CN112497236A - 一种智能力觉感知模组及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能力觉感知模组及其控制方法，智能力觉感知模组包括力觉感知模块和控制模块，所述力觉感知模块设在机械臂末端，用于实时检测外界施加的六维力觉信息，并将检测到的力觉信息反馈至控制模块；所述控制模块设在机械臂外部，用于接收到力觉感知模块发送的力觉信息并结合内部算法对数据进行处理，将力觉信息转换成力觉感知模块末端执行器的运动参数并控制机械臂进行相应的动作，实现人机协作功能。本发明力灵敏度和位置精度高，响应速度快，可以实现外部受力的快速反馈，控制模块提供系数可调的控制算法，帮助机械臂完成快速的外力意图的识别和运动的精确控制，能够实现人机交互友好的轨迹复现、阻抗运动等功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能力觉感知模组及其控制方法，属于协作机器人领域。
背景技术
在人机协作领域，针对机械臂的运动控制，市场现有的大多数机械臂厂商没有配置力觉感知相关传感器，一般采用电流环的方式对机械臂进行运动控制，降低了机器人对外界作用力的感知灵敏度，控制精度较低，而配置力觉传感器的生产厂商多将其运用于机械臂的拖动示教、恒力控制等简单功能，没有开发有关轨迹复现与阻抗控制相结合的功能，应用领域受到一定限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：完成机械臂对外力意图的识别和运动的精确控制，实现人机交互友好的轨迹复现和阻抗运动等功能。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种智能力觉感知模组，其特征在于：包括力觉感知模块和控制模块，所述力觉感知模块设在机械臂末端，用于实时检测外界施加的六维力觉信息，并将检测到的力觉信息反馈至控制模块；所述控制模块设在机械臂外部，用于接收到力觉感知模块发送的力觉信息并结合内部算法对数据进行处理，将力觉信息转换成力觉感知模块末端执行器的运动参数并控制机械臂进行相应的动作，实现人机协作功能。
优选地，所述力觉感知模块包括连接部、线槽、触控开关、手持末端、力觉感知传感器、外壳和灯带，所述连接部设在所述力觉感知模块模组顶端，用于连接待控制的机械臂的末端；所述线槽设在所述力觉感知模块侧面，用于力觉感知模块内部电线的排布；所述手持末端设在力觉感知模块底部用于外界施加六维作用力；所述触控开关设在所述手持末端表面用于打开或关闭智能力觉感知模组；所述力觉感知传感器位于所述手持末端上方，用于实时采集外界通过所述手持末端施加的六维作用力，力觉感知传感器设在外壳内；所述灯带设在外壳上用于实时展示智能力觉感知模组的工作状态。
优选地，所述连接部为法兰盘，所述法兰盘设在力觉感知模块的顶端。
优选地，所述手持末端连接有末端执行器，通过末端执行器和手持末端向力觉感知模块施加六维作用力。
优选地，所述手持末端底部设有用于安装末端执行器的螺纹孔。
优选地，所述控制模块包括工控机和力觉传感器采集卡，所述力觉传感器采集卡设在所述工控机内部，将所述力觉感知传感器采集的力觉信息转化为六维力数据，并传递到所述工控机；所述工控机提供上位机界面，用于所述智能力觉感知模组的系统控制，工控机内部包含力反馈控制算法和运动规划控制算法，能够实现快速精确的机械臂运动控制、轨迹复现和阻抗运动功能。
优选地，所述力觉传感器采集卡通过数据传输线获取力觉感知传感器的实时数据信息，转换为六维力数据后发送至工控机，工控机通过特定网络端口将数据发送至机械臂进行运动控制。
本发明的另一个技术方案是提供了一种智能力觉感知模组控制方法，其特征在于，应用于如上所述的一种智能力觉感知模组，包括如下步骤：
step1、系统安装：使用时首先将智能感知模组安装在机械臂末端，如需增加外部末端执行器，则将末端执行器安装在手持末端底部；
step2、系统开启：打开工控机中上位机界面，开启上位机系统，开始进行智能感知模组的系统控制和机械臂的运功控制；
step3、外力检测：使用者握住手持末端或外部末端执行器，通过触控开关打开力觉感知模组，此时灯带指示智能力觉感知模组为闲置状态，力觉感知模组将实时检测手持末端或外部末端执行器拖拽过程中外部施加的力觉信息，并反馈到控制模块；
step4、数据解析和运动控制：控制模块将接收到的力觉信息装换为六维力数据，与预期设定的力参考值进行比较，在符合参考值范围内的传感器力数据会按照一定的内部力反馈控制算法转换成机械臂执行的运动参数，形成检测-执行的闭环反馈，使机械臂按照拖拽外力所产生的运动趋势，做主动的柔顺运动，此时灯带指示智能力觉感知模组为工作状态，同时智能力觉感知模组通过工控机记录运动轨迹，机械臂依据记录的轨迹可实现轨迹复现和阻抗运动功能；
