CN110757463B - 一种机械手抓取力度控制方法及装置 - Google Patents

一种机械手抓取力度控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械手抓取力度控制方法及装置。控制方法为：振动激励源对机械手进行振动激励，使振动传感器获取初始时振动激励响应信号，并对其进行模态分析，获取初始固有模态参数；机械手触摸被抓取物体，使振动传感器接收到触摸时振动激励响应信号，并对其进行模态分析，获取机械手触摸模态参数；机械手加力夹紧被抓取物体，使振动传感器接收到加力时振动激励响应信号，并对其进行模态分析，获取机械手加力夹紧模态参数；循环执行上一步骤，并对相邻两次加力夹紧模态参数进行分析比较，直至机械手继续加力夹紧而机械手模态参数不再发生变化，得到机械手夹持模态参数。本发明具有结构方式多样，实施容易、制作加工容易的特点。

Description

一种机械手抓取力度控制方法及装置
技术领域
本发明涉及智能机械手领域，特别是一种机械手抓取力度控制方法及装置。
背景技术
机械手无损抓取物体时需要对夹持力度进行控制。传统的振动式触觉传感器的机械手在接触和夹持抓取物体过程时，其传感机理是被动振动式触觉，机械手控制单元根据被夹持物体是否滑动产生摩擦振动信号而确定是否增加机械手夹持力度。该传感机理典型的运行方式为：首先机械手进行抓握运动，使夹持器与被夹持物体表面接触，机械手上的振动式传感器检测得到一个接触脉冲信号后，机械手提起运动。如果机械手夹持力不足，被夹持物体滑动产生摩擦振动，振动式传感器检测到振动信号并输出到机械手控制单元，控制单元分析确定振动信号后增加夹持力度，启动机械手再次提起，再根据能否检测到振动信号分析判断是否继续增加夹持力度，此过程反复循环直至机械手夹持力足够大，被夹持物体不再滑动，最终完成物体力度控制抓取。
采用传统被动振动式触觉传感机理的机械手，抓取过程中采样连续性及信号稳定性差，获取接触和抓取过程信号时存在的主要问题有：机械手与物体的接触信号一般是一个瞬态脉冲信号，易受外界干扰和误判；进行力度控制抓取时，由于依靠机械手提起运动与被夹持物体产生摩擦，被动地产生和获取接触和滑动信号，一旦机械手运动不稳定或停止，滑动信号便随之不稳定或消失，影响接触和滑动信号的采样和处理及对机械手进行实时程序控制。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种机械手抓取力度控制方法及装置。本发明将机械手、被抓取物体与传感有机结合，构成一个变模态机械控制系统，其具有结构方式多样，以及实施容易、结构简单、材料选择范围广、制作加工容易的特点。
本发明的技术方案：一种机械手抓取力度控制方法，包括下述步骤：
a.振动激励源对机械手进行振动激励，同时将机械手与振动传感器耦合，使振动传感器获取初始时振动激励响应信号；
b.对初始时振动激励响应信号进行模态分析，获取和保存空载机械手初始固有模态参数；
c.机械手触摸被抓取物体，使振动传感器接收到触摸时振动激励响应信号，对触摸时振动激励响应信号进行模态分析，获取和保存机械手触摸模态参数；
d.机械手加力夹紧被抓取物体，使振动传感器接收到加力时振动激励响应信号，对加力时振动激励响应信号进行模态分析，获取和保存机械手加力夹紧模态参数；
e.循环执行步骤d，并对相邻两次加力夹紧模态参数进行分析比较，直至机械手继续加力夹紧而机械手模态参数不再发生变化，得到和保存机械手夹持模态参数；
f.机械手夹持模态参数所对应的夹持力度确保被抓取物体的稳固夹持。
前述的机械手抓取力度控制方法中，所述的模态分析进行前，先对相应的振动激励响应信号进行降噪滤波处理。
前述的机械手抓取力度控制方法中，模态分析与模态分析结果是力度控制抓取过程状态与力度控制抓取完成的判断标准。
前述的机械手抓取力度控制方法所用装置，包括均设置于机械手上的振动激励源和振动传感器，振动传感器与调理电路模块电连接，调理电路模块与模态分析模块电连接，模态分析模块与机械手夹持器驱动模块电连接；
所述的振动激励源，用于使机械手振动，产生振动激励响应信号；
所述的振动传感器，用于获取振动激励响应信号；
所述的调理电路模块，用于对振动激励响应信号降噪滤波；
所述的模态分析模块，用于识别提取振动激励响应信号中的模态参数，对模态参数的变化和差异进行分析比较；
所述的机械手夹持器驱动模块，用于根据模态分析模块输出的模态参数驱动机械手的夹持器。
前述的机械手抓取力度控制方法所用装置中，所述的振动激励源为机械式振动激励源或为电学式振动激励源。
前述的机械手抓取力度控制方法所用装置中，所述的机械式振动激励源包括锤击式、振弦式、往复式和/或旋转式的振动激励源；所述的电学式振动激励源包括压电换能式和/或电磁换能式的振动激励源。
前述的机械手抓取力度控制方法所用装置中，所述的振动传感器为机械式振动传感器或电学式振动传感器；所述的机械式振动传感器，包括压阻式/或振弦式；所述的电学式振动传感器，包括压电换能式和/或电磁换能式。
前述的机械手抓取力度控制方法所用装置中，所述的振动激励源的激励源振动特性为确定性振动和/或随机振动。
前述的机械手抓取力度控制方法所用装置中，所述的振动激励源设置于机械手的支撑座、机械臂或夹持器上。
前述的机械手抓取力度控制方法所用装置中，所述的振动传感器设置于机械手的支撑座、机械臂或夹持器上。
有益效果
与现有技术相比，本发明在机械手抓取物体过程中对机械手进行振动激励，并且连续检测机械手的振动激励响应信号，通过分析比较机械手模态参数变化，实现对机械手抓取全过程状态的不间断检测、比较和判断，完成力度控制抓取；通过该方法，由于振动激励响应信号是由振动激励源主动发出，其抗干扰能力强和误判率低，克服了传统被动振动式机械手抓取过程中会因抓取摩擦产生的瞬态脉冲信号不稳定而影响机械手的实时控制的情况。本发明的控制方法所用的装置将机械手，被抓取物体与传感有机结合，构成一个变模态机械控制系统，具有结构方式多样，以及实施容易等特点；特别是机械手没有运动时也能够连续检测机械手与被抓取物体的接触状态。具体地，本发明采用基于主动激励触觉传感与模态分析，进行机械手抓取力度控制，将机械手对物体的抓取过程分为两者从分离、接触、加力夹紧过渡到夹持合并的模态参数可变的机械手系统，通过检测机械手抓取过程中模态参数的变化来判断机械手抓取物体的状态。抓取过程中，机械手系统在空载，触摸，加力夹紧和夹持时分别具有不同的模态，只要确定了相应模态参数就可以确定机械手抓取物体的状态。通过机械手系统模态分析对抓取状态进行判断，不仅控制方法更加简单，而且误判率会大幅降低。
与传统的被动振动式机械手抓取相比，本发明的优势主要体现在以下几点：
①本发明采用的主动触觉传感，主要由振动激励源、机械手和振动传感器三部分构成，将振动传感器与调理电路模块连接，调理电路模块与模态分析模块连接；当机械手与被抓取物体相互作用时，机械手模态变化，相应的振动激励响应信号被振动传感器检测，经过调理电路模块进行信号调理，模态分析模块对模态参数识别提取和比较分析，判断确定与外部物体的接触状态，机械手夹持器驱动模块接收模态分析模块的输出信号，驱动机械手进行夹持运动，从而完成抓取过程。本发明的抓取过程无需依靠机械手提起运动产生滑动摩擦振动，因此对机械手结构精度要求不高，特别是力度控制程序简单，从而从整体上降低了机械手的研发实施成本。
②本发明采用的模态分析技术成熟可靠，模态参数识别提取和比较分析的应用方式多样方便，从而降低了设备的研发实施难度和研发实施周期；
③本发明采用主动激励触觉传感与模态分析，抓取过程中采样连续性及信号稳定性较好，特别是机械手没有运动时能够不间断检测机械手与被抓取物体的接触状态，从而降低了外界信号的干扰，提高了信号稳定性，最终降低了系统误判率。
④本发明的主动激励方式可以根据实际应用的场合环境，选用合适的激励方式和/或频率，配合带通滤波等，进一步有利于减少和/或避免外界干扰信号混淆和误判；实际应用环境存在各种外界干扰信号，典型的为噪音和振动，本发明可以针对其特性，采用合适的激励方式和/或频率，配合带通滤波等。如：对于高频环境噪音干扰选用较低的工作频率系统，而低频振动干扰则选用较高工作频率系统。该方式使得本发明的适用范围更广，适应性更强。
⑤本发明在感知接触物体的状态时，只需检测机械结构的模态变化，而对主动激励触觉传感的具体结构材料并无特殊要求，因此主动激励触觉传感机械手的材料选择范围广，实用性强；也更有利于降低设备材料成本。
⑥本发明采用主动激励触觉传感，振动激励源和振动传感器可根据实际需要在机械手的任意位置实施安装，其安装实施方式灵活，结构设计形式多样、制作加工简单。
⑦本发明可以同时选择和采用多种模态分析方法和技术，使用时可以针对性选择合适的技术，或采用多种模态参数识别分析技术混合方案，不仅提高传感器的可靠性，而且使用方便。
综上，本发明将机械手、被抓取物体与传感有机结合，构成一个变模态机械控制系统，其具有结构方式多样，以及实施容易、结构简单、材料选择范围广、制作加工容易的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是振动激励源和振动传感器均安装在机械手夹持器上的示意图；
图3是振动激励源和振动传感器分别安装在机械手夹持器和机械臂上的示意图；
图4是振动激励源和振动传感器分别安装在机械手夹持器和支撑座上的示意图；
图5是振动激励源和振动传感器均安装在机械手机械臂上的示意图；
图6是振动激励源和振动传感器安装在机械手机械臂和支撑座上的示意图；
图7是振动激励源和振动传感器均安装在机械手支撑座上的示意图。
附图标记：1-振动激励源，2-振动传感器，3-调理电路模块，4-模态分析模块，5-机械手夹持器驱动模块，6-机械手，61-夹持器，62-机械臂,63-支撑座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种机械手抓取力度控制方法,包括下述步骤：
a.振动激励源对机械手6进行振动激励，同时将机械手6与振动传感器耦合，使振动传感器获取初始时振动激励响应信号；
具体地，步骤a为：启动机械手6抓取控制程序，振动激励源对机械手6进行振动激励，产生与机械手6特性相关的振动激励响应信号，并且通过机械手6与振动传感器耦合，振动传感器获取初始时振动激励响应信号；
b.对初始时振动激励响应信号进行模态分析，获取和保存空载机械手6初始固有模态参数；
c.机械手6触摸被抓取物体，使振动传感器接收到触摸时振动激励响应信号，对触摸时振动激励响应信号进行模态分析，获取和保存机械手6触摸模态参数；步骤a、b完成后，机械手6触摸被抓取物体时，机械手6初始固有模态会发生相应变化，振动传感器接收到的振动激励响应信号随之变化，此时变化为触摸时振动激励响应信号，模态分析模块进行模态分析比较，获取和保存机械手6触摸模态参数；该触摸模态参数对应于机械手6触摸物体的状态；
d.机械手6加力夹紧被抓取物体，使振动传感器接收到加力时振动激励响应信号，对加力时振动激励响应信号进行模态分析，获取和保存机械手6加力夹紧模态参数；完成步骤c后，机械手夹持器驱动模块5驱动机械手6进行夹持运动，机械手6加力夹紧被抓取物体，此时机械手6触摸模态会发生相应变化，振动传感器接收到的振动激励响应信号随之变化，模态分析模块进行模态分析比较，获取和保存机械手6加力夹紧模态参数；该加力夹紧模态参数对应于机械手6加力夹紧物体过程的状态；
e.循环执行步骤d，并对相邻两次加力夹紧模态参数进行分析比较，直至机械手6继续加力夹紧而机械手6模态参数不再发生变化，得到和保存机械手6夹持模态参数；械手模态参数不再发生变化，此时机械手与被抓取物体紧密有机结合构成新的机械手稳定结构(即此时机械手与被抓取物体等效于一个整体)，此时的机械手6夹持模态参数对应于机械手6夹持物体的状态；
f.机械手6夹持模态参数所对应的夹持力度确保被抓取物体的稳固夹持。夹持模态参数作为力度控制抓取完成的判断标准，此时机械手6与被抓取物体有机结合构成新的机械手6稳定结构，机械手6夹持模态参数所对应的夹持力度确保被抓取物体的稳固夹持，机械手6抓取结束。
前述的模态分析进行前，根据选用的模态参数特性或信号特征，先对相应的振动激励响应信号进行降噪滤波处理。
上述步骤中，模态分析与模态分析结果是力度控制抓取过程状态与力度控制抓取完成的判断标准。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，其与结构的形状、约束形式、材料特性等有关；模态分析是对结构的固有振动特性分析，模态参数可以由计算或试验分析取得。计算或试验分析过程称为模态分析，这种分析用于确定结构的固有频率和振型。由于模态表示物体的固有特性，只需掌握相应物体的模态特性与变化即可感知接触物体的状态。
前述的机械手抓取力度控制方法所用装置，电连接结构构成如图1所示，包括均设置于机械手6上的振动激励源1和振动传感器2，振动传感器2与调理电路模块3电连接，调理电路模块3与模态分析模块4电连接，模态分析模块4与机械手夹持器驱动模块5电连接；
所述的振动激励源1，用于使机械手6振动，产生振动激励响应信号；
所述的振动传感器2，用于获取振动激励响应信号；
所述的调理电路模块3，用于对振动激励响应信号降噪滤波；
所述的模态分析模块4，用于识别提取振动激励响应信号中的模态参数，对模态参数的变化和差异进行分析比较；
所述的机械手夹持器驱动模块5，用于根据模态分析模块4输出的模态参数驱动机械手6的夹持器。
前述的振动激励源1为机械式振动激励源或为电学式振动激励源。
前述的机械式振动激励源包括锤击式、振弦式、往复式和/或旋转式的振动激励源；所述的电学式振动激励源包括压电换能式和/或电磁换能式的振动激励源。
前述的振动传感器2为机械式振动传感器或电学式振动传感器；所述的机械式振动传感器，包括压阻式/或振弦式；所述的电学式振动传感器，包括压电换能式和/或电磁换能式。
前述的振动激励源1的激励源振动特性为确定性振动和/或随机振动。
前述的振动激励源1设置于机械手6的支撑座63、机械臂62或夹持器61上。
前述的振动传感器2设置于机械手6的支撑座63、机械臂62或夹持器61上。
本发明的振动激励源1和振动传感器2设置位置灵活，可根据实际需要设置于机械手不同部位，参见图2-图7所示，下面挑选其中几种情况进行说明：
如图2所示，可将振动激励源1和振动传感器2均设置于夹持器61上；具体地，将振动激励源1和振动传感器2分别安装在夹持器61的两个夹持指上，振动激励源1发出的振动信号，通过夹持器夹持指副连接结构传递到振动传感器2；振动激励源1为压电式振动激励，振动传感器2采用压电式振动传感器；调理电路模块3由电荷放大器和带通滤波器组成；模态分析模块4采用谱密度分析技术；机械手夹持器驱动模块5根据频谱密度分布及变化确定机器人接触抓取物体的状态。
如图3所示，可将振动激励源1设置于夹持器61上，振动传感器2设置于机械臂62上；振动激励源1发出的振动信号，通过夹持器61和机械臂62连接结构传递到振动传感器2；振动激励源1为压电式振动激励，振动传感器2采用驻极体麦克风振动传感器；调理电路模块3由驻极体电容放大器和带通滤波器组成；模态分析模块4采用频域函数变换分析技术；机械手夹持器驱动模块5根据频率变化确定机器人接触物体状态。
如图5所示，可将振动激励源1和振动传感器2均设置于机械臂62上；振动激励源1发出的振动信号，通过机械臂结构件传递到振动传感器模块；振动激励源1为锤击式振动激励，振动传感器2采用驻极体麦克风振动传感器；调理电路模块3由驻极体电容放大器和带通滤波器组成；模态分析模块4采用时域传递函数分析技术；机械手夹持器驱动模块5振幅变化确定机器人接触物体状态。
由上述可知，本发明的主动激励方式可以根据实际应用的场合环境，选用合适的激励方式和/或频率。

Claims (7)

1.一种机械手抓取力度控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
a.振动激励源对机械手（6）进行振动激励，同时将机械手（6）与振动传感器耦合，使振动传感器获取初始时振动激励响应信号；
b.对初始时振动激励响应信号进行模态分析，获取和保存空载机械手（6）初始固有模态参数；
c.机械手（6）触摸被抓取物体，使振动传感器接收到触摸时振动激励响应信号，对触摸时振动激励响应信号进行模态分析，获取和保存机械手（6）触摸模态参数；
d.机械手（6）加力夹紧被抓取物体，使振动传感器接收到加力时振动激励响应信号，对加力时振动激励响应信号进行模态分析，获取和保存机械手（6）加力夹紧模态参数；
e.循环执行步骤d，并对相邻两次加力夹紧模态参数进行分析比较，直至机械手（6）继续加力夹紧而机械手（6）模态参数不再发生变化，得到和保存机械手（6）夹持模态参数；
f.机械手（6）夹持模态参数所对应的夹持力度确保被抓取物体的稳固夹持；
所述的机械手抓取力度控制方法所用装置，包括均设置于机械手（6）上的振动激励源（1）和振动传感器（2），振动传感器（2）与调理电路模块（3）电连接，调理电路模块（3）与模态分析模块（4）电连接，模态分析模块（4）与机械手夹持器驱动模块（5）电连接；
所述的振动激励源（1），用于使机械手（6）振动，产生振动激励响应信号；
所述的振动传感器（2），用于获取振动激励响应信号；
所述的调理电路模块（3），用于对振动激励响应信号降噪滤波；
所述的模态分析模块（4），用于识别提取振动激励响应信号中的模态参数，对模态参数的变化和差异进行分析比较；
所述的机械手夹持器驱动模块（5），用于根据模态分析模块（4）输出的模态参数驱动机械手（6）的夹持器；
所述的振动激励源（1）设置于机械手（6）的支撑座、机械臂或夹持器上；
所述的振动传感器（2）设置于机械手（6）的支撑座、机械臂或夹持器上。
2.根据权利要求1所述的机械手抓取力度控制方法，其特征在于，所述的模态分析进行前，先对相应的振动激励响应信号进行降噪滤波处理。
3.根据权利要求1所述的机械手抓取力度控制方法，其特征在于，控制方法中，模态分析与模态分析结果是力度控制抓取过程状态与力度控制抓取完成的判断标准。
4.根据权利要求1所述的机械手抓取力度控制方法，其特征在于，所述的振动激励源（1）为机械式振动激励源或为电学式振动激励源。
5.根据权利要求1所述的机械手抓取力度控制方法，其特征在于，所述的机械式振动激励源包括锤击式、振弦式、往复式和/或旋转式的振动激励源；所述的电学式振动激励源包括压电换能式和/或电磁换能式的振动激励源。
6.根据权利要求1所述的机械手抓取力度控制方法，其特征在于，所述的振动传感器（2）为机械式振动传感器或电学式振动传感器；所述的机械式振动传感器，包括压阻式/或振弦式；所述的电学式振动传感器，包括压电换能式和/或电磁换能式。
7.根据权利要求1所述的机械手抓取力度控制方法，其特征在于，所述的振动激励源（1）的激励源振动特性为确定性振动和/或随机振动。
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