CN114619442A - 一种多关节手指的机械手的控制方法及其系统 - Google Patents

一种多关节手指的机械手的控制方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械手技术领域，特别涉及一种多关节手指的机械手的控制方法及其系统；本发明通过位置闭环控制和力闭环控制，从而达到精准到达指定位置并且进行精准抓取，不易掉落，其不但可以增强机械手的适应能力，而且可以提高其控制精度，满足多任务的要求，其具备良好的平滑性和控制精度，其功能性与场景适应能力强。

Description

一种多关节手指的机械手的控制方法及其系统
技术领域
本发明涉及机械手技术领域，特别涉及一种多关节手指的机械手的控制方法及其系统。
背景技术
随着社会的发展和科技的进步，机器人作业环境和任务的精细及复杂化程度也变得越来越高，普通机器人以及与其配置的末端执行器已远远不能满足航天工业、深海作业、核工业技术以及其它柔性生产线上各种灵巧和精细操作任务的要求。
目前来看，传统的专用夹持器具有制造简单、控制方便、负载能力强等特点，但是仅对少量特定形状的物体适用，功能单一，并且拓展性差、适应能力差、配套要求高。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供了一种多关节手指的机械手的控制方法，通过位置闭环控制和力闭环控制，从而达到精准到达指定位置并且进行精准抓取，不易掉落，其不但可以增强机械手的适应能力，而且可以提高其控制精度，满足多任务的要求，其具备良好的平滑性和控制精度，其功能性与场景适应能力强；还提供了一种多关节手指的机械手的控制系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多关节手指的机械手的控制方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、上位机发送需到达的指定位置的控制指令；
步骤S2、控制板卡单元接收上位机发送的需到达的指定位置的控制指令，从而控制驱动板卡单元和绝对值编码器单元工作，驱动板卡单元驱动手腕关节电机工作，手腕关节电机加速运动，同时驱动板卡单元判断手腕关节电机是否达到恒速设定值，如果达到，则手腕关节电机开始恒速运动，如果未达到，则继续加速；然后绝对值编码器单元判断指定位置角度与当前位置角度的差值F1(x)是否接近设定的停止角F(x)，如果是，则表示手腕关节即将达到指定位置，控制板卡单元发送减速指令；
步骤S3、上位机发送抓取物体的抓取命令；
步骤S4、控制板卡单元接收上位机发送抓取物体的抓取命令，从而控制驱动板卡单元和应变片板卡单元工作，驱动板卡单元驱动手指关节电机工作，手指关节电机加速运动，同时应变片板卡单元判断当前手指的抓取力F1是否大于设定抓取力F的30％～40％，如果是，则表示手指已经接触到物体，控制板卡单元发送减速指令；应变片板卡单元判断当前手指的抓取力F1是否达到设定抓取力F的95％，如果是，则控制板卡单元发送零速度命令，此时抓取物体成功。
作为本发明的一种改进，在物体被抓取成功后，应变片板卡单元要对当前手指的抓取力F1进行循环判断，判断当前手指的抓取力F1是否小于物体的掉落力F2，如果是，则表示物体掉落，发送报警信号。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2内，当控制板卡单元发送减速指令时，手腕关节电机进行减速运动，驱动板卡单元判断手腕关节电机此时速度是否小于或等于500rpm，如果是，则控制手腕关节电机做低速运动。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，手腕关节电机做低速运动时，当手腕关节距离目标小于0.1°时，控制板卡单元发送零速度指令，手腕关节电机停止工作，此时手腕关节达到指定位置。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，绝对值编码器单元判断指定位置角度与当前位置角度的差值F1(x)是否接近设定的停止角F(x)为指定位置角度与当前位置角度的差值F1(x)是否小于停止角F(x)加1°之和。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S4内，手指在减速运动到停止之间还存在一个手指的低速运动阶段：应变片板卡单元还需判断当前手指的抓取力F1是否达到设定抓取力F的80％～90％，如果是，则表示手指已经抓取到物体，控制板卡单元发送低速运动命令，让手指抓紧物体。