step5、功能控制：针对轨迹复现和阻抗运动功能，只需调整运动控制算法中力控相关参数，即可适应不同场景下的控制需求。
优选地，所述灯带通过颜色变化指示智能力觉感知模组的状态变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明智能力觉感知模组以人为引导主体，力传感器为媒介，力反馈控制算法和运动规划控制算法为技术核心，智能力觉感知模组的力灵敏度和位置精度高，响应速度快，可以实现外部受力的快速反馈，控制模块提供系数可调的控制算法，帮助机械臂完成快速的外力意图的识别和运动的精确控制，能够实现人机交互友好的轨迹复现、阻抗运动等功能，有利于提升协作机械臂在不同领域应用的准确性和灵活性，提高人机协作的交互性能，广泛适用于医疗辅助、人机协作等多种场合。
附图说明
图1为本发明提供的一种智能力觉感知模组力觉感知模块结构示意图；
图2为本发明提供的一种智能力觉感知模组力觉控制模块结构示意图；
图3为本发明提供的一种智能力觉感知模组控制方法的流程图；
图中：1-法兰盘，2-线槽，3-触控开关，4-手持末端，5-灯带，6-外壳，7-力觉感知传感器，8-工控机，9-力觉传感器采集卡(安装在工控机内部)。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1和2所示，本发明公开了一种智能力觉感知模组，旨在完成机械臂对外力意图的识别和运动的精确控制，实现人机交互友好的轨迹复现和阻抗运动等功能，包括力觉感知模块和控制模块。其中，力觉感知模块安装在机械臂末端，实时检测外界施加的六维力觉信息，并将其反馈至控制模块，控制模块接收到力觉信息后，结合内部算法对数据进行处理，将力觉信息转换成末端执行器的运动参数，实现交互友好的人机协作功能。
具体的，力觉感知模块包含法兰盘1、线槽2、触控开关3、手持末端4、灯带5、外壳6和力觉感知传感器7。法兰盘1位于力觉感知模块模组顶端，用于连接待控制的机械臂末端。线槽2固定在力觉感知模块侧面，用于内部电线的排布。手持末端4位于力觉感知模块底部，底端安装标准规格的螺纹孔，以安装其他类型的末端执行器。触控开关3固定在手持末端4表面，力觉感知传感器7位于手持末端4上方，能够实时采集外界通过手持末端4施加的作用力。外壳6将力觉感知传感器7包裹在内，起到保护和美化的作用。灯带5安装在外壳6上，使用时将实时展示智能力觉感知模组的工作状态。
具体的，控制模块包括工控机8和力觉传感器采集卡9，力觉传感器采集卡9位于工控机8内部，将力觉感知传感器7所采集的力觉信息转化为六维力数据，并传递到工控机8。工控机8提供上位机界面，用于智能力觉感知模组的系统控制，其内部包含力反馈控制算法和运动规划控制算法，能够实现快速精确的机械臂运动控制，实现轨迹复现、阻抗运动等功能。
具体的，系统数据传输包含力觉感知数据信息传输和机器人数据运动控制信息传输，其中，力觉感知模块通过法兰盘1安装在机械臂末端，力觉传感器采集卡9通过数据传输线获取力觉感知传感器7的实时数据信息，转换为六维力数据后发送至工控机8，工控机8通过特定网络端口将数据发送至机械臂进行运动控制。
如图3所示，本发明还提供一种智能力觉感知模组控制方法，完成对力意图的识别以及对运动的精确控制能够实现人机交互友好的精确的拖动轨迹复现、阻抗运动功能，其控制步骤为：
step1：系统安装：使用时首先将智能感知模组安装在机械臂末端，如需增加外部末端执行器，则将末端执行器安装在手持末端底部。
step2：系统开启：打开工控机中上位机界面，开启上位机系统，开始进行智能感知模组的系统控制和机械臂的运功控制。
step3：外力检测：使用者握住手持末端或外部末端执行器，通过触控开关打开力觉感知模组，此时灯带变为蓝色，指示智能力觉感知模组为闲置状态，力觉感知模组将实时检测拖拽过程中外部施加的力觉信息，并反馈到控制模块。
step4：数据解析和运动控制：控制模块将接收到的力觉信息装换为六维力数据，与预期设定的力参考值进行比较，在符合参考值范围内的传感器力数据会按照一定的内部力反馈控制算法转换成机械臂执行的运动参数，形成检测-执行的闭环反馈，使机械臂按照拖拽外力所产生的运动趋势，做主动的柔顺运动，此时灯带变为绿色，指示智能力觉感知模组为工作状态，同时智能力觉感知模组将记录运动轨迹，机械臂依据记录的轨迹可实现轨迹复现和阻抗运动等功能。
step5：功能控制：针对轨迹复现和阻抗运动等功能，只需调整运动控制算法中力控相关参数，即可适应不同场景下的控制需求，如在肢体康复应用时，可以根据记录示教的运动轨迹，针对用户的实际运动情况设置不同方向和大小的阻力、助力、阻抗等，以适应不同阶段的康复训练需求。
使用过程中，上位机提供实时的参数调试界面，实现机械臂与智能力觉感知模组间的灵活控制。
Claims (9)
1.一种智能力觉感知模组，其特征在于：包括力觉感知模块和控制模块，所述力觉感知模块设在机械臂末端，用于实时检测外界施加的六维力觉信息，并将检测到的力觉信息反馈至控制模块；所述控制模块设在机械臂外部，用于接收到力觉感知模块发送的力觉信息并结合内部算法对数据进行处理，将力觉信息转换成力觉感知模块末端执行器的运动参数并控制机械臂进行相应的动作，实现人机协作功能。
2.如权利要求1所述的一种智能力觉感知模组，其特征在于：所述力觉感知模块包括连接部、线槽(2)、触控开关(3)、手持末端(4)、力觉感知传感器(7)、外壳(6)和灯带(5)，所述连接部设在所述力觉感知模块模组顶端，用于连接待控制的机械臂的末端；所述线槽(2)设在所述力觉感知模块侧面，用于力觉感知模块内部电线的排布；所述手持末端(4)设在力觉感知模块底部用于外界施加六维作用力；所述触控开关(3)设在所述手持末端(4)表面用于打开或关闭智能力觉感知模组；所述力觉感知传感器(7)位于所述手持末端(4)上方，用于实时采集外界通过所述手持末端(4)施加的六维作用力，力觉感知传感器(7)设在外壳(6)内；所述灯带(5)设在外壳(6)上用于实时展示智能力觉感知模组的工作状态。
3.如权利要求2所述的一种智能力觉感知模组，其特征在于：所述连接部为法兰盘(1)，所述法兰盘(1)设在力觉感知模块的顶端。
4.如权利要求2所述的一种智能力觉感知模组，其特征在于：所述手持末端(4)连接有末端执行器，通过末端执行器和手持末端(4)向力觉感知模块施加六维作用力。
5.如权利要求4所述的一种智能力觉感知模组，其特征在于：所述手持末端(4)底部设有用于安装末端执行器的螺纹孔。
6.如权利要求1所述的一种智能力觉感知模组，其特征在于：所述控制模块包括工控机(8)和力觉传感器采集卡(9)，所述力觉传感器采集卡(9)设在所述工控机(8)内部，将所述力觉感知传感器(7)采集的力觉信息转化为六维力数据，并传递到所述工控机(8)；所述工控机(8)提供上位机界面，用于所述智能力觉感知模组的系统控制，工控机(8)内部包含力反馈控制算法和运动规划控制算法，能够实现快速精确的机械臂运动控制、轨迹复现和阻抗运动功能。
7.如权利要求5所述的一种智能力觉感知模组，其特征在于：所述力觉传感器采集卡(9)通过数据传输线获取力觉感知传感器(7)的实时数据信息，转换为六维力数据后发送至工控机(8)，工控机(8)通过特定网络端口将数据发送至机械臂进行运动控制。
8.一种智能力觉感知模组控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任意一项所述的一种智能力觉感知模组，包括如下步骤：
step1、系统安装：使用时首先将智能感知模组安装在机械臂末端，如需增加外部末端执行器，则将末端执行器安装在手持末端(4)底部；
step2、系统开启：打开工控机(8)中上位机界面，开启上位机系统，开始进行智能感知模组的系统控制和机械臂的运功控制；
step3、外力检测：使用者握住手持末端(4)或外部末端执行器，通过触控开关(3)打开力觉感知模组，此时灯带(5)指示智能力觉感知模组为闲置状态，力觉感知模组将实时检测手持末端(4)或外部末端执行器拖拽过程中外部施加的力觉信息，并反馈到控制模块；
step4、数据解析和运动控制：控制模块将接收到的力觉信息装换为六维力数据，与预期设定的力参考值进行比较，在符合参考值范围内的传感器力数据会按照一定的内部力反馈控制算法转换成机械臂执行的运动参数，形成检测-执行的闭环反馈，使机械臂按照拖拽外力所产生的运动趋势，做主动的柔顺运动，此时灯带(5)指示智能力觉感知模组为工作状态，同时智能力觉感知模组通过工控机(8)记录运动轨迹，机械臂依据记录的轨迹可实现轨迹复现和阻抗运动功能；
step5、功能控制：针对轨迹复现和阻抗运动功能，只需调整运动控制算法中力控相关参数，即可适应不同场景下的控制需求。
9.如权利要求8所述的一种智能力觉感知模组控制方法，其特征在于：所述灯带(5)通过颜色变化指示智能力觉感知模组的状态变化。
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