CN110053031B - 一种基于触觉的机器人控制组件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其是指一种基于触觉的机器人控制组件，包括主体、控制环、用于感应所述控制环受力方向的感应单元以及至少六个用于感应所述控制环转动角度变化及前后移动的位置单元，位置单元设置于所述主体和所述控制环之间，所述感应单元设置于所述控制环。相较于传统的控制方式，本发明的通过触觉实现了对于机器人的控制，因而控制的稳定性和精度更高。本发明还提供了一种应用于上述控制组件的控制方法。

Description

一种基于触觉的机器人控制组件及方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其是指一种基于触觉的机器人控制组件及方法。

背景技术

随着工业自动化程度的提高，机器人在工业界的使用也日趋频繁，因此对于机器人控制的便捷性以及准确性的要求也日益提高。基于提升机器人控制的便捷性，很多公司也进行了机器人控制方法的研究，较为出名的是kuka公司、TM公司等。但是，kuka公司推出的拖动示教效果极好，但是需要在每个轴加力传感器，因而导致比较繁琐；而TM公司利用了按钮来控制点击过补偿摩擦力完成拖动视角，这种方法的用户体验不好，因此，目前市面上还没有一种机器人控制的方式，能够满足大多数人的需求。

发明内容

本发明针对现有技术的问题提供一种基于触觉的机器人控制组件及方法，基于触觉的感知手段通过测量和计算的方法，理解手对机器人末端施加的力或力矩，从而通过手对末端的力变化，完成对机器人的操作。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种基于触觉的机器人控制组件，包括主体、控制环、用于感应所述控制环受力方向的感应单元以及至少六个用于感应所述控制环转动角度变化及前后移动变化的位置单元，位置单元设置于所述主体和所述控制环之间，所述感应单元设置于所述控制环。

进一步的，位置单元包括第一电位器、第二电位器、控制杆以及弹簧，第一电位器用于根据控制杆在x方向的位移变化输出信号，第二电位器用于根据控制杆在y方向的位移变化输出信号；所述控制环的内侧壁设置有数量与控制杆数量相同的插孔，控制杆穿过弹簧后装配于插孔内。

进一步的，所述感应单元包括至少八个力传感器，力传感器均匀分别于所述控制环的外侧壁。

进一步的，所述主体内设置有集线槽，感应单元的信号经装设于所述集线槽内的导线传输至机器人。

进一步的，还包括信号处理器，所述信号处理器设置于所述主体内，所述感应单元和所述位置单元均与所述信号处理器电连接。

一种应用于上述的机器人控制组件的控制方法，包括以下步骤：

a、抓取控制环，并驱动控制环动作；

b、根据各位置单元的反馈信号，利用分布式计算方法得到控制环的转动角度以及前后移动距离；

c、根据感应单元的反馈信号，利用数字开关量和模拟量来计算控制环所受到的力分布情况，并通过力的合成来推算出控制环平移后的位置；

d、把步骤b所获得的转动角度信息、前后移动距离信息和步骤c 中的平移后位置信息均传输至机器人来对机器人进行控制。

进一步的，在步骤b中，具体包括：

b1、以控制环初始状态时的中心位置为零点，控制环的中轴线方向为z方向，按右手螺旋法则确立x方向和y方向，建立空间坐标系；假设控制环的中心位置为(0，0，N)，则控制环的平面方程为z＝1，即控制环初始位置的平面法线方程为[0，0，N]，其中N为常数；

b2、根据各位置单元输出的信号，算出控制环移动后的各感应单元的实时坐标(x_n，y_n，z_n)，其中n为位置单元的数量；

b3、把控制环移动后的实时坐标(x_n，y_n，z_n)代入公式

得出各位置单元的法线方程[A_n，B_n，C_n]，再通过各位置单元的法线方程求出控制环的实际位置平面法线方程[A，B，C]；

b4、对比[0，0，N]与[A，B，C]，得出控制环移动后的实际位置，并根据该实际位置输出信号至机器人用于对机器人进行控制。

更进一步的，在步骤b2中，具体包括：

b2’、设控制环的半径为R，感应单元的控制杆的长度为L， P＝R-L，则各感应单元的初始极坐标分别为：

其中n为感应单元的数量；

b2”、感应单元分别包括第一电位器和第二电位器，根据各第一电位器的电压信号变化算出控制环在x方向的角度变化φ_jn，根据各第二电位器的电压信号变化算出控制环在y方向的角度变化φ_kn；

b2”’、根据公式

x_n＝a_n+Lsinφ_x；

y_n＝b_n+Lsinφ_x+cosφ_y；

z_n＝c_n+Lsinφ_xsinφ_y；

算出各感应单元的实时坐标(x_n，y_n，z_n)；

在b5中，具体为由各感应单元的所算出的各[A_n，B_n，C_n]，根据最小二乘法可得到法线实时方程[A，B，C]。

更进一步的，在步骤b2中还包括：b2””、若z₁，z₂，…，z_n均大于0，则判定控制环在z轴的正方向上具有平动运动，反之则控制环在z轴的反方向上具有平动运动；

在步骤b中还包括b7：设法线初始位置于x方向上的变化角度为θ_x，于y方向上的变化角度为θ_y，则

θ_x＝arcsinA；

根据θ_x和θ_y，可得出法线的位置变化剧烈程度，从而推断控制环的位置变化剧烈程度。

进一步的，在步骤c中，具体包括：

c1、感应单元包括至少八个均匀分布在控制环的外壁的力传感器；

c2、设力传感器的坐标为(d_i，e_i)，控制环的半径为R，i为力传感器的标号，则根据公式

算出该力传感器的坐标；

c3、根据上述受力点信息，可得出力传感器的受力方向分别为：

c4、把所有力传感器的在x方向上受到的力和y方向上受到的力分别进行合成得到控制环分别在x方向上和y方向上的受力情况F_x和F_y，再把F_x和F_y进行合并获得圆环的受力状态，并根据该力的方向和大小算出控制环在xy平面内的移动距离。

本发明的有益效果：本发明通过控制环、位置单元和感应单元的配合，让使用者通过抓住控制环来进行位移和转动，然后通过位置单元反馈控制环于xy平面内转动的角度以及在z轴方向、通过感应单元反馈控制环在转动平面内的位置距离，从而上述信息来驱动机器人进行动作。相较于传统的控制方式，本发明的通过触觉实现了对于机器人的控制，因而控制的稳定性和精度更高。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明的控制环的示意图。

图3为本发明的位置单元的示意图。

图4为本发明的主体的示意图。

附图标记：1—主体，2—控制环，4—位置单元，11—集线槽，21—插孔，31—力传感器，41—第一电位器，42—第二电位器，43—控制杆，44—弹簧。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1和图2所示，本发明提供的一种基于触觉的机器人控制组件，包括主体1、控制环2、用于感应所述控制环2受力方向的感应单元(图中未标注)以及至少六个用于感应所述控制环2转动角度变化及前后移动变化的位置单元4，位置单元4设置于所述主体1和所述控制环2之间，所述感应单元设置于所述控制环2。

本发明的使用方式包括如下步骤：

包括以下步骤：

a、使用者抓取控制环2，并驱动控制环2动作，该动作包括转动、平移等；

b、根据各位置单元4的反馈信号，利用分布式计算方法得到控制环2的转动角度以及前后移动距离；

c、根据感应单元的反馈信号，利用数字开关量和模拟量来计算控制环2所受到的力分布情况，并通过力的合成来推算出控制环2 平移后的位置；

d、把步骤b所获得的转动角度信息、前后移动距离信息和步骤c 中的平移后位置信息均传输至机器人来对机器人进行控制。

本发明通过控制环2、位置单元4和感应单元的配合，让使用者通过抓住控制环2来进行位移和转动，然后通过位置单元4反馈控制环2于xy平面内转动的角度以及在z轴方向、通过感应单元反馈控制环2在转动平面内的位置距离，从而上述信息来驱动机器人进行动作。相较于传统的控制方式，本发明的通过触觉实现了对于机器人的控制，因而控制的稳定性和精度更高。

如图3所示，在本实施例中，位置单元4包括第一电位器41、第二电位器42、控制杆43以及弹簧44，第一电位器41用于根据控制杆43在x方向的位移变化输出信号，第二电位器42用于根据控制杆 43在y方向的位移变化输出信号；所述控制环2的内侧壁设置有数量与控制杆43数量相同的插孔21，控制杆43穿过弹簧44后装配于插孔21内。

而位置单元4具体的控制步骤如下：

b1、以控制环2初始状态时的中心位置为零点，控制环2的中轴线方向为z方向，按右手螺旋法则确立x方向和y方向，建立空间坐标系；假设控制环2的中心位置为(0，0，N)，则控制环2的平面方程为z＝1，即控制环2初始位置的平面法线方程为[0，0，N]，其中 N为常数，一般设为1，因此下面以N＝1进行说明；

b2、根据各位置单元4输出的信号，算出控制环2移动后的各感应单元的实时坐标(x_n，y_n，z_n)，其中n为位置单元4的数量，在本实施例中以n＝6为例进行说明；

b3、把控制环2移动后的实时坐标(x_n，y_n，z_n)代入公式

得出各位置单元4的法线方程[A_n，B_n，C_n]，再通过各位置单元4的法线方程求出控制环2的实际位置平面法线方程[A， B，C]；

b4、对比[0，0，1]与[A，B，C]，得出控制环2移动后的实际位置，并根据该实际位置输出信号至机器人用于对机器人进行控制。

即通过上述的方式进行计算，根据控制环2初始坐标和状态变化后的实际坐标进行对比，然后把对比结果发送至机器人处，从而让机器人能够根据该对比结果执行相关的操作。

当然，在步骤b中，具体计算各感应单元的实时坐标的方法具体如下：b2’、设控制环2的半径为R，感应单元的控制杆43的长度为 L，P＝R-L，则各感应单元的初始极坐标分别为：

其中n为感应单元的数量；

b2”、感应单元分别包括第一电位器41和第二电位器42，根据各第一电位器41的电压信号变化算出控制环2在x方向的角度变化φ_jn，根据各第二电位器42的电压信号变化算出控制环2在y方向的角度变化φ_kn；

b2”’、根据公式

x_n＝a_n+Lsinφ_x；

y_n＝b_n+Lsinφ_x+cosφ_y；

z_n＝c_n+Lsinφ_xsinφ_y；

算出各感应单元的实时坐标(x_n，y_n，z_n)。

而在步骤b5中，具体为由各感应单元的所算出的各[A_n，B_n，C_n]，根据最小二乘法可得到法线实时方程[A，B，C]

通过上述方法能够算出各感应单元所反馈的[A_n，B_n，C_n]，而为了减少误差，本发明采用最小二乘法来把各[A_n，B_n，C_n]进行整合计算，最终得出控制环2的法线实时方程[A，B，C]后再发送至机器人处进行控制，从而提升了控制的精度。

上述方式只是反映了控制环2在xy平面内转动的方式，而本发明还可以根据位置单元4反馈控制环2在z轴上的移动状态，从而用来控制机器人前移或者后移，其判定方法如下：b2””、若z₁，z₂，…， z_n均大于0，则判定控制环2在z轴的正方向上具有平动运动，反之则控制环2在z轴的反方向上具有平动运动。通过上述判断，实现机器人的前后移动，从而使得机器人更加灵活。

此外，本发明还包括：设法线初始位置于x方向上的变化角度为θ_x，于y方向上的变化角度为θ_y，则

θ_x＝arcsinA；

根据θ_x和θ_y，可得出法线的位置变化剧烈程度，从而推断控制环2的位置变化剧烈程度。

通过该步骤，能够得出控制环2位置变化的剧烈程度。

如图2所示，在本实施例中，所述感应单元包括至少八个力传感器31，力传感器31均匀分别于所述控制环2的外侧壁。

本实施例中以力传感器31的数量为八个为例，该感应单元的工作方法如下：

c1、感应单元包括八个均匀分布在控制环2的外壁的力传感器 31；

c2、设力传感器31的坐标为(d_i，e_i)，控制环2的半径为R，i 为力传感器31的标号，即i＝1,2,3,…,8，则根据公式

算出该力传感器31的坐标；

c3、根据上述受力点信息，可得出力传感器31的受力方向分别为：

c4、把所有力传感器31的在x方向上受到的力和y方向上受到的力分别进行合成得到控制环2分别在x方向上和y方向上的受力情况F_x和F_y，再把F_x和F_y进行合并获得圆环的受力状态，并根据该力的方向和大小算出控制环2在xy平面内的移动距离。

通过测出各力传感器31的受力情况，然后先算出x方向上分解力的大小和y方向上分解力的大小并分别进行合并，然后再把合并后的两个总分解力进行合并得出控制环2的受力情况，最后根据该受力情况即可判断出控制环2在xy平面内的移动距离，从而对机器人进行控制。当然，该方式是实时进行的，即使用者施加给控制环2的力的动态的，因而机器人根据该动态力也会做出对应的状态变化。

如图4所示，在本实施例中，所述主体1内设置有集线槽11，感应单元的信号经装设于所述集线槽11内的导线传输至机器人，从而避免导线杂乱而影响了控制环2的工作。

在本实施例中，本发明还包括信号处理器，所述信号处理器设置于所述主体1内，所述感应单元和所述位置单元4均与所述信号处理器电连接。即在获得位置单元4的信号和感应单元的信号以后，是先通过本发明的信号处理器进行处理后再发送至机器人处进行控制的，这样能够避免初获得的信号直接传输至机器人处处理而导致的失真过多，提升了控制的精度。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于触觉的机器人控制组件，其特征在于：包括主体、控制环、用于感应所述控制环受力方向的感应单元以及至少六个用于感应所述控制环转动角度变化及前后移动变化的位置单元，位置单元设置于所述主体和所述控制环之间，所述感应单元设置于所述控制环；

位置单元包括第一电位器、第二电位器、控制杆以及弹簧，第一电位器用于根据控制杆在x方向的位移变化输出信号，第二电位器用于根据控制杆在y方向的位移变化输出信号；所述控制环的内侧壁设置有数量与控制杆数量相同的插孔，控制杆穿过弹簧后装配于插孔内。

2.根据权利要求1所述的基于触觉的机器人控制组件，其特征在于：所述感应单元包括至少八个力传感器，力传感器均匀分别于所述控制环的外侧壁。

3.根据权利要求1所述的基于触觉的机器人控制组件，其特征在于：所述主体内设置有集线槽，感应单元的信号经装设于所述集线槽内的导线传输至机器人。

4.根据权利要求1所述的基于触觉的机器人控制组件，其特征在于：还包括信号处理器，所述信号处理器设置于所述主体内，所述感应单元和所述位置单元均与所述信号处理器电连接。

5.一种应用于权利要求1-4任意一项所述的机器人控制组件的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、抓取控制环，并驱动控制环动作；

b、根据各位置单元的反馈信号，利用分布式计算方法得到控制环的转动角度以及前后移动距离；

c、根据感应单元的反馈信号，利用数字开关量和模拟量来计算控制环所受到的力分分布情况，并通过力的合成来推算出控制环平移后的位置；

d、把步骤b所获得的转动角度信息、前后移动距离信息和步骤c中的平移后位置信息均传输至机器人来对机器进行控制。

6.根据权利要求5所述控制方法，其特征在于：在步骤b中，具体包括：

b1、以控制环初始状态时的中心位置为零点，控制环的中轴线方向为z方向，按右手螺旋法则确立x方向和y方向，建立空间坐标系；控制环的中心位置为(0，0，N)，控制环的平面方程为z＝1，即控制环初始位置的平面法线方程为[0，0，N]，其中N为常数；

b2、根据各位置单元输出的信号，算出控制环移动后的各感应单元的实时坐标(x_n，y_n，z_n)，其中n为位置单元的数量；

b3、把控制环移动后的实时坐标(x_n，y_n，z_n)代入公式

得出各位置单元的法线方程[A_n，B_n，C_n]，再通过各位置单元的法线方程求出控制环的实际位置平面法线方程[A，B，C]；

b4、对比[0，0，N]与[A，B，C]，得出控制环移动后的实际位置，并根据该实际位置输出信号至机器人用于对机器人进行控制。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：在步骤b2中，具体包括：

b2’、设控制环的半径为R，感应单元的控制杆的长度为L，P＝R-L，则各感应单元的初始极坐标分别为：

b2”、感应单元分别包括第一电位器和第二电位器，根据各第一电位器的电压信号变化算出控制环在x方向的角度变化φ_jn，根据各第二电位器的电压信号变化算出控制环在y方向的角度变化φ_kn；

b2”’、根据公式

x_n＝a_n+Lsinφ_x；

y_n＝b_n+Lsinφ_x+cosφ_y；

Z_n＝c_n+Lsinφ_xsinφ_y；

算出各感应单元的实时坐标(x_n，y_n，z_n)；

在b5中，具体为由各感应单元的所算出的各[A_n，B_n，C_n]，根据最小二乘法可得到法线实时方程[A，B，C]。

8.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于：在步骤b2中还包括：b2””、若z₁，z₂，…，z_n均大于0，则判定控制环在z轴的正方向上具有平动运动，反之则控制环在z轴的反方向上具有平动运动；

在步骤b中还包括b7、设法线初始位置于x方向上的变化角度为θ_x，于y方向上的变化角度为θ_y，则

θ_x＝arcsinA；

根据θ_x和θ_y，可得出法线的位置变化剧烈程度，从而推断控制环的位置变化剧烈程度。

9.根据权利要求5所述控制方法，其特征在于：在步骤c中，具体包括：

c1、感应单元包括至少八个均匀分布在控制环的外壁的力传感器；

c2、设力传感器的坐标为(d_i，e_i)，控制环的半径为R，i为力传感器的标号，则根据公式

算出该力传感器的坐标；

c3、根据上述受力点信息，可得出力传感器的受力方向分别为：

c4、把所有力传感器的在x方向上受到的力和y方向上受到的力分别进行合成得到控制环分别在x方向上和y方向上的受力情况F_x和F_y，再把F_x和F_y进行合并获得圆环的受力状态，并根据该力的方向和大小算出控制环在xy平面内的移动距离。

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