一种多关节手指的机械手的控制系统，其中，包括：
控制板卡单元，用于接收上位机发送的指令；
驱动板卡单元，用于接收控制板卡单元发送的指令且驱动手腕关节电机和手指关节电机运动；
绝对值编码器单元，用于接收控制板卡单元发送的指令且将手指和手腕关节的旋转角度数据反馈给控制板卡单元；
应变片板卡单元，用于接收控制板卡单元发送的指令且将手指的受力数据反馈给控制板卡单元。
作为本发明的一种改进，所述上位机通过CAN通信接口给所述控制板卡单元发送指令。
作为本发明的进一步改进，所述控制板卡单元通过CAN总线分别与所述驱动板卡单元、绝对值编码器单元和应变片板卡单元连接。
作为本发明的更进一步改进，所述驱动板卡单元通过PWM方式对手指关节电机和手腕关节电机进行驱动。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过位置闭环控制和力闭环控制，从而达到精准到达指定位置并且进行精准抓取，不易掉落，其不但可以增强机械手的适应能力，而且可以提高其控制精度，满足多任务的要求，其具备良好的平滑性和控制精度，其功能性与场景适应能力强。
附图说明
图1为本发明的多关节手指的机械手的控制方法的步骤框图；
图2为本发明的多关节手指的机械手的控制方法的步骤S2的具体流程框图；
图3为本发明的多关节手指的机械手的控制方法的步骤S4的具体流程框图；
图4为本发明的多关节手指的机械手的控制系统的连接框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1至图3，本发明的一种多关节手指的机械手的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1、上位机发送需到达的指定位置的控制指令；
步骤S2、控制板卡单元接收上位机发送的需到达的指定位置的控制指令，从而控制驱动板卡单元和绝对值编码器单元工作，驱动板卡单元驱动手腕关节电机工作，手腕关节电机加速运动，同时驱动板卡单元判断手腕关节电机是否达到恒速设定值，如果达到，则手腕关节电机开始恒速运动，如果未达到，则继续加速；然后绝对值编码器单元判断指定位置角度与当前位置角度的差值F1(x)是否接近设定的停止角F(x)，如果是，则表示手腕关节即将达到指定位置，控制板卡单元发送减速指令；
步骤S3、上位机发送抓取物体的抓取命令；
步骤S4、控制板卡单元接收上位机发送抓取物体的抓取命令，从而控制驱动板卡单元和应变片板卡单元工作，驱动板卡单元驱动手指关节电机工作，手指关节电机加速运动，同时应变片板卡单元判断当前手指的抓取力F1是否大于设定抓取力F的30％～40％，如果是，则表示手指已经接触到物体，控制板卡单元发送减速指令；应变片板卡单元判断当前手指的抓取力F1是否达到设定抓取力F的95％，如果是，则控制板卡单元发送零速度命令，此时抓取物体成功。
本发明通过位置闭环控制和力闭环控制，从而达到精准到达指定位置并且进行精准抓取，不易掉落，其不但可以增强机械手的适应能力，而且可以提高其控制精度，满足多任务的要求，其具备良好的平滑性和控制精度，其功能性与场景适应能力强。
在本发明内，为了防止掉落，在物体被抓取成功后，应变片板卡单元要对当前手指的抓取力F1进行循环判断，判断当前手指的抓取力F1是否小于物体的掉落力F2，如果是，则表示物体掉落，发送报警信号。
在本发明内，上位机通过CAN通信接口给控制板卡单元发送指令，控制板卡单元采用DSP作为主控芯片，驱动板卡单元通过PWM方式对手指关节电机和手腕关节电机进行驱动，控制板卡单元通过CAN通信控制驱动板卡；绝对值编码器板卡单元通过SPI将手指和手腕关节的旋转角度数据反馈给控制板卡单元，实现位置闭环控制。
在本发明中，对运动进行采用设定两种运动规划方式，分别为梯形速度运动方式和三角形速度运动方式；梯形速度运动方式，具体地讲，手指运动速度变化采用恒加速和恒减速的过渡方式，首先从初始速度按照设定的加速度加速，直到速度加速到设定的最大匀速速度，然后保持匀速运动，当达到减速点时，手指按照设定加速度进行减速直到停止。如果设定的位移较小，那么在手指未达到最大速度时，就需要减速，这种情况下采用三角形速度运动方式，三角形速度运动方式，具体地讲，进行加速，达到设定的值后，直接进行减速运动；比如，我们设定智能机械手末端编码器线数为4096，电机编码器线数为2048，二者的运动关系为1∶80，电机到末端的减速比为175∶1，所以通过以上数据可以得出电机转速和关节转速的关系，当电机转速为500rpm时，关节转速为0.0171°/ms，当电机转速为5000rpm时，关节转速为0.171°/ms，则电机停止角和电机转速对应的关系式为：
F(x)＝-1.2215x3×10-10+1.4712x2×10-6-1.6012x×10-3+0.4841；其中，F(x)为电机停止角，x为电机转速。
在本发明内进行机械手的运动分析：应变片板卡单元通过对智能机械手的运动状态进行分析，一共可以得到四个状态，未执行动作状态、动作正在执行状态、到达目标指定位置但未检测到夹持物体状态和未到达目标指定位置但检测到夹持物体状态；在使用过程中对智能机械手有两种操作，其一是让机械手运动到指定位置，其二是让机械手抓取物体；第一种情况下，通过绝对值编码器板卡单元，执行位置闭环可实现，因为机械手在运动过程中，控制板卡单元采集绝对值编码器板卡单元的实时位置信息，根据具体的位置，执行梯形速度运动方式，保证在0.1°的精度控制范围内，到达设定位置；第二种情况下，通过应变片板卡单元，执行力闭环可实现，因为在执行抓取物体过程中，设定的抓取角度要大于抓取物体时的实际角度，这样才能保证物体能够被手指抓紧，基于这种情况下，就不能采用位置闭环进行判断，控制板卡单元应采用力闭环控制，主控板卡单元采集应变片板卡单元的实时力信息，根据力的大小，执行三角形速度运动方式，保证物体被机械手抓紧，同时该机械手具备掉落感知功能，当夹持的物体掉落后，会发送报警信号，将手指受力数据反馈给控制板卡，实现力闭环控制。
在本发明内，在步骤S2内，绝对值编码器单元判断指定位置角度与当前位置角度的差值F1(x)是否接近设定的停止角F(x)为指定位置角度与当前位置角度的差值F1(x)是否小于停止角F(x)加1°之和。
在本发明内，在步骤S2内，当控制板卡单元发送减速指令时，手腕关节电机进行减速运动，驱动板卡单元判断手腕关节电机此时速度是否小于或等于500rpm，如果是，则控制手腕关节电机做低速运动。
进一步，手腕关节电机做低速运动时，当手腕关节距离目标小于0.1°时，控制板卡单元发送零速度指令，手腕关节电机停止工作，此时手腕关节达到指定位置。
在本发明内，在步骤S4内，手指在减速运动到停止之间还存在一个手指的低速运动阶段：应变片板卡单元还需判断当前手指的抓取力F1是否达到设定抓取力F的80％～90％，如果是，则表示手指已经抓取到物体，控制板卡单元发送低速运动命令，让手指抓紧物体。
具体地讲，如图2所示，在步骤S1和步骤S2内，上位机发送位置指令，机械手运动到指定位置，其中，F(x)为停止角，F1(x)为手指目标位置角度与当前位置角度的差值；首先，控制板卡单元指示手腕关节电机加速运动，此时判断手腕关节电机速度是否达到设定值，如果是，则手腕关节电机开始恒速运动，然后判断F1(x)是否小于F(x)+1°，如果是，代表手腕关节即将达到设定位置，控制板卡单元发送减速命令，再判断此时速度是否小于等于500rpm，如果是，则命令手腕关节电机做低速运动，当手腕关节距离目标小于0.1°时，控制板卡单元发送零速度指令，此时手腕关节达到目标位置，并且精度在0.1°范围之内。
如图3所示，在步骤S3和步骤S4内，上位机发送抓取物体指令，机械手进行物体抓取，其中F为设定的抓取力，F1为当前手指的抓取力，F2为判断物体的掉落力；首先，控制板卡单元指示手指关节电机加速运动，此时判断手指关节电机速度是否达到设定值，如果是，则手指关节电机开始恒速运动，然后判断F1是否大于设定抓取力的30％，如果是，则代表手指已经接触到物体，控制板卡单元发送减速命令，再判断F1是否达到设定抓取力的90％，如果是，则代表手指已经抓取到物体，控制板卡单元发送低速命令，此时让手指尽量抓紧物体，继续判断手指的力是否达到抓取力的95％，如果是，则发送零速度命令，此时抓取物体成功；在物体抓取成功后，要对手指的力进行循环判断，是否小于F2，如果是，则代表物体掉落，发送报警信号。
如图4所示，一种多关节手指的机械手的控制系统，其中，包括：
控制板卡单元，用于接收上位机发送的指令；
驱动板卡单元，用于接收控制板卡单元发送的指令且驱动手腕关节电机和手指关节电机运动；
