CN114714327A - 一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 - Google Patents
一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114714327A CN114714327A CN202210248880.9A CN202210248880A CN114714327A CN 114714327 A CN114714327 A CN 114714327A CN 202210248880 A CN202210248880 A CN 202210248880A CN 114714327 A CN114714327 A CN 114714327A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mechanical arm
- dexterous hand
- wrist
- joint
- freedom
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J17/00—Joints
- B25J17/02—Wrist joints
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1612—Programme controls characterised by the hand, wrist, grip control
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
Abstract
本发明涉及一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法,所述融合系统包括一条四自由度机械臂、一个灵巧手手腕和一个灵巧手,灵巧手手腕为单关节空间正交双自由度手腕,灵巧手手腕安装在四自由度机械臂的末端,灵巧手手掌安装在灵巧手手腕上。运动控制方法中,将四自由度机械臂与灵巧手融合系统看作一个六轴串联机械臂,根据关节角度可以通过正运动学方法求得灵巧手手腕末端的位置姿态;根据灵巧手手腕末端的位置姿态通过逆运动学数值求解方法求得关节角度,进而获得控制指令。本发明设计了正交双自由度灵巧手的手腕,采用了机械臂与灵巧手手腕相结合的六自由度串并联机构,来进行机械臂与灵巧手的融合控制,并给出了逆运动学数值解求解方法。
Description
技术领域
本发明属于机器人运动控制领域,涉及一种四自由度机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法。
背景技术
作为机器人与环境相互作用的执行部件,大抓握力多自由度全驱动仿人灵巧手对机器人智能化水平的提高具有非常重要的作用。单纯有了仿人灵巧手,仍然不能独立的完成精细操作任务,而需要机械臂作为灵巧手的载体,因此机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法是实现机器人智能化和灵巧操作的关键技术。
国内大抓握力多自由度全驱动仿人灵巧手的研制水平尚处于起步阶段,现有的产品多为单自由度的手爪或六自由度、十二自由度的欠驱动的灵巧手,并不能完全模仿人手进行精细操作。
目前国内外流行的臂手结合的方式是六、七自由度机械臂加末端手爪或者六自由度、十二自由度灵巧手,在这种结合方式下,机械臂与灵巧手都是单独控制,并没有实现联合控制,也没有臂手融合控制。
目前现有的机械臂与手爪的结合中往往没有手腕这个环节或者采用机械臂的关节来代替手腕的功能,既不美观也不实用;传统技术中没有正交双自由度手腕的控制方法;对于四自由度机械臂与灵巧手手腕这种四自由度加双自由度串并联融合系统并没有很好的控制方法;四自由度机械臂与灵巧手手腕可以近似看作六自由度机械臂,然而这种臂型末端三轴不正交,不存在解析解。
如何提供一种四自由度机械臂与灵巧手手腕的融合系统及运动控制方法是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提出一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法。
本发明解决技术的方案是:
一种机械臂与灵巧手的融合系统,包括一条四自由度机械臂、一个灵巧手手腕和一个灵巧手,灵巧手手腕安装在四自由度机械臂的末端,灵巧手手掌安装在灵巧手手腕上;灵巧手手腕和四自由度机械臂通过电子线路连接。
优选的,灵巧手手腕是一个两自由度并联机构,包括两台电机、两根推杆和两台伺服位置控制器;
两台伺服位置控制器分别为主动伺服位置控制器和从动伺服位置控制器,两台电机包括第一电机和第二电机,两根推杆包括第一推杆和第二推杆,主动伺服位置控制器用于驱动第一电机运动,第一电机运动带动第一推杆运动,从动伺服位置控制器用于驱动第二电机运动,第二电机运动带动第二推杆运动;第一推杆的末端和第二推杆的末端同时与灵巧手手掌连接。
优选的,两台电机采用同步差动控制方式,两台电机驱动两根推杆运动,实现灵巧手的俯仰运动和偏航转动。
当两根推杆同向运动时灵巧手进行俯仰运动,俯仰角度范围为-70度—70度;当两根推杆反向运动运动时灵巧手进行偏航转动,偏航角度范围为-45度—45度。
一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法,包括:
将四自由度机械臂与灵巧手融合系统看作一个六轴串联机械臂,以四自由度机械臂基座中心为原点,使用D-H方法建立机械臂坐标系,并给出机械臂各关节及连杆的D-H参数;
根据四自由度机械臂的关节角度θ1、θ2、θ3、θ4和灵巧手手腕的关节角度θ5、θ6,通过四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统的正运动学方法,求得灵巧手手腕末端的位置姿态矩阵实现对融合系统正向运动控制;R表示灵巧手手腕末端的旋转矩阵,P表示灵巧手手腕末端的位置矩阵;
若已知灵巧手手腕末端位置姿态通过四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统的逆运动学数值求解方法,求得融合系统的关节角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6,根据关节角度获得控制指令,发送给伺服位置控制器,以驱动灵巧手手腕末端达到预定的位置姿态。
其中,dj为第j个关节与第j-1个关节的连杆距离,j=2,3,4,5;ap为第p个关节的连杆长度,p=2;
si为第i个关节角度正弦,ci为第i个关节角度余弦,i=1,2,3,4,5,6。
si=sinθi,ci=cosθi。
优选的,关节角度θ6采用迭代方式求数值解。
θ6的第k+1次迭代公式如下:
θ6(k+1)为θ6的第k+1次迭代结果,θ6(k)为θ6的第k次迭代结果,θ6(k-1)为θ6的第k-1次迭代结果,f(θ6(k+1))为θ6(k+1)处的逆运动学公式,f(θ6(k))为θ6(k)处的逆运动学公式,f(θ6(k-1))为θ6(k-1)处的逆运动学公式。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明设计了一种正交双自由度灵巧手的手腕,仅占用单关节的空间,通过冗余双电机同步差动控制,有效保证了可靠性。
(2)本发明采用了四自由度机械臂与灵巧手双自由度手腕相结合的六自由度串并联机构,来进行机械臂与灵巧手的融合控制,四自由度机械臂与灵巧手腕部两关节组成的六自由度臂型不满足末端三轴交于一点,没有逆运动学解析解,只有数值解,因此设计了一种基于这种臂型的逆运动学数值求解方法,适用于所有串联机械臂数值解求解。
(3)本发明将灵巧手腕部两个耦合关节进行解耦,将其视为两个独立的机械臂关节,关节5,关节6,这样通过本发明的控制方法就将灵巧手手腕复杂并联机构能够与机械臂融合起来按照六自由度串联机械臂的控制方法进行控制。
(4)本发明中四自由度机械臂与灵巧手双自由度手腕相结合的六自由度串并联机构,具有多自由度冗余,这样就可以让机械臂不用大范围运动,即可以实现五指灵巧手的转动。
附图说明
图1为灵巧手手腕部分控制示意图;
图2为单关节空间正交双自由度集成的手腕;
图3为四自由度机械臂与灵巧手双自由度手腕相结合的构型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明在不修改灵巧手的前提下,设计一种既美观又实用的机械臂与灵巧手融合系统,节约研发成本,缩短研发周期;同时提出一种逆运动学数值解求解方法,实现一种机械臂与灵巧手融合系统的运动控制。
一种机械臂与灵巧手的融合系统如图3所示,包括一条四自由度机械臂、一个灵巧手手腕(单关节空间正交双自由度集成的手腕)和一个灵巧手。灵巧手双自由度的手腕安装在四自由度机械臂的末端,两者通过电子线路连接,进行通信和供电。灵巧手手掌安装在灵巧手手腕上。一种四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统的运动控制方法,包括单关节空间正交双自由度集成手腕的控制方法、机械臂与灵巧手的融合系统正运动学方法、机械臂与灵巧手的融合系统逆运动学方法。
本发明单关节空间正交双自由度集成的手腕,如图2所示,采用双电机m1、m2同步差动控制。使用双电机推动双推杆L1、L2实现灵巧手的俯仰运动和偏航转动,当双推杆L1、L2同向运动时灵巧手进行俯仰运动,此时可以将手腕看作关节J1,关节J1的俯仰角度范围为-70度—70度;当双推杆L1、L2反向运动运动时灵巧手进行偏航转动,此时可以将手腕看作关节J2,关节J2的偏航角度范围为-45度—45度。双电机中其中一个电机m1由伺服位置控制器A(主动)驱动,另一个电机m2由伺服位置控制器B(从动)驱动。
灵巧手双自由度手腕控制方法如图1所示,输入灵巧手的目标位置,融合系统通过控制律计算控制指令,将控制指令发送给伺服位置控制器A(主动)和伺服位置控制器B(从动),伺服控制器再将伺服控制指令结合负载传动比KA、KB,得到对应电机的驱动指令。关节实际位置通过位置传感器之后通过积分器运算将结果反馈给融合系统,从而实现大闭环控制。
一种四自由度机械臂与灵巧手双自由度手腕融合系统的运动控制方法,步骤如下:
(1)将四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统看作一个六轴串联机械臂。以机械臂基座中心为原点,使用D-H方法建立坐标系,并列出各连杆和关节的D-H参数,其中关节的D-H参数包括四自由度机械臂的关节角度θ1、θ2、θ3、θ4,灵巧手手腕的关节角度θ5、θ6。
(2)根据已知的四自由度机械臂的关节角度θ1、θ2、θ3、θ4和手腕的关节角度θ5、θ6,通过四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统的正运动学方法,求得灵巧手手腕末端的位置姿态从而实现对系统正向运动控制。R表示灵巧手手腕末端的旋转矩阵,P表示灵巧手手腕末端的位置矩阵。
四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统各坐标系之间的变换矩阵分别为:
dj为第j个关节与第j-1个关节的连杆距离,j=2,3,4,5;ap为第p个关节的连杆长度,p=2;
si为第i个关节角度正弦,ci为第i个关节角度余弦,i=1,2,3,4,5,6。si=sinθi,ci=cosθi,θi为第i个关节角度。
第1个关节角度范围为-90°<θ1<90°。第2个关节角度范围为0°<θ2<90°。第3个关节角度范围为-120°<θ3<0°。第4个关节角度范围为0°<θ4<180°。第5个关节角度范围为-70°<θ5<70°。第6个关节角度范围为-45°<θ6<45°。
(3)根据已知的系统末端位置姿态由于系统末端三轴不正交,不存在解析解,通过四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统的逆运动学数值解方法,求得系统的关节角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6,从而实现对系统反向运动控制。
通过机器人逆运动学求解可得θ1、θ2、θ3、θ4、θ5,而θ6无法求得解析解,因此只能求数值解。
从本质上讲,数值解是猜测和迭代,直到错误足够小,或者直到认为放弃。本方法中采用常见的牛顿--拉夫逊算法,因为它在概念上简单并且如果初始猜测与解“足够接近”时具有二次收敛速率。Newton迭代法需要计算f(x)在xk处的一阶导数,对复杂的函数,特别是多元隐函数,求导数或偏导数是相对繁琐和复杂的,采用近似计算的割线法,公式如下:
但是,不能保证算法会收敛或足够快地满足应用要求,并且只返回一个解决方案。为了针对各种可能的姿势产生解决方案,必须使用不同的初始条件。
因此,本发明中,第k+1次关节角度θ6的求解公式如下:
θ6(k+1)为θ6的第k+1次迭代结果,θ6(k)为θ6的第k次迭代结果,θ6(k-1)为θ6的第k-1次迭代结果,f(θ6(k+1))为θ6(k+1)处的逆运动学公式,f(θ6(k))为θ6(k)处的逆运动学公式,f(θ6(k-1))为θ6(k-1)处的逆运动学公式。
本发明采用了四自由度机械臂与灵巧手双自由度手腕相结合的六自由度串并联机构,来进行机械臂与灵巧手的融合控制,四自由度机械臂与灵巧手腕部两关节组成的六自由度臂型不满足末端三轴交于一点,没有逆运动学解析解,只有数值解,因此设计了一种基于这种臂型的逆运动学数值解方法,适用于所有串行机械手数值解求解。
本发明中四自由度机械臂与灵巧手双自由度手腕相结合的六自由度串并联机构,具有多自由度冗余,这样就可以让机械臂不用大范围运动,即可以实现五指灵巧手的转动。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种机械臂与灵巧手的融合系统,其特征在于:包括一条四自由度机械臂、一个灵巧手手腕和一个灵巧手,灵巧手手腕安装在四自由度机械臂的末端,灵巧手手掌安装在灵巧手手腕上;灵巧手手腕和四自由度机械臂通过电子线路连接。
2.根据权利要求1所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统,其特征在于:灵巧手手腕是一个两自由度并联机构,包括两台电机、两根推杆和两台伺服位置控制器;
两台伺服位置控制器分别为主动伺服位置控制器和从动伺服位置控制器,两台电机包括第一电机和第二电机,两根推杆包括第一推杆和第二推杆,主动伺服位置控制器用于驱动第一电机运动,第一电机运动带动第一推杆运动,从动伺服位置控制器用于驱动第二电机运动,第二电机运动带动第二推杆运动;第一推杆的末端和第二推杆的末端同时与灵巧手手掌连接。
3.根据权利要求2所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统,其特征在于:两台电机采用同步差动控制方式,两台电机驱动两根推杆运动,实现灵巧手的俯仰运动和偏航转动。
4.根据权利要求3所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统,其特征在于:当两根推杆同向运动时灵巧手进行俯仰运动,俯仰角度范围为-70度—70度;当两根推杆反向运动运动时灵巧手进行偏航转动,偏航角度范围为-45度—45度。
5.一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法,其特征在于包括:
将四自由度机械臂与灵巧手融合系统看作一个六轴串联机械臂,以四自由度机械臂基座中心为原点,使用D-H方法建立机械臂坐标系,并给出机械臂各关节及连杆的D-H参数;
根据四自由度机械臂的关节角度θ1、θ2、θ3、θ4和灵巧手手腕的关节角度θ5、θ6,通过四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统的正运动学方法,求得灵巧手手腕末端的位置姿态矩阵实现对融合系统正向运动控制;R表示灵巧手手腕末端的旋转矩阵,P表示灵巧手手腕末端的位置矩阵;
8.根据权利要求7所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法,其特征在于:si=sinθi,ci=cosθi。
9.根据权利要求5所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法,其特征在于:关节角度θ6采用迭代方式求数值解。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210248880.9A CN114714327A (zh) | 2022-03-14 | 2022-03-14 | 一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 |
PCT/CN2022/129938 WO2023173764A1 (zh) | 2022-03-14 | 2022-11-04 | 一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210248880.9A CN114714327A (zh) | 2022-03-14 | 2022-03-14 | 一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114714327A true CN114714327A (zh) | 2022-07-08 |
Family
ID=82236913
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210248880.9A Pending CN114714327A (zh) | 2022-03-14 | 2022-03-14 | 一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN114714327A (zh) |
WO (1) | WO2023173764A1 (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023173764A1 (zh) * | 2022-03-14 | 2023-09-21 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015174184A (ja) * | 2014-03-14 | 2015-10-05 | 三菱重工業株式会社 | 制御装置 |
CN107685330B (zh) * | 2017-10-18 | 2018-12-18 | 佛山华数机器人有限公司 | 一种六自由度手腕偏置串联机器人的运动学逆解求解方法 |
CN108724163B (zh) * | 2018-05-27 | 2021-04-27 | 北京工业大学 | 一种气动肌肉驱动的七自由度仿人机械臂 |
CN108673509B (zh) * | 2018-06-15 | 2021-06-01 | 东北大学 | 一种六自由度手腕偏置型串联机械臂的运动控制方法 |
CN109397271B (zh) * | 2018-11-23 | 2020-07-24 | 华中科技大学 | 一种7自由度拟人机械臂及其控制方法和系统 |
CN109822557A (zh) * | 2019-03-01 | 2019-05-31 | 达闼科技(北京)有限公司 | 一种机械手及机器人 |
CN113127989B (zh) * | 2021-04-22 | 2024-02-06 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种六自由度机械臂逆运动学解析求解控制方法 |
CN214686581U (zh) * | 2021-04-22 | 2021-11-12 | 湖南科技大学 | 仿人形机械臂 |
CN114714327A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-07-08 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 |
-
2022
- 2022-03-14 CN CN202210248880.9A patent/CN114714327A/zh active Pending
- 2022-11-04 WO PCT/CN2022/129938 patent/WO2023173764A1/zh unknown
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023173764A1 (zh) * | 2022-03-14 | 2023-09-21 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023173764A1 (zh) | 2023-09-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108241339A (zh) | 仿人机械臂的运动求解和构型控制方法 | |
CN108638058B (zh) | 一种姿态决策动态规划方法 | |
CN102085662B (zh) | 拟人电动机械灵巧手 | |
CN110561441B (zh) | 一种冗余度机械臂位姿控制的单94lvi迭代算法 | |
CN111890349A (zh) | 一种四自由度机械臂运动规划方法 | |
WO2023173764A1 (zh) | 一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法 | |
Su et al. | Sequential manipulation planning for over-actuated unmanned aerial manipulators | |
Karlen et al. | A dual-arm dexterous manipulator system with anthropomorphic kinematics | |
Chang et al. | An end-effector wrist module for the kinematically redundant manipulation of arm-type robots | |
CN113305874B (zh) | 一种三指多自由度灵巧手机构 | |
CN108638057B (zh) | 一种类人机器人双臂运动规划方法 | |
Ma et al. | The kinematic analysis and trajectory planning study of high-speed SCARA robot handling operation | |
Hussain et al. | Inverse kinematics control of redundant planar manipulator with joint constraints using numerical method | |
CN115056230B (zh) | 一种基于伪逆的三轮全向移动机械臂重复运动规划方法 | |
CN113400289B (zh) | 串并混联连杆直线平夹自适应机器人手指装置 | |
Zhou et al. | Design of Full-Drive Multi-finger Dexterous Hand | |
Fan et al. | Design of space robotic arm-hand system and operation research | |
Su et al. | Sequential Manipulation Planning for Over-actuated UAMs | |
Guan et al. | Structural Design and Kinematics Simulation of Adaptive Underactuated Bionic Manipulator | |
CN216030859U (zh) | 三关节直线平夹自适应欠驱动机器人手指装置 | |
Kim et al. | A Kinematically Redundant (6+ 1)-dof Hybrid Parallel Robot for Delicate Physical Environment and Robot Interaction (pERI) | |
Liu et al. | Mechanisms and design of a humanoid robot for two-handed manipulation | |
Tsai et al. | Fast position and posture control of an anthropomorphous 7 DOF dual-arm mobile robot | |
CN113084818A (zh) | 一种基于摇杆手柄的空间机械臂遥操作控制方法 | |
Wang et al. | A Novel Collaborative Imitation Learning Framework for Dual-Arm Flipping Tasks |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |