CN108340388A - 一种救援机器人的七自由度力反馈手柄及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种救援机器人的七自由度力反馈手柄及操作方法，它解决了现有技术中操作人员无法感知到触碰力度，容易对机械臂造成损坏，很难完成特定救援动作的问题，具有通过操作手柄完成对末端轨迹的控制，实现救援机器人工作装置的半自主操作，具有临场力反馈功能，给操作人员实时反馈机械臂末端受力情况的效果；其技术方案为：包括操作手柄本体，所述操作手柄本体的内部安装力反馈装置，力反馈装置将力矩实时传递至操作手柄本体；当机械臂末端负载超出额定值时，力反馈装置自锁；力反馈装置包括x方向、y方向和z方向的齿轮驱动机构，所述齿轮驱动机构分别连接电位器，通过电位器将信号发送至控制系统。

Description

一种救援机器人的七自由度力反馈手柄及操作方法

技术领域

本发明属于工程机械领域，尤其涉及一种救援机器人的七自由度力反馈手柄及操作方法。

背景技术

中国幅员辽阔，地震、泥石流等自然灾害频发，给人民生命财产安全带来了巨大损失。复杂的灾害现场需要高效、专业的工程救援机械装备。因此，各种新型救援设备相继被研发。授权公告号CN 205256501 U中公开了一种应急救援机器人，此应急救援机器人已完成样机的研制，并经过多次模拟救援现场试验，实现了挖掘、破碎、剪切、抓装、装卸、叉装、吊装、整平、高空作业等作业功能。

目前，此机器人的操作方法为人工操作，即对每个关节进行单独操作，虽然可以完成上述功能，但是对人员的操作水平要求高。当机器人需要实现特定的救援动作时，例如抓起物体以后沿直线路径运动，由于机械臂具有七个自由度，具有运动学冗余的特点，目前的操作方式很难实现上述运动。

另一方面，当机械抓手触碰到障碍物时，操作人员无法感知到触碰力度，容易对受灾人员造成二次伤害，也容易对机械臂造成损坏。因而需要改进现有救援机器人的操作方式。而机器人的工作环境恶劣，工况复杂多变，且自身非线性因素多、惯性较大，很难实现全自主操作模式。因此，需要考虑设计一种具有临场力感反馈的半自主操作方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种救援机器人的七自由度力反馈手柄及操作方法，其具有通过操作手柄完成对末端轨迹的控制，实现救援机器人工作装置的半自主操作，具有临场力反馈功能，给操作人员实时反馈机械臂末端受力情况的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种救援机器人的七自由度力反馈手柄，包括操作手柄本体，所述操作手柄本体的内部安装力反馈装置，力反馈装置将力矩实时传递至操作手柄本体；当机械臂末端负载超出额定值时，力反馈装置自锁；

所述力反馈装置包括x方向、y方向和z方向的齿轮驱动机构，所述齿轮驱动机构分别连接电位器，通过电位器将信号发送至控制系统。

进一步的，所述操作手柄本体上部安装两个小手柄，所述小手柄具有x方向移动和y方向移动两个自由度；每个自由度的运动均可通过传动装置转换为旋转运动，并通过电位器检测旋转角度。

进一步的，所述齿轮驱动机构包括力矩电机、传动齿轮组和传动轴，所述力矩电机通过传动齿轮组连接传动轴，所述传动轴连接电位器。

进一步的，所述力矩电机为直流力矩电机。

进一步的，所述操作手柄本体后部设有使能开关。

进一步的，所述机械臂的末端安装三维力传感器，三维力传感器将力信号转换成电信号传至控制系统。

进一步的，所述齿轮驱动机构均与操作手柄本体内部传动机构相连。

一种救援机器人的七自由度力反馈手柄的操作方法，包括以下步骤：

步骤(1)机械臂抓取重物后，操作人员旋转操作手柄本体沿某一方向移动，通过电位器将所述方向的移动转换为电信号发送给控制系统；

步骤(2)控制系统接收到信号后，将机械臂末端执行器在所述方向的运动转变为各个关节空间的运动，并通过液压驱动装置控制液压缸运动；

步骤(3)三维力传感器检测到末端执行器的重物，将力信号转换为电信号传递给控制系统，控制系统控制力矩电机，经传动齿轮组和传动轴将力矩传递至操作手柄本体，此时操作人员感受到力反馈；当机械臂末端超载或碰到障碍物时力反馈大，限制操作手柄本体的操作。

进一步的，所述方向为x方向、y方向或z方向。

进一步的，机械臂上安装位置传感器，位置传感器实时检测各个臂的运动情况并反馈至控制系统，构成闭环控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过操作手柄，即可实现对应急救援机器人末端位姿的直接控制，完成末端执行器的直线提升、推拉等动作，提高了救援效率。

(2)本发明通过力反馈装置，能够实时将末端位置的受力情况反馈到操作手柄，操作人员可感知到末端受力情况，减少出现二次伤害的情况；当机械臂过载较大时，操作手柄自锁，避免引起对机械臂的损坏；

(3)本发明在机械臂的末端安装三维力传感器，能够同时检测三维空间的三个力信息；三维力传感器将信号传至控制系统，控制系统控制力反馈装置的力矩电机运动；从而实时反馈机械臂末端受力情况。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为现有救援机器人的机械臂结构示意图；

图2为现有机械臂操作系统示意图；

图3为本发明的操作手柄本体主视图；

图4为本发明的操作手柄本体侧视图；

图5为本发明的操作手柄与机械臂之间的映射关系图；

其中，1-机械臂，2-操作手柄本体，3-三维力传感器，4-整臂回转机构，5-一臂液压缸，6-二臂液压缸，7-三臂液压缸，8-四臂液压缸，9-属具摆动液压缸，10-属具回转机构，11-传动机构，12-y方向电位器，13-y方向传动齿轮组，14-y方向力矩电机，15-x方向电位器，16-x方向传动齿轮组，17-x方向力矩电机，18-z方向电位器，19-z方向传动齿轮组，20-z方向力矩电机，21-使能开关，22-小手柄。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在操作人员无法感知到触碰力度，容易对机械臂造成损坏，很难完成特定救援动作的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种救援机器人的七自由度力反馈手柄及操作方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图3-图5所示，提供了一种救援机器人的七自由度力反馈手柄，包括操作手柄本体2，基于运动学理论，将操作手柄本体2的操作转换为工作装置末端轨迹。

选择救援机器人的机械臂1为操作对象，机器人额定功率为25.2KW，机械臂1长度为3460m，抓举力矩为10KN.m。

所述工作装置为救援机器人的机械臂1，如图1-图2所示，包括整臂回转机构4、一臂液压缸5、二臂液压缸6、三臂液压缸7、四臂液压缸8、属具摆动液压缸9和属具回转机构10，共具有七个自由度，即：整臂回转、一臂上下俯仰、二臂上下俯仰、三臂上下俯仰、四臂上下俯仰、属具摆动和属具回转，具有运动灵活性高的优点。

七个自由度均采用液压驱动，其中，属具回转采用液压马达驱动，其余六个自由度采用液压缸驱动。

在机械臂1的抓手处安装三维力传感器3，三维力传感器3可以同时检测三维空间的三个力信息，反映机械臂1末端的受力情况；三维传感器3可将力觉信号转换为电信号，传递给控制系统。

在机械臂1的设定位置安装位置传感器。

所述控制系统为现有救援机器人的控制系统，此处对其组成不再赘述。

所述控制系统对传入的信号进行处理，并发出对机械臂1的控制命令和力矩电机的控制命令，具体具备以下功能：

1)通过正运动学计算，将操作手柄本体2传递来的电信号转变为笛卡尔坐标系下机械臂1末端位姿状态；

2)通过逆运动学计算，将机械臂1末端位姿转换为关节空间内的各关节位置；

3)发送控制信号，控制液压缸和液压马达的运动，达到规划的位置；

4)通过三维力传感器3检测力觉信息，对信号进行滤波、计算等处理；

5)根据力觉信息，发送控制命令给操作手柄本体2的直流力矩电机，控制力矩电机输出一定力矩。

所述操作手柄本体2的整体结构为现有技术，此处不再赘述；本申请在操作手柄本体2下半部的内部安装力反馈装置，通过控制系统实现临场力感的反馈功能；当机械臂末端的负载超出额定值时，力反馈装置立即自锁，避免引起对机械臂的损坏。

操作手柄本体2具有七个自由度，其底部含有x方向移动、y方向移动和z方向旋转三个自由度；所述x方向、y方向和z方向根据笛卡尔坐标系设置。

操作手柄本体2上部安装两个小手柄22(此处的小手柄为了与操作手柄区别开，并没有特殊的限定)，分别具有x方向移动和y方向移动两个自由度；每个自由度的运动均可通过传动装置(现有技术)转换为旋转运动，通过电位器可检测旋转的角度，并将角度转换成电信号发送给控制系统。

电位器一端可检测旋转倾角，另一端连接力反馈装置的传动轴。

操作手柄本体2后部安装使能开关21，当使能开关21按下时，操作手柄本体2才处于工作状态。

所述操作手柄本体2对机械臂的操作方法为：

移动操作手柄本体2的x正方向时，机械臂1末端执行器即向远离机器人的x方向移动，移动操作手柄本体2的x负方向时，机械臂1末端执行器即向靠近机器人的x负方向移动。

类似的，当机械臂1末端执行器需要沿y和z方向移动时，操作手柄本体2的y方向和z方向。

小手柄22上具有四个自由度，操作小手柄22上四个方向，分别控制四臂上下俯仰、属具摆动、属具回转和开合四个动作。

所述力反馈装置包括x方向齿轮驱动机构、y方向齿轮驱动机构和z方向的齿轮驱动机构。

x方向齿轮驱动机构包括x方向力矩电机17、x方向传动齿轮组16和x方向传动轴，x方向力矩电机17通过x方向传动齿轮组16连接x方向传动轴，所述x方向传动轴连接x方向电位器15。

y方向齿轮驱动机构包括y方向力矩电机14、y方向传动齿轮组13和y方向传动轴，y方向力矩电机14通过y方向传动齿轮组13连接y方向传动轴，所述y方向传动轴连接y方向电位器12。

z方向齿轮驱动机构包括z方向力矩电机20、z方向传动齿轮组19和z方向传动轴，z方向力矩电机通过z方向传动齿轮组19连接z方向传动轴，所述z方向传动轴连接z方向电位器18。

上述齿轮驱动机构均与操作手柄本体2内部传动机构相连；操作手柄本体2内部的传动机构为现有技术，此处不再赘述。

上述力矩电机均为直流力矩电机，其体积小巧，适用于用较小的体积、重量、动力、响应时间输出较大效率和较好定位精度的场合；其输出力矩与输入电流成正比，与转子的速度和位置无关。

本申请所用的力矩电机，通过传动机构后反馈到操作手柄本体2的力量大小可达10N-20N。

以操作机械臂1末端执行机构实现直线提升的运动为例，其具体操作方法为：

步骤(1)机械臂1抓取重物后，操作人员旋转操作手柄本体2沿z正方向移动，通过z方向电位器18将z方向的移动转换为电信号发送给控制系统；

步骤(2)控制系统接收到信号后，通过逆运动学求解，将机械臂1末端执行器在在笛卡尔坐标系下的z方向的运动转变为各个关节空间的运动，并通过液压驱动装置控制液压缸运动；

步骤(3)位置传感器实时检测各个臂的运动情况，反馈给控制系统，构成闭环控制，保证控制精度；

步骤(4)三维力传感器3检测到末端执行器的重物，将力信号转换为电信号传递给控制系统，控制系统控制z方向力矩电机20，经z方向传动齿轮组19和z方向传动轴将力矩传递至操作手柄本体2，此时操作人员感受到力反馈；当机械臂1末端超载或碰到障碍物时，力觉反馈会较大，限制操作手柄本体2的操作。

通过上述方法，实现了对救援机器人机械臂1末端位姿的直接控制；在控制过程中，实时将末端位置的受力情况反馈到操作手柄本体2，操作人员可感知到末端受力情况。

本申请与传统的操作方式相比，提高了操作效率，减小了由于误操作等引起的二次伤害。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种救援机器人的七自由度力反馈手柄，其特征在于，包括操作手柄本体，所述操作手柄本体的内部安装力反馈装置，力反馈装置将力矩实时传递至操作手柄本体；当机械臂末端负载超出额定值时，力反馈装置自锁；

所述力反馈装置包括x方向、y方向和z方向的齿轮驱动机构，所述齿轮驱动机构分别连接电位器，通过电位器将信号发送至控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种救援机器人的七自由度力反馈手柄，其特征在于，所述操作手柄本体上部安装两个小手柄，所述小手柄具有x方向移动和y方向移动两个自由度；每个自由度的运动均可通过传动装置转换为旋转运动，并通过电位器检测旋转角度。

3.根据权利要求1所述的一种救援机器人的七自由度力反馈手柄，其特征在于，所述齿轮驱动机构包括力矩电机、传动齿轮组和传动轴，所述力矩电机通过传动齿轮组连接传动轴，所述传动轴连接电位器。

4.根据权利要求3所述的一种救援机器人的七自由度力反馈手柄，其特征在于，所述力矩电机为直流力矩电机。

5.根据权利要求1所述的一种救援机器人的七自由度力反馈手柄，其特征在于，所述操作手柄本体后部设有使能开关。

6.根据权利要求1所述的一种救援机器人的七自由度力反馈手柄，其特征在于，所述机械臂的末端安装三维力传感器，三维力传感器将力信号转换成电信号传至控制系统。

7.根据权利要求1所述的一种救援机器人的七自由度力反馈手柄，其特征在于，所述齿轮驱动机构均与操作手柄本体内部传动机构相连。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种救援机器人的七自由度力反馈手柄的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)机械臂抓取重物后，操作人员旋转操作手柄本体沿某一方向移动，通过电位器将所述方向的移动转换为电信号发送给控制系统；

步骤(2)控制系统接收到信号后，将机械臂末端执行器在所述方向的运动转变为各个关节空间的运动，并通过液压驱动装置控制液压缸运动；

步骤(3)三维力传感器检测到末端执行器的重物，将力信号转换为电信号传递给控制系统，控制系统控制力矩电机，经传动齿轮组和传动轴将力矩传递至操作手柄本体，此时操作人员感受到力反馈；当机械臂末端超载或碰到障碍物时力反馈大，限制操作手柄本体的操作。

9.根据权利要求8所述的一种救援机器人的七自由度力反馈手柄的操作方法，其特征在于，所述方向为x方向、y方向或z方向。

10.根据权利要求8所述的一种救援机器人的七自由度力反馈手柄的操作方法，其特征在于，机械臂上安装位置传感器，位置传感器实时检测各个臂的运动情况并反馈至控制系统，构成闭环控制。