CN202367749U - 具有力感觉的六自由度操作端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有力感觉的六自由度操作端，包括手臂和手腕，其采用六个直流伺服电机作为六个关节各自的驱动机构；在各直流伺服电机上安装有一个用于测量关节角度的光电编码器；。具有力感觉的六自由度操作端用于远程遥控各类机器人来代替人在繁重、危险、恶劣或一般的环境下完成各种复杂的作业。本实用新型采用传感技术和多自由度控制技术，通过计算机进行灵活控制，可用在太空、深海、矿井、战场、工厂、农田、家庭、学校等各种恶劣和危险及普通的环境或场合。

Description

具有力感觉的六自由度操作端

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种具有力感觉的六自由度操作端。 

背景技术

近年来，在欧美和日本等发达国家的院校和工厂及企业中，机器人被广泛地用来代替人完成各类简单和重复性的工作。这些机器人基本上是限定在特定的环境中完成单一的动作。对于一些在危险、恶劣、繁重或一般的环境下需要高度智能才能完成的复杂作业而言，依靠普通的机器人自身则是无能为力的。随着机器人研究和开发及应用的深入和普及，现在人们期望机器人能在太空、深海、矿井、战场、工厂、农田、家庭、学校等各种恶劣和危险及普通的环境或场合下，代替人完成科学考察、矿井采掘、军事战斗、核电维修、机械制造、设备安装、化工生产、医疗手术、抢险救灾、家务劳动、患者看护、教育娱乐等各项工作。但是，机器人要完成上述各项工作，机器人（包括机械手及其手腕和手臂）就必须能够灵巧地完成抓、握、捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、贴、牵、拽、磨、削、刨、挫等各种作业，然而在上述复杂的场合下单纯地依靠机器人自身的能力根本无法完成任何作业。机器人远程遥控（遥操作）则是解决上述问题的最佳途经，人通过具有力感觉的六自由度操作端来远程遥控（遥操作）机器人，就能有效地发挥人的各种优势和克服机器人自身的困难和不足，从而灵巧地完成各种任务和作业。因此，机器人遥控技术的研究和开发及应用越来越受到各国学术界和产业界的普遍重视。 

人通过机器人操作端来远程遥控（遥操作）机器人，关键问题是要有一款高通用性的操作端去遥控机器人。由于具有力感觉的六自由度操作端具有极高的通用性、机动性、经济性，故人通过它能够灵活地远程遥控（遥操作）机器人在危险、恶劣、繁重或一般的场合下灵巧地完成各类复杂的作业。因而具有力感觉的六自由度操作端的研究与开发在欧美和日本等许多国家的科学家和企业家中引起了巨大的热情，他们迫切地希望研制出具有力感觉的六自由度操作端来完成上述作业。因此，各发达国家政府纷纷耗资去组织和实施相应的发展战略计划，许多大学和大公司及财团等都成立了或资助以研究和开发具有力感觉的六自由度操作端为目标的研究中心。最著名的有日本的本田公司、早稻田大学、美国的麻省理工学院、卡内基梅隆大学、斯坦福大学、美国国家宇航局，以及德国宇航中心、意大利和加拿大及前南斯拉夫等许多国家的著名大学和科研机构等等。我国亦开展了机器人远程遥控（遥操作）端的研制，其中从事这类机器人研制的单位有北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、国防科技大学、中国科学院、台湾大学等。由于具有力感觉的六自由度操作端是一个综合性的系统工程，涵盖了许多学科和关键技术。在此，结合我们已经初步研制成功的具有力感觉的六自由度操作端来阐述国内外的发展现状与趋势。 

目前，国内外的机器人远程遥控（遥操作）端从机构形式上来看大多是3至5个自由度的操作端，这类操作端只能远程控制（遥操作）机器人在笛卡尔空间的三个坐标轴方向运动和有限的旋转运动，机器人不论在灵活性和功能上都难于满足实际需求。并且机器人远程遥控（遥操作）端基本上不带有力传感器和视觉反馈，机器人远程遥控（遥操作）大都是依靠点对点或者互联网来进行远程通讯。现有的机器人远程遥控（遥操作）端研究大多从几何学、运动学、动力学、结构学等不同角度分别进行探讨，提出了一些控制方法和抓取规划算法来模拟人手的抓取运动。但是，机器人远程遥控（遥操作）端研究存在有以下问题: 

