；阀门手轮在转动的同时会产生轴向位移，带来末端轴向接触力等问题。包括轮式移动平台、四自由度机械臂和柔顺末端执行器，四自由度机械臂安装在轮式移动平台上，两者之间安装有六维力传感器，柔顺末端执行器安装在四自由度机械臂末端，两者之间安装有六维力传感器，通过两个传感器的信息，可分别对轮式移动平台和四自由度机械臂进行阻抗控制。适于机器人远程操作、机器人柔顺控制和旋拧阀门作业。
Description
技术领域
本发明涉及机器人及利用该机器人的旋拧阀门方法，具体涉及一种基于被动柔顺机构和阻抗控制的轮式移动机器人及全位姿柔顺旋拧阀门方法。
背景技术
随着科技的发展进步，工业化生产已变得越来越普遍。阀门作为工业生产现场必不可少的部分，其作业越来越受到社会的广泛关注。在某些极端作业环境(核电救灾、高温高压、强辐射等)下，操作人员不宜直接进入作业现场，利用机器人执行旋拧阀门作业可以减小对操作者的人身伤害，从而越来越受到人们的关注。
操作人员操作机器人执行旋拧阀门的作业，涉及到很多技术问题，如无法精确定位导致的大接触力问题，机器人的大范围移动问题，由阀门阻力矩不同带来的安全性问题等。这些问题如不解决，可能造成在作业过程中，机器人无法运动到指定位置、作业过程中出现大接触力、阀门阻力矩过大而造成机器人损伤等。所以，设计一种可以大范围移动且能够柔顺旋拧阀门的新策略显得尤为重要。
因此说，现有的工业机器人存在无法进行大范围运动，作业范围窄；末端执行器和阀门手轮间产生刚性碰撞和径向接触力；由于不同阀门的旋拧阻力矩不同，可能造成作业装置的损伤；阀门手轮在转动的同时会产生轴向位移，带来末端轴向接触力的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决远程操作机器人作业无法实现精确定位造成的接触力过大问题，机器人无法灵活进行大范围运动问题，旋拧阀门过程中由于阀门阻力矩过大带来的机器人损伤问题。进而提出了一种全位姿主被动柔顺机器人旋拧阀门方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种全位姿主被动柔顺机器人，所述全位姿主被动柔顺机器人包括轮式移动平台、四自由度机械臂和被动柔顺末端执行器；四自由度机械臂通过轮式移动平台的六维力传感器安装在轮式移动平台上；四自由度机械臂和被动柔顺末端执行器的六维力传感器连接；所述轮式移动平台包括从动轮、配重体、移动车体、移动平台六维力安装法兰、移动平台六维力传感器、左驱动轮和右驱动轮；从动轮为万向轮，固定在移动车体上，可跟随驱动轮的运动调整运动方向和速度；配重体固定在移动车体后部，起着调节作业平台平衡的作用；左驱动轮和右驱动轮位于移动车体前部，作为主动轮的左驱动轮和右驱动轮通过相应的控制策略可使其具有前进、后退和差速转向的功能；移动平台六维力传感器下端通过移动平台六维力安装法兰固定于移动车体前部，移动平台六维力传感器上端用于与四自由度机械臂连接；所述四自由度机械臂包括机械臂六维力安装法兰、肩旋臂、肘旋臂、肘旋臂、腕旋臂和末端连接法兰；机械臂六维力安装法兰连接移动平台六维力传感器，并通过连杆与肩旋臂连接，肩旋臂、肘旋臂、肘旋臂和腕旋臂均依次串联安装，每根旋臂均可以围绕自身回转轴转动，末端连接法兰固连腕旋臂的末端；所述被动柔顺末端执行器包括执行器六维力安装法兰、执行器六维力传感器、固定端、被动柔顺端、工具端和多个末端作业手指；执行器六维力安装法兰一端与末端连接法兰连接，另一端与执行器六维力传感器连接；执行器六维力传感器再通过连接装置与固定端连接；该被动柔顺末端执行器的被动柔顺性是通过虎克铰机构实现的，使用虎克铰机构的输入轴与输出轴分别连接固定端和被动柔顺端；工具端通过可拆卸方式连接在被动柔顺端上，多个末端作业手指沿周向设置在工具端上，每个末端作业手指可在工具端对应的滑槽中滑动，以适应对不同直径阀门的旋拧作业。
一种利用上述机器人的全位姿主被动柔顺机器人旋拧阀门方法，旋拧阀门作业过程为：当操作员确定作业目标阀门的位置后，将驱动轮式移动平台运动到阀门前方，之后驱动四自由度机械臂进行旋拧阀门的作业位姿调整；使被动柔顺末端执行器的末端作业手指和作业目标阀门的手轮间被动柔顺接触，利用被动柔顺末端执行器实现阀门旋拧的柔顺作业。
进一步地，在所述旋拧阀门作业过程中，
以四自由度机械臂的基座原点为坐标原点建立坐标系XOYOZO，作业目标阀门转轴与XO轴共面，ZO为法向方向；
在末端作业手指进入阀门手轮的过程中，当径向偏差过大，由于被动柔顺的有限性，仍将出现径向接触力时，此时移动平台六维力传感器将检测到力和力矩消除即可消除径向接触力；
选取的阻抗控制模型为：其中：M,B,K分别为等效惯性、阻尼和刚度系数，△X为实际位置与期望位置差，Fd,Fe分别为期望力和实际接触力；
结合移动平台六维力传感器1-5的反馈信息，上述阻抗控制模型改写为：
通过给定阻抗参数和期望力/力矩，由移动平台六维力传感器反馈量求得移动平台的期望移动速度vx和期望转动角速度ωz；Mx、Mz表示等效惯性/惯性矩系数，Bx、Bz表示阻尼系数，Kx、Kz表示刚度系数，ax表示加速度，αz表示角加速度；xx表示位移，θz表示转动角；Fd表示期望力，Td表示期望力矩，
参数的下角标x用于表示x轴方向，参数的下角标z用于表示z轴方向；
根据期望移动速度vx和期望转动角速度ωz确定移动平台的左驱动轮角速度ωl和右驱动轮角速度ωr：
移动平台运动速度和车轮转速间满足：可得出，左驱动轮角速度为右驱动轮角速度为
B为驱动轮间距，r为车轮半径，ωl和ωr分别为左驱动轮和右驱动轮的角速度，通过上述过程即可消除末端作业手指和阀门手轮间产生的径向接触力。
进一步地，在四自由度机械臂旋拧阀门的过程中对各关节电流进行监测，如果某关节的电流Ii>Ii(max)，自动停止旋拧作业，Ii(max){i＝1,2,3,4}为机械臂各关节的额定电流。
四自由度机械臂执行旋拧阀门作业的动力由腕旋臂提供，由于不同阀门的旋拧阻力矩不同，而机械臂的关节力矩是有限的，如不考虑该问题，可能造成机械臂关节的损坏。
进一步地，所述旋拧阀门作业过程，当机械臂旋拧阀门时，作业目标阀门的阀门手轮在转动同时将产生轴向位移，通过对机械臂进行阻抗控制实现末端执行器对阀门手轮位置的跟随：
以四自由度机械臂的第四关节(末端关节)的末端连接法兰端面原点为坐标原点建立坐标系XTYTZT，ZT为法向方向；
当末端作业手指和阀门手轮间出现轴向接触力时，执行器六维力传感器将检测到力
选取阻抗控制模型为：其中：M,B,K分别为等效惯性、阻尼和刚度系数，△XZ为实际位置与期望位置差，分别为期望力和实际接触力；
通过给定阻抗参数和期望力，由执行器六维力传感器反馈量求得四自由度机械臂末端的Z向期望位移△xZ；由于阀门轴线位于竖直方向上，旋拧作业中的机械臂末端姿态不变，且末端在坐标系XOYOZO中满足Y向位置坐标py＝0；
结合四自由度机械臂末端的初始位置信息和阻抗反馈信息，获得四自由度机械臂末端各时刻在在坐标系XOYOZO中X和Z向的位置，记为：px和pz；则由机械臂逆运动学模型可得机械臂各关节角为：
θ1、θ2、θ3分别表示四自由度机械臂的第一关节角、第二关节角、第三关节角；
d1、d2、d3分别表示四自由度机械臂的第一关节长度、第二关节长度、第三关节长度；
通过上述过程实现机械臂末端对阀门手轮轴向位置的跟随，消除轴向接触力，解决了阀门手轮在转动的同时会产生轴向位移，带来末端轴向接触力的问题。
一种全位姿主被动柔顺机器人，整个作业装置包含三个部分，分别是移动平台、四自由度机械臂和柔顺末端执行器。其中，移动平台和机械臂间安装有六维力传感器。机械臂和柔顺末端执行器间安装有六维力传感器。由于机器人旋拧阀门为远程作业形式，不可避免将出现对阀门手轮位置判定不准等问题，由此将造成作业装置与阀门手轮刚性碰撞、旋拧过程出现附加接触力，同时，由于阀门手轮的转动为螺旋运动，会出现轴向位移。本发明采用的末端执行器为被动柔顺装置，具有反应灵敏、无时延等优点，可避免末端执行器与阀门手轮刚性接触，并减小一部分由于定位偏差带来的附加接触力；当阀门手轮实际位置与预测位置偏差较大时，将产生较大附加接触力，该附加接触力可结合力传感器的反馈信号，通过阻抗控制算法使移动平台运动加以解决；针对旋拧阀门使手轮的轴向位移问题，可结合机械臂末端传感器反馈信息通过阻抗控制解决；本发明同时考虑了不同阀门的旋拧阻力矩可能不同，结合控制方法对旋拧的最大力矩进行了限制，避免给作业装置造成损伤。本发明说明的仅是主被动柔顺旋拧阀门的一种构型，其他符合该形式的机器人旋拧阀门构型也在本专利的保护范围内。
本发明的工业机器人能进行大范围运动，作业范围宽；避免了末端执行器和阀门手轮间产生刚性碰撞和径向接触力；本发明适用于不同的阀门的旋拧阻力矩，必避免造成作业装置的损伤；本发明还解决了阀门手轮在转动的同时会产生轴向位移，带来末端轴向接触力的问题。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1.本发明依靠轮式移动车进行运动，具有大范围移动的能力，即针对不同位置阀门均可以实现旋拧作业；同时依靠四自由度机械臂执行旋拧阀门任务，可以旋拧不同高度的阀门，增强了作业的自适应性。
2.在极端环境下，操作员只能以远程作业的形式执行旋拧阀门作业任务，由此将出现阀门定位不准确，造成作业过程中出现刚性接触和附加接触力等问题。本发明采用的末端执行器为被动柔顺装置，当出现与阀门手轮刚性接触时，末端执行器具有被动自适应性，可以通过自身结构的调整避免刚性碰撞，从而减小碰撞力；同时，被动柔顺末端执行器也可以一定程度上减小由于阀门定位偏差带来的旋拧附加接触力。
3.当阀门手轮位置与末端执行器出现较大位置偏差时，仅依靠末端执行器的被动柔顺性已无法消除旋拧附加接触力。本发明利用移动平台和机械臂间的六维力传感器反馈信息，通过阻抗控制使移动平台运动以消除该位置偏差，可以极大提高机器臂旋拧阀门作业的承载能力。
4.旋拧阀门作业有其特殊性，当其转动时将会产生轴向位移，如不加以考虑将产生过大轴向接触力，造成对阀门或作业装置的损伤。本发明结合机械臂末端六维力传感器反馈信息通过阻抗控制使机械臂进行位置跟随以消除该轴向力。
5.由于不同阀门的旋拧阻力矩不同，本发明结合控制方法对旋拧的最大力矩进行了预判和限制，避免给作业装置造成损伤。
本发明适于在某些极端环境(核电救灾、高温高压、强辐射等)下，利用机器人进入作业现场进行旋拧阀门作业。
附图说明
图1是轮式移动机器人作业平台示意图，图2是移动平台结构示意图，图3是四自由度机械臂示意图，图4是被动柔顺末端执行器示意图，图5是作业目标阀门示意图，图6是作业装置旋拧阀门姿势示意图。
具体实施方式：
具体实施方式一：本实施方式给出一种全位姿主被动柔顺机器人，合图1、图2、图3和图4进行说明，本实施方式所述的全位姿主被动柔顺机器人包括轮式移动平台1、四自由度机械臂2和被动柔顺末端执行器3。轮式移动平台1和四自由度机械臂2通过螺钉连接，并在其间安装有六维力传感器1-5；四自由度机械臂2和被动柔顺末端执行器3通过螺钉连接，并在其间安装有六维力传感器3-2。
如图1和图2，轮式移动平台1包括从动轮1-1、配重体1-2、移动车体1-3、六维力安装法兰1-4、六维力传感器1-5、左驱动轮1-6和右驱动轮1-7。从动轮1-1为万向轮，通过螺钉固定在移动车体1-3上，可以跟随驱动轮的运动调整运动方向和速度。配重体1-2通过螺钉固定在移动车体1-3后部，起着调节作业平台平衡的作用。左驱动轮1-6和右驱动轮1-7位于移动车体1-3前部，它们作为主动轮，通过相应的控制策略，可以使其具有前进、后退和差速转向的功能。六维力传感器1-5下端通过六维力安装法兰1-4以螺钉连接形式固定于移动车体1-3前部，传感器1-5上端与四自由度机械臂2连接。
如图1和图3，四自由度机械臂2包括六维力安装法兰2-1、肩旋臂2-2、肘旋臂2-3、肘旋臂2-4、腕旋臂2-5和末端连接法兰2-6。六维力安装法兰2-1通过螺钉连接六维力传感器1-5，并通过连杆与肩旋臂2-2连接，肩旋臂2-2、肘旋臂2-3、肘旋臂2-4和腕旋臂2-5均依次串联安装，每根旋臂均可以围绕自身回转轴转动，末端连接法兰2-6通过螺钉固连于机械臂末端。
如图1和图4，被动柔顺末端执行器3包括六维力安装法兰3-1、六维力传感器3-2、固定端3-3、被动柔顺端3-4、工具端3-5和末端作业手指3-6。六维力安装法兰3-1一端通过螺钉与末端连接法兰2-6连接，另一端与六维力传感器3-2连接，六维力传感器3-2再通过连接装置与固定端3-3连接。该被动柔顺末端执行器的被动柔顺性是通过虎克铰机构实现的，即使用虎克铰机构的输入轴与输出轴分别连接固定端3-3和被动柔顺端3-4，从而实现被动柔顺作业功能。工具端3-5通过可拆卸方式连接在被动柔顺端3-4上，便于对作业工具的更换，末端作业手指3-6可在工具端3-5滑槽中滑动，以适应对不同直径阀门的旋拧作业。
本旋拧操作的对象是五轮辐式阀门，如图5所示，末端手指设计成夹角分别为144°,72°,144°的三根。针对不同形式的阀门手轮，末端手指的根数和夹角可以自行设计，均属于本发明的保护范围。
具体实施方式二：结合图1、图4、图5和图6给出利用上述机器人的旋拧阀门方法，
当操作员确定作业目标阀门4的位置后，将驱动轮式移动平台1运动到阀门前方，之后驱动四自由度机械臂2进行旋拧阀门的作业位姿调整。但由于对阀门位置判断可能出现误差，有可能造成末端作业手指3-6和作业目标阀门4的手轮间的刚性碰撞，产生过大碰撞力。本发明使用被动柔顺末端执行器3来解决该问题，当出现刚性碰撞时，被动柔顺末端执行器将调整自身结构以避免刚性碰撞。
具体实施方式三：结合图1、图2和图5说明本实施方式。在末端作业手指3-6进入阀门手轮的过程中，若对阀门位置的判断出现较大偏差，将会在末端作业手指3-6和阀门手轮间产生径向接触力，并且随着手指的不断进入，接触力越来越大。本发明结合六维力传感器1-5通过阻抗控制算法驱动轮式移动作业平台1运动以解决该问题。结合图2可知，当出现径向接触力时，六维力传感器1-5将检测到力和力矩由于是由Y向接触力引起的，因此，仅需消除即可消除径向接触力。选取的阻抗控制模型为：其中：M,B,K分别为等效惯性、阻尼和刚度系数，△X为实际位置与期望位置差，Fd,Fe分别为期望力和实际接触力。结合实际受力情况可知，阻抗控制模型为：通过给定阻抗参数和期望力/力矩，即可由六维力传感器反馈量求得移动平台的移动速度vx和转动角速度ωz。由图2可知，驱动轮间距为B，车轮半径为r，设左驱动轮1-6和右驱动轮1-7的角速度分别为ωl和ωr，则车体运动速度和车轮转速间满足：因此，左驱动轮1-6角速度为右驱动轮1-7角速度为通过该方法即可消除末端作业手指3-6和阀门手轮间产生的径向接触力。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图3、图4和图6说明本实施方式。四自由度机械臂2执行旋拧阀门作业的动力由腕旋臂2-5提供，由于不同阀门的旋拧阻力矩不同，而机械臂的关节力矩是有限的，如不考虑该问题，可能造成机械臂关节的损坏。假定机械臂各关节的额定电流为Ii(max){i＝1,2,3,4}，本发明在机械臂旋拧阀门的过程中加入了对各关节电流的监测，一旦某关节的电流Ii>Ii(max)，则系统将自动停止旋拧作业，避免造成作业平台的损伤。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：结合图3、图4和图6说明本实施方式。
当机械臂旋拧阀门时，阀门手轮在转动同时将产生轴向位移。本发明通过对机械臂进行阻抗控制实现末端执行器对阀门手轮位置的跟随。如图4所示，当末端作业手指3-6和阀门手轮间出现轴向接触力时，六维力传感器3-2将检测到力选取阻抗控制模型为：其中：M,B,K分别为等效惯性、阻尼和刚度系数，△XZ为实际位置与期望位置差，分别为期望力和实际接触力。通过给定阻抗参数和期望力，即可由六维力传感器反馈量求得机械臂末端的Z向瞬时位移△xZ。由于阀门轴线位于竖直方向上，因此，旋拧作业中的机械臂末端姿态不变，且末端在坐标系XOYOZO中Y向位置坐标为py＝0。结合机械臂末端的初始位置信息和阻抗反馈信息，即可获得机械臂末端各时刻在在坐标系XOYOZO中X和Z向的位置，记为：px和pz。则由机械臂逆运动学模型可知，机械臂各关节角为：
。通过该方法即可实现机械臂末端对阀门手轮轴向位置的跟随，消除轴向接触力。其它步骤与具体实施方式二、三或四相同。
工作原理：
本发明由轮式移动平台1、四自由度机械臂2和被动柔顺末端执行器3组成。在极端环境下，当出现旋拧阀门作业任务时，操作员可以远程操作移动平台到达指定阀门的前方，并确定阀门手轮的位置坐标。之后，操作员操作机械臂执行旋拧阀门的作业任务，由于阀门手轮无法准确定位，因此，在末端执行器进入阀门手轮的过程中，可能产生刚性碰撞。本发明通过使用一种基于虎克铰机构的被动柔顺末端执行器避免了刚性碰撞的产生，同时该装置还可以减小一定程度的径向接触力。当末端执行器与阀门手轮的径向接触力过大时，末端执行器无法满足需求，此时，本发明结合六维力传感器1-5信息对移动作业平台进行阻抗控制，以实现对径向接触力的释放。同时，由于不同阀门的旋拧阻力矩不同，本发明对机械臂各关节的电流输出进行了检测，一旦出现电流超过额定值即停止作业，起到了实时保护作业装置的作用。阀门手轮运动为螺旋运动，阀门手轮在转动同时将产生轴向位移，本发明结合六维力传感器3-2信息对四自由度机械臂进行阻抗控制，以实现对末端轴向接触力的释放。
Claims (5)
1.一种全位姿主被动柔顺机器人，其特征在于：所述全位姿主被动柔顺机器人包括轮式移动平台(1)、四自由度机械臂(2)和被动柔顺末端执行器(3)；四自由度机械臂(2)通过轮式移动平台(1)的六维力传感器(1-5)安装在轮式移动平台(1)上；四自由度机械臂(2)和被动柔顺末端执行器(3)的执行器六维力传感器(3-2)连接；
所述轮式移动平台(1)包括从动轮(1-1)、配重体(1-2)、移动车体(1-3)、移动平台六维力安装法兰(1-4)、移动平台六维力传感器(1-5)、左驱动轮(1-6)和右驱动轮(1-7)；从动轮(1-1)为万向轮，固定在移动车体(1-3)上，可跟随驱动轮的运动调整运动方向和速度；配重体(1-2)固定在移动车体(1-3)后部，起着调节作业平台平衡的作用；左驱动轮(1-6)和右驱动轮(1-7)位于移动车体(1-3)前部，作为主动轮的左驱动轮(1-6)和右驱动轮(1-7)通过相应的控制策略可使其具有前进、后退和差速转向的功能；移动平台六维力传感器(1-5)下端通过移动平台六维力安装法兰(1-4)固定于移动车体(1-3)前部，移动平台六维力传感器(1-5)上端用于与四自由度机械臂(2)连接；
所述四自由度机械臂(2)包括机械臂六维力安装法兰(2-1)、肩旋臂(2-2)、肘旋臂(2-3)、肘旋臂(2-4)、腕旋臂(2-5)和末端连接法兰(2-6)；机械臂六维力安装法兰(2-1)连接移动平台六维力传感器(1-5)，并通过连杆与肩旋臂(2-2)连接，肩旋臂(2-2)、肘旋臂(2-3)、肘旋臂(2-4)和腕旋臂(2-5)均依次串联安装，每根旋臂均可以围绕自身回转轴转动，末端连接法兰(2-6)固连腕旋臂(2-5)的末端；
所述被动柔顺末端执行器(3)包括执行器六维力安装法兰(3-1)、执行器六维力传感器(3-2)、固定端(3-3)、被动柔顺端(3-4)、工具端(3-5)和多个末端作业手指(3-6)；执行器六维力安装法兰(3-1)一端与末端连接法兰(2-6)连接，另一端与执行器六维力传感器(3-2)连接；执行器六维力传感器(3-2)再通过连接装置与固定端(3-3)连接；该被动柔顺末端执行器的被动柔顺性是通过虎克铰机构实现的，使用虎克铰机构的输入轴与输出轴分别连接固定端(3-3)和被动柔顺端(3-4)；工具端(3-5)通过可拆卸方式连接在被动柔顺端(3-4)上，多个末端作业手指(3-6)沿周向设置在工具端(3-5)上，每个末端作业手指(3-6)可在工具端(3-5)对应的滑槽中滑动，以适应对不同直径阀门的旋拧作业。
2.一种权利要求1所述机器人的全位姿主被动柔顺机器人旋拧阀门方法，其特征在于旋拧阀门作业过程为：当操作员确定作业目标阀门(4)的位置后，将驱动轮式移动平台(1)运动到阀门前方，之后驱动四自由度机械臂(2)进行旋拧阀门的作业位姿调整；使被动柔顺末端执行器(3)的末端作业手指(3-6)和作业目标阀门(4)的手轮间被动柔顺接触，利用被动柔顺末端执行器(3)实现阀门旋拧的柔顺作业。
3.根据权利要求2所述的全位姿主被动柔顺机器人旋拧阀门方法，其特征在于：在所述旋拧阀门作业过程中，
以四自由度机械臂(2)的基座原点为坐标原点建立坐标系XOYOZO，作业目标阀门(4)转轴与XO轴共面，ZO为法向方向；
在末端作业手指(3-6)进入阀门手轮的过程中，当径向偏差过大，由于被动柔顺的有限性，仍将出现径向接触力时，此时移动平台六维力传感器(1-5)将检测到力和力矩消除即可消除径向接触力；
选取的阻抗控制模型为：其中：M,B,K分别为等效惯性、阻尼和刚度系数，ΔX为实际位置与期望位置差，Fd,Fe分别为期望力和实际接触力；
结合移动平台六维力传感器(1-5)的反馈信息，上述阻抗控制模型改写为：
通过给定阻抗参数和期望力/力矩，由移动平台六维力传感器(1-5)反馈量求得移动平台的期望移动速度vx和期望转动角速度ωz；Mx、Mz表示等效惯性/惯性矩系数，Bx、Bz表示阻尼系数，Kx、Kz表示刚度系数，ax表示加速度，αz表示角加速度；xx表示位移，θz表示转动角；Fd表示期望力，Td表示期望力矩，
参数的下角标x用于表示x轴方向，参数的下角标z用于表示z轴方向；
根据期望移动速度vx和期望转动角速度ωz确定移动平台的左驱动轮(1-6)角速度ωl和右驱动轮(1-7)角速度ωr：
移动平台运动速度和车轮转速间满足：可得出，左驱动轮1-6角速度为右驱动轮1-7角速度为
B为驱动轮间距，r为车轮半径，ωl和ωr分别为左驱动轮(1-6)和右驱动轮(1-7)的角速度，通过上述过程即可消除末端作业手指(3-6)和阀门手轮间产生的径向接触力。
4.根据权利要求3所述的全位姿主被动柔顺机器人旋拧阀门方法，其特征在于在四自由度机械臂(2)旋拧阀门的过程中对各关节电流进行监测，如果某关节的电流Ii>Ii(max)，自动停止旋拧作业，Ii(max){i＝1,2,3,4}为机械臂各关节的额定电流。
5.根据权利要求3或4所述的全位姿主被动柔顺机器人旋拧阀门方法，其特征在于：
所述旋拧阀门作业过程，当机械臂旋拧阀门时，作业目标阀门(4)的阀门手轮(4-1)在转动同时将产生轴向位移，通过对机械臂进行阻抗控制实现末端执行器对阀门手轮位置的跟随：
以四自由度机械臂(2)的第四关节的末端连接法兰端面原点为坐标原点建立坐标系XTYT ZT，ZT为法向方向；
当末端作业手指(3-6)和阀门手轮(4-1)间出现轴向接触力时，执行器六维力传感器(3-2)将检测到力
选取阻抗控制模型为：其中：M,B,K分别为等效惯性、阻尼和刚度系数，ΔXZ为实际位置与期望位置差，Fd,分别为期望力和实际接触力；
通过给定阻抗参数和期望力，由执行器六维力传感器反馈量求得四自由度机械臂(2)末端的Z向期望位移ΔxZ；由于阀门轴线位于竖直方向上，旋拧作业中的机械臂末端姿态不变，且末端在坐标系XO YO ZO中满足Y向位置坐标py＝0；
结合四自由度机械臂(2)末端的初始位置信息和阻抗反馈信息，获得四自由度机械臂(2)末端各时刻在在坐标系XO YO ZO中X和Z向的位置，记为：px和pz；则由机械臂逆运动学模型可得机械臂各关节角为：
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θ1、θ2、θ3分别表示四自由度机械臂(2)的第一关节角、第二关节角、第三关节角；
d1、d2、d3分别表示四自由度机械臂(2)的第一关节长度、第二关节长度、第三关节长度；
通过上述过程实现机械臂末端对阀门手轮轴向位置的跟随，消除轴向接触力。
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Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108788705A (zh) * | 2018-06-11 | 2018-11-13 | 无锡智动力机器人有限公司 | 一种力矩可控的拧螺丝机器人 |
| CN108818508A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-11-16 | 武汉市弘润创思机械有限公司 | 一种柔性驱动式机械臂 |
| CN110027002A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-07-19 | 深圳市智能机器人研究院 | 一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法 |
| CN110125936A (zh) * | 2019-05-15 | 2019-08-16 | 清华大学深圳研究生院 | 一种空间机器人的柔顺控制方法和地面实验验证系统 |
| CN110977478A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-04-10 | 北京卫星制造厂有限公司 | 用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统和方法 |
| CN111098230A (zh) * | 2018-10-29 | 2020-05-05 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种恒力自调节机器人自动化加工工具载体设备 |
| CN111250972A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-06-09 | 上海交通大学 | 自动拧螺钉机器人 |
| FR3089445A1 (fr) * | 2018-12-11 | 2020-06-12 | Sigma Clermont | Module manipulateur mobile et système robotique constitué d’au moins deux module manipulateurs mobiles |
| CN111331604A (zh) * | 2020-03-23 | 2020-06-26 | 北京邮电大学 | 一种基于机器视觉的阀门旋拧柔顺作业方法 |
| CN112109092A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-12-22 | 中国电力科学研究院有限公司武汉分院 | 一种变压器运维取油机器人 |
| CN112497208A (zh) * | 2020-10-22 | 2021-03-16 | 西安交通大学 | 基于全状态阻抗控制器的移动操作机器人通用控制方法 |
| CN113580128A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-11-02 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 四自由度机械臂控制方法及变电站消防机械臂控制方法 |
| CN113635297A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-11-12 | 武汉库柏特科技有限公司 | 一种基于刚度检测的机器人自适应力接触控制方法及系统 |
| CN113733052A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-12-03 | 西安交通大学 | 一种全向移动机器人及其控制方法 |
| CN113843801A (zh) * | 2021-10-18 | 2021-12-28 | 上海节卡机器人科技有限公司 | 复合机器人的控制方法、装置及系统 |
| CN115502960A (zh) * | 2022-10-28 | 2022-12-23 | 深圳市深科达智能装备股份有限公司 | 末端组件、作业装置及其控制方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105082115A (zh) * | 2015-09-22 | 2015-11-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构 |
| CN105127974A (zh) * | 2015-09-22 | 2015-12-09 | 哈尔滨工业大学 | 一种具有力学测试功能的智能移动作业臂 |
| CN106272428A (zh) * | 2016-09-13 | 2017-01-04 | 江苏大学 | 一种苹果采摘机器人末端执行器抓取力主动柔顺控制方法 |
| CN106483964A (zh) * | 2015-08-31 | 2017-03-08 | 中南大学 | 一种基于接触力观测器的机器人柔顺控制方法 |
-
2017
- 2017-12-05 CN CN201711273638.2A patent/CN108000477B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106483964A (zh) * | 2015-08-31 | 2017-03-08 | 中南大学 | 一种基于接触力观测器的机器人柔顺控制方法 |
| CN105082115A (zh) * | 2015-09-22 | 2015-11-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构 |
| CN105127974A (zh) * | 2015-09-22 | 2015-12-09 | 哈尔滨工业大学 | 一种具有力学测试功能的智能移动作业臂 |
| CN106272428A (zh) * | 2016-09-13 | 2017-01-04 | 江苏大学 | 一种苹果采摘机器人末端执行器抓取力主动柔顺控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 卜迟武: ""风机叶片打磨机器人的控制研究"", 《中国优秀博士学位论文全文数据库（电子期刊）信息科技辑》 * |
| 董悫: ""机器人宇航员空间攀爬运动与力柔顺装配控制"", 《中国优秀博士学位论文全文数据库（电子期刊）信息科技辑》 * |
| 陈贵亮等: ""基于阻抗控制的幕墙安装机器人柔顺操作研究"", 《工程设计学报》 * |
Cited By (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108788705A (zh) * | 2018-06-11 | 2018-11-13 | 无锡智动力机器人有限公司 | 一种力矩可控的拧螺丝机器人 |
| CN108818508A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-11-16 | 武汉市弘润创思机械有限公司 | 一种柔性驱动式机械臂 |
| CN111098230A (zh) * | 2018-10-29 | 2020-05-05 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种恒力自调节机器人自动化加工工具载体设备 |
| FR3089445A1 (fr) * | 2018-12-11 | 2020-06-12 | Sigma Clermont | Module manipulateur mobile et système robotique constitué d’au moins deux module manipulateurs mobiles |
| WO2020120447A1 (fr) | 2018-12-11 | 2020-06-18 | Sigma Clermont | Module manipulateur mobile et systeme robotique constitue d'au moins deux modules manipulateurs mobiles |
| CN110027002A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-07-19 | 深圳市智能机器人研究院 | 一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法 |
| CN110027002B (zh) * | 2019-04-24 | 2021-09-17 | 深圳市智能机器人研究院 | 一种基于多电机驱动的仿生关节控制系统及方法 |
| CN110125936A (zh) * | 2019-05-15 | 2019-08-16 | 清华大学深圳研究生院 | 一种空间机器人的柔顺控制方法和地面实验验证系统 |
| CN110977478A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-04-10 | 北京卫星制造厂有限公司 | 用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统和方法 |
| CN110977478B (zh) * | 2019-12-26 | 2021-11-16 | 北京卫星制造厂有限公司 | 用于弱刚性支架钻铣的移动式双机器人加工系统和方法 |
| CN111331604A (zh) * | 2020-03-23 | 2020-06-26 | 北京邮电大学 | 一种基于机器视觉的阀门旋拧柔顺作业方法 |
| CN111250972B (zh) * | 2020-03-26 | 2021-03-30 | 上海交通大学 | 自动拧螺钉机器人 |
| CN111250972A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-06-09 | 上海交通大学 | 自动拧螺钉机器人 |
| CN112109092A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-12-22 | 中国电力科学研究院有限公司武汉分院 | 一种变压器运维取油机器人 |
| CN112497208A (zh) * | 2020-10-22 | 2021-03-16 | 西安交通大学 | 基于全状态阻抗控制器的移动操作机器人通用控制方法 |
| CN113635297A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-11-12 | 武汉库柏特科技有限公司 | 一种基于刚度检测的机器人自适应力接触控制方法及系统 |
| CN113635297B (zh) * | 2021-07-05 | 2022-09-27 | 武汉库柏特科技有限公司 | 一种基于刚度检测的机器人自适应力接触控制方法及系统 |
| CN113580128A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-11-02 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 四自由度机械臂控制方法及变电站消防机械臂控制方法 |
| CN113580128B (zh) * | 2021-07-09 | 2022-08-16 | 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 | 四自由度机械臂控制方法及变电站消防机械臂控制方法 |
| CN113733052B (zh) * | 2021-09-17 | 2023-07-25 | 西安交通大学 | 一种全向移动机器人及其控制方法 |
| CN113733052A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-12-03 | 西安交通大学 | 一种全向移动机器人及其控制方法 |
| CN113843801A (zh) * | 2021-10-18 | 2021-12-28 | 上海节卡机器人科技有限公司 | 复合机器人的控制方法、装置及系统 |
| WO2023065781A1 (zh) * | 2021-10-18 | 2023-04-27 | 节卡机器人股份有限公司 | 复合机器人的控制方法、装置及系统 |
| CN113843801B (zh) * | 2021-10-18 | 2022-11-29 | 上海节卡机器人科技有限公司 | 复合机器人的控制方法、装置及系统 |
| CN115502960A (zh) * | 2022-10-28 | 2022-12-23 | 深圳市深科达智能装备股份有限公司 | 末端组件、作业装置及其控制方法 |
| CN115502960B (zh) * | 2022-10-28 | 2023-08-08 | 深圳市深科达智能装备股份有限公司 | 末端组件、作业装置及其控制方法 |
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