绝对值编码器单元，用于接收控制板卡单元发送的指令且将手指和手腕关节的旋转角度数据反馈给控制板卡单元；
应变片板卡单元，用于接收控制板卡单元发送的指令且将手指的受力数据反馈给控制板卡单元。
所述上位机通过CAN通信接口给所述控制板卡单元发送指令。
其中，控制板卡单元通过CAN总线分别与驱动板卡单元、绝对值编码器单元和应变片板卡单元连接；驱动板卡单元通过PWM方式对手指电机和手腕关节电机进行驱动。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多关节手指的机械手的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、上位机发送需到达的指定位置的控制指令；
步骤S2、控制板卡单元接收上位机发送的需到达的指定位置的控制指令，以控制驱动板卡单元和绝对值编码器单元工作，驱动板卡单元驱动手腕关节电机工作，手腕关节电机加速运动，同时驱动板卡单元判断手腕关节电机是否达到恒速设定值，如果达到，则手腕关节电机开始恒速运动，如果未达到，则继续加速；然后绝对值编码器单元判断指定位置角度与当前位置角度的差值F1(x)是否接近设定的停止角F(x)，如果是，则表示手腕关节即将达到指定位置，控制板卡单元发送减速指令；
步骤S3、上位机发送抓取物体的抓取命令；
步骤S4、控制板卡单元接收上位机发送抓取物体的抓取命令，从而控制驱动板卡单元和应变片板卡单元工作，驱动板卡单元驱动手指关节电机工作，手指关节电机加速运动，同时应变片板卡单元判断当前手指的抓取力F1是否大于设定抓取力F的30％～40％，如果是，则表示手指已经接触到物体，控制板卡单元发送减速指令；应变片板卡单元判断当前手指的抓取力F1是否达到设定抓取力F的95％，如果是，则控制板卡单元发送零速度命令，此时抓取物体成功。
2.根据权利要求1所述的一种多关节手指的机械手的控制方法，其特征在于，在物体被抓取成功后，应变片板卡单元要对当前手指的抓取力F1进行循环判断，判断当前手指的抓取力F1是否小于物体的掉落力F2，如果是，则表示物体掉落，发送报警信号。
3.根据权利要求1所述的一种多关节手指的机械手的控制方法，其特征在于，在步骤S2内，当控制板卡单元发送减速指令时，手腕关节电机进行减速运动，驱动板卡单元判断手腕关节电机此时速度是否小于或等于500rpm，如果是，则控制手腕关节电机做低速运动。
4.根据权利要求3所述的一种多关节手指的机械手的控制方法，其特征在于，在步骤S2内，手腕关节电机做低速运动时，当手腕关节距离目标小于0.1°时，控制板卡单元发送零速度指令，手腕关节电机停止工作，此时手腕关节达到指定位置。
5.根据权利要求1所述的一种多关节手指的机械手的控制方法，其特征在于，在步骤S2内，绝对值编码器单元判断指定位置角度与当前位置角度的差值F1(x)是否接近设定的停止角F(x)为指定位置角度与当前位置角度的差值F1(x)是否小于停止角F(x)加1°之和。
6.根据权利要求1所述的一种多关节手指的机械手的控制方法，其特征在于，在步骤S4内，手指在减速运动到停止之间还存在一个手指的低速运动阶段：应变片板卡单元还需判断当前手指的抓取力F1是否达到设定抓取力F的80％～90％，如果是，则表示手指已经抓取到物体，控制板卡单元发送低速运动命令，让手指抓紧物体。
7.一种多关节手指的机械手的控制系统，其特征在于，包括：
控制板卡单元，用于接收上位机发送的指令；
驱动板卡单元，用于接收所述控制板卡单元发送的指令且驱动手腕关节电机和手指关节电机运动；
绝对值编码器单元，用于接收所述控制板卡单元发送的指令且将手指和手腕关节的旋转角度数据反馈给所述控制板卡单元；
应变片板卡单元，用于接收所述控制板卡单元发送的指令且将手指的受力数据反馈给所述控制板卡单元。
8.根据权利要求7所述的一种多关节手指的机械手的控制系统，其特征在于，所述上位机通过CAN通信接口给所述控制板卡单元发送指令。
9.根据权利要求7所述的一种多关节手指的机械手的控制系统，其特征在于，所述控制板卡单元通过CAN总线分别与所述驱动板卡单元、绝对值编码器单元和应变片板卡单元连接。
10.根据权利要求7所述的一种多关节手指的机械手的控制系统，其特征在于，所述驱动板卡单元通过PWM方式对手指关节电机和手腕关节电机进行驱动。
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