CN109732628A - 机器人末端智能抓取控制装置及其智能抓取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人末端智能抓取控制装置及其智能抓取方法，该控制装置包括主控模块、电机模块、显示模块、压力检测模块、扭矩检测模块及视觉模块；主控模块与压力检测模块、扭矩检测模块、电机模块、显示模块及视觉模块之间均进行电信号连接；该智能抓取方法通过测量关节扭矩来计算物体重量，而夹爪的夹持压力值是用来来确定物体是否超重。本发明在夹取物体的同时计算物体重量，克服了现有技术中机器人只能对已知负荷的物体进行抓取的缺陷，在抓取前无需测量物体重量，大大提高了机器人的智能化水平和工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种机器人末端智能抓取控制装置及其智能抓取方法。
背景技术
随着技术的发展，人们对机器人的要求越来越高，要求机器人越来越人格化、智能化。而现有的机器人抓取物体时，只能在对物体负载已知的情况下进行抓取，不能够感知物体是否超负荷以及精准计算出物体重量，这就导致机器人的智能化水平比较低，限制了机器人的工作范围和效率。因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种机器人末端智能抓取控制装置及机器人末端智能抓取方法，使机器人可以通过抓取的方式感知物体重量，提高机器人的智能化程度。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述的机器人末端智能抓取控制装置包括主控模块、电机模块、显示模块；还包括压力检测模块，设置在机器人夹爪上，用于检测机器人夹爪与物体之间的夹持压力；扭矩检测模块，设置在夹爪的关节处，用于检测机器人举起物体时各关节所用的力矩；视觉模块，用于确定物体是否被拾起；主控模块与压力检测模块、扭矩检测模块、电机模块、显示模块及视觉模块之间均进行电信号连接。主控模块接收压力检测模块及扭矩检测模块检测到的压力值和扭矩值，利用压力值和扭矩值控制各电机模块运行，判定物体是否超载，并对扭矩值进行数据运算，得出物体重量。
进一步地，所述压力检测模块包括压力传感器、信号放大器及AD转换模块。
进一步地，所述扭矩检测模块包括扭矩传感器、信号放大器及AD转换模块。
进一步地，视觉模块通过确定物体与夹爪之间是否存在相对位移来判定物体是否被拾起。
本发明所述的基于上述控制装置的机器人末端智能抓取方法包括以下步骤：
(1)系统启动后，进行系统校准及预设参数的导入；
(2)利用夹爪对物体进行夹取；主控模块控制夹爪部位的电机将夹持压力值从初始压力值开始升高；
(3)视觉系统判断物体是否被夹爪拾起，压力检测模块检测施加的夹持压力值，扭矩检测模块检测各关节所受的力矩；主控模块判断物体重量是否过载；若物体未被拾起且重量未过载，则继续增大压力值；若物体被拾起且重量未过载，则主控模块根据扭矩传感器测得的扭矩值计算物体重量；若物体重量过载，则主控模块判定物体超重，取消抓取；
(4)显示模块对主控模块的判定结果和计算所得的物体重量进行显示。
进一步地，步骤(1)中，系统预先导入的预设参数包括：物体与夹爪之间的摩擦系数、大气压、初始压力值。
进一步地，步骤(3)中，压力检测模块只用来反馈物体是否超重的信息，对物体测重无直接关系。
进一步地，步骤(3)中判定物体重量过载的条件是夹爪的夹持压力值大于根据机器人各关节处扭矩最大值计算所得的重量上限值。
进一步地，初始压力值设置为0。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明通过设置压力检测模块和扭矩检测模块，避免了现有技术中抓取不同物体时，仅用压力检测、通过摩擦力进行计算物体重量带来的较大检测误差；本发明利用扭矩检测模块检测物体重量，可以确保计算所得的物体重量准确无误，同时由于物体形状不同，机器人抓取时的姿势也不同，可以准确确定是否超载，克服了现有技术中机器人只能对已知负荷的物体进行抓取的缺陷，抓取前无需测量物体重量，提高了机器人的智能化水平和工作效率；在抓取过程中压力检测模块检测到压力超过上限值即判定物体超重，避免了抓取过重物体时对机器人的损坏。
附图说明
图1为机器人末端智能抓取控制装置的模块结构图；
图2为机器人末端智能抓取方法的流程图；
图3为抓取物体时的夹爪结构及受力示意图；
图4为通过扭矩测重时的关节结构及受力示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，机器人末端智能抓取控制装置包括：压力检测模块，设置在机器人夹爪上，用于实现对机器人夹爪与物体之间压力的检测；扭矩检测模块，设置在夹爪的关节处，用于实现对机器人举起物体时各关节所用力矩的检测；主控模块，用于实现通过接收压力与扭矩值，利用所测得的压力和扭矩值控制各舵机模块，并对扭矩值进行数据运算，得出物体重量；显示模块，用于实现将所得的物体重量进行显示；视觉模块，用于确定物体与夹爪之间是否存在相对位移，从而确定物体是否被拾起；电机模块，实现对机器人各个关节动作的控制。
其中，压力检测模块包括压力传感器、信号放大器、AD转换模块；扭矩检测模块包括扭矩传感器、信号放大器、AD转换模块；主控模块为主控板，所用主芯片为RK3399，主控板的主要功能为接收压力检测模块、扭矩检测模块、视觉模块的信号，综合计算后，给电机模块和显示模块发送信号。显示模块为触摸屏，电机模块包括各关节电机与电机驱动板。压力传感器选择为二线制压力传感器，两路供电两路信号。
如图2所示，基于所述机器人末端智能抓取控制装置的机器人末端智能抓取方法包括以下步骤：
(1)系统启动后，进行系统校准及预设参数的导入；
(2)利用夹爪对物体进行夹取，主控模块控制夹爪部位的电机将夹持压力值从初始压力值开始升高；
(3)视觉系统判断物体是否被夹爪拾起，压力检测模块检测施加的夹持压力值，扭矩检测模块检测各关节所用的力矩；主控模块根据所测得得压力值判断物体重量是否过载(压力值大于预设值)；若物体未被拾起且重量未过载，则继续增大压力值；若物体被拾起且重量未过载，则主控模块根据扭矩传感器测得的扭矩值计算物体重量；若物体重量过载，则主控模块判定物体超重，取消抓取；
(4)显示模块对主控模块的判定结果和计算所得的物体重量进行显示。
步骤(3)中，压力检测模块只用来反馈物体是否超重的信息，对物体测重无直接关系。
初始导入系统的预设参数包括夹爪与物体间的摩擦系数、大气压及初始压力值等；初始压力值设置为0。在摩擦系数等因素确定的情况下，压力值上限是通过主控模块计算得到的。步骤(3)中判定物体重量过载的条件是夹爪的夹持压力值大于根据机器人各关节处扭矩最大值计算所得的重量上限值。
图3为夹爪抓取物体时的结构及受力示意图，压力传感器3设置在夹爪2的夹持面处；FN为夹爪2与物体1之间的夹持压力值，G为物体的垂直重力，Fs为夹爪与物体之间最大的垂直静摩擦力；由于Fs＝μ*FN，而Fs与物体重力G成180°，因此在确定摩擦系数的情况下，机器人夹爪与物体之间的夹持压力值与静摩擦力成正比。初始压力值为0，此时夹爪在垂直方向缓慢上移，夹持压力逐渐增大；由视觉系统对夹爪和物体之间的位移进行观察，压力传感器3实时检测夹持压力值；当双方不存在相对位移时停止增大夹爪压力，并将此时检测到的夹持压力值记录。若物体重量过大，超过压力值上限FNmax，则取消抓取，判定抓取失败，FNmax＝F扭矩max/μ。
图4所示为通过扭矩测重时的关节结构及受力示意图，扭矩传感器5设置在夹爪的关节处，实时检测关节电机4施加的力矩；N为关节电机杠杆给物体1提供的作用力，该作用力与杠杆保持垂直，G为物体的垂直重力，Fs为夹爪与物体之间最大的垂直静摩擦力，a为重力G与作用力N的夹角度数，由于G＝N/cosa，所以角a为0°和180°，N＝F扭矩max，而F扭矩max＝G＝Fs。若F扭矩max超过电机扭矩上限，则判定抓取失败；若举起物体时，角a不是0°和180°，则需要通过公式F扭矩max＝N/cosa，判定在F扭矩max是否超过电机扭矩上限，若超过电机扭矩上限则取消抓取，判定抓取失败。
Claims (9)
1.一种机器人末端智能抓取控制装置，包括主控模块、电机模块、显示模块；其特征在于：还包括压力检测模块，设置在机器人夹爪上，用于检测夹爪与物体之间的夹持压力；扭矩检测模块，设置在夹爪的关节处，用于检测机器人举起物体时各关节所用的力矩；视觉模块，用于确定物体是否被拾起；主控模块与压力检测模块、扭矩检测模块、电机模块、显示模块及视觉模块之间均进行电信号连接。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述压力检测模块包括压力传感器、信号放大器及AD转换模块。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：所述扭矩检测模块包括扭矩传感器、信号放大器及AD转换模块。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：视觉模块通过确定物体与夹爪之间是否存在相对位移来判定物体是否被拾起。
5.一种基于权利要求1所述控制装置的机器人末端智能抓取方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)系统启动后，进行系统校准及预设参数的导入；
(2)利用夹爪对物体进行夹取；主控模块控制夹爪部位的电机将夹持压力值从初始压力值开始升高；
(3)视觉系统判断物体是否被夹爪拾起，压力检测模块检测施加的夹持压力值，扭矩检测模块检测各关节所受的力矩；主控模块判断物体重量是否过载；若物体未被拾起且重量未过载，则继续增大压力值；若物体被拾起且重量未过载，则主控模块根据扭矩传感器测得的扭矩值计算物体重量；若物体重量过载，则主控模块判定物体超重，取消抓取；
(4)显示模块对主控模块的判定结果和计算所得的物体重量进行显示。
6.根据权利要求5所述的机器人末端智能抓取方法，其特征在于：步骤(1)中，系统预先导入的预设参数包括：物体与夹爪之间的摩擦系数、大气压、初始压力值。
7.根据权利要求5所述的机器人末端智能抓取方法，其特征在于：步骤(3)中，压力检测模块只用来反馈物体是否超重的信息，对物体测重无直接关系。
8.根据权利要求7所述的机器人末端智能抓取方法，其特征在于：步骤(3)中判定物体重量过载的条件是夹爪的夹持压力值大于根据机器人各关节处扭矩最大值计算所得的重量上限值。
9.根据权利要求5所述的机器人末端智能抓取方法，其特征在于：初始压力值设置为0。
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