1) 一部分机器人远程遥控（遥操作）端采用了基于腱的传动方式和驱动原理。尽管腱传动有许多优点，但是在腱传动系统中，由于腱的刚度、机械特性、数量以及在机器人的路径设计等对于机器人的性能具有较大的影响，会造成驱动系统滞后、腱不稳定或者损坏；2) 机器人远程遥控（遥操作）端的控制方法基本上是对装配光电编码器机器人进行位置反馈控制。这些控制方法仅仅以机器人各关节的光电编码器反馈脉冲为基础对进行单一的位置控制，没有考虑或控制机器人与环境的的接触力影响；3) 机器人远程遥控（遥操作）端研究没有或很少涉及到机器人（手及其手腕和手臂）协调控制方法，也没有根据来自作业对象的接触力/力矩反馈对手及其手腕和手臂的惯性、粘性、刚性参数作有效和合理地调节，以适应不同的作业对象和作业环境的需要（比如，如何控制机器人如何抓握和加工柔软食品，或者抓握金属工具完成安装和维修）；4) 机器人远程遥控（遥操作）端研究没有涉及到与作业有关的作业描述语言，更没有采用多个机器人远程遥控（遥操作）端控制多台机器人进行协调作业。现有的研究大多只涉及到抓握、开抽屉、按开关、抓鸡蛋、摆积木，弹琴等，尚未涉及更高层次的裁剪、撕拽、挖掘、敲打、磨削、刨挫等等作业。

总之，现有的机器人远程遥控（遥操作）端存在着机械结构互不相同、控制系统各自为阵、控制方法互不兼容、作业描述语言缺乏等一系列的问题。因此，现有的机器人远程遥控（遥操作）端无论是从通用性和灵活性来看，人都很难利用它去远程遥控（遥操作）机器人在恶劣和危险的环境下，或者太空、深海、矿井、农田、家庭等各种场合下完成各种复杂的作业。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提出了一种具有力感觉的六自由度操作端。具有力感觉的六自由度操作端用于远程遥控各类机器人来代替人在繁重、危险、恶劣或一般的环境下完成各种复杂的作业，具体技术方案如下。 

一种具有力感觉的六自由度操作端，包括手臂和手腕，其采用六个直流伺服电机作为六个关节各自的驱动机构；在各直流伺服电机上安装有一个用于测量关节角度的光电编码器；其中，第一直流伺服电机位于操作端的最底部，用于控制整个操作端的旋转运动；第二直流伺服电机位于第一直流伺服电机上，用于控制整个操作端的前后运动；第三直流伺服电机位于第二直流伺服电机上，用于控制整个操作端的上下运动；第四直流伺服电机位于第三直流伺服电机上，用于控制操作端手臂的前后运动；所述的直流伺服电机位于直流伺服电机上，用于操作端的手臂的旋转运动；第六直流伺服电机位于第五直流伺服电机上，用于控制操作端的手腕的旋转运动；力觉传感器与操作端的手腕相连。 

上述具有力感觉的六自由度操作端中，所述力觉传感器包括感压片和检测电路，检测电路包括运算放大器和AD变换器，感压片与运算放大器的输入端连接，运算放大器的输出端与AD变换器。 

上述具有力感觉的六自由度操作端，还包括计算机，AD变换器通过I/O接口板与计算机连接；计算机还与所述光电编码器和直流伺服电机连接。 

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果： 

目前已有的机器人操作端大多是3至5个自由度的，本实用新型具有力感觉的六自由度操作端主要以现有人类手臂的的构造及其力感觉信息的反馈机理为基础，用直流伺服电机作为六个关节的驱动机构。在各直流伺服电机上安装测量关节角度的光电编码器；力觉传感器及其检测控制电路，用应力感压片作为力觉反馈机构；根据力觉传感器和力觉反馈机构来设计其检测控制电路，并处理六自由度的力觉反馈信号。通过计算机可以控制操作臂完成各种动作。通过增设无线传输模块，还可以用于远程遥控各类机器人来代替人在繁重、危险、恶劣或一般的环境下完成各种复杂的作业。由于设有力觉传感器，可采用逆向运动学和动力学来分析各个关节力矩和来自操作端的反作用力等。

本实用新型可用于远程遥控各类机器人，以期在恶劣和危险的环境中，或者太空、深海、矿井、农田、家庭等各种场合下，控制各类机器人代替人完成化工生产、核电维修、矿井采掘、军事战斗、科学考察、医疗手术、家务劳动等各项工作。具有力感觉的六自由度操作端集计算技术、控制技术、传感技术、通讯技术、智能计算、数学建模，以及机构学、材料学、电子学、仿生学等于一体。 

附图说明

图1 是本实用新型的具有力感觉的六自由度操作端。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施不限于此。 

如图1，本实用新型的具有力感觉的六自由度操作端包括：第一直流伺服电机1，第二直流伺服电机2，第三直流伺服电机 3，第四直流伺服电机4，第五直流伺服电机5，第六直流伺服电机6，力传感器7，手臂8，手腕9。 

本实施方式采用六个直流伺服电机作为六个关节各自的驱动机构；在各直流伺服电机上安装有一个用于测量关节角度的光电编码器；其中，第一直流伺服电机1位于操作端的最底部，用于控制整个操作端的旋转运动；第二直流伺服电机2位于第一直流伺服电机1上，用于控制整个操作端的前后运动；第三直流伺服电机3位于第二直流伺服电机2上，用于控制整个操作端的上下运动；第四直流伺服电机4位于第三直流伺服电机3上，用于控制（操作端）手臂的前后运动；所述的直流伺服电机5位于直流伺服电机4上，用于操作端的手臂的旋转运动；第六直流伺服电机6位于第五直流伺服电机5上，用于控制操作端的手腕的旋转运动；力觉传感器与操作端的手腕相连。 

本实施方式的一个具有力感觉的六自由度操作端，外形尺寸为500×500×650 mm，重量为3.0公斤，共包含有六个关节（六个自由度）。该具有力感觉的六自由度操作端可以远程遥控机器人完成抓、握、捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、贴、牵、拽、磨、削、刨、挫等种复杂作业。关节伺服控制算法，具有力感觉的六自由度操作端采用位置归还型、力归还型、並列型控制方法和作业描述语言来控制具有力感觉的六自由度操作端和遥控机器人，并采用力觉传感器及其检测控制电路来遥控机器人。 

具有力感觉的六自由度操作端以人类的手臂构造及其力感觉信息的反馈机理为基础，具体实施时可根据需要确定具有力感觉的六自由度操作端的关节设置、几何尺寸。具有力感觉的六自由度操作端采用前向运动学和动力学来计算各个关节角轨迹，检验控制算法。此外，也采用逆向运动学和动力学来分析各个关节力矩和来自操作端的反作用力等。 

力觉传感器的检测原理和电路硬件的具体实施方式如下： 

1)用应力感压片来设计力传感器及其检测电路。触觉点处的应力感压片受拉申后其阻值受会发生变化，产生交变电流i，经过运算放大器检出对应的电压信号Vmn后送给AD变换器。再由I/O接口板送计算机进行处理。这样就可以检测，处理和实现力的检测功能；

2) 建立具有力感觉的六自由度操作端的运动学和动力学方程及其雅可比矩阵。并对雅可比矩阵进行LU分解和ILX分解，以便实现具有力感觉的六自由度操作端的各个关节的控制。根据具有力感觉的六自由度操作端的控制特征，通过其数据构造和扩展雅可比行列式，计算和导出控制各关节运动的关节角和角速度的目标值；

3) 为了让具有力感觉的六自由度操作端正确地完成远程遥控作业，可以预先测量人的它的运动及力/矩等作为各种运动轨迹产生器，并采用前向运动学和动力学来计算各关节角的轨迹。这样可以得出具有力感觉的六自由度操作端位置和力并可以验证个种控制算法。此外也采用逆向运动学和动力学，根据具有力感觉的六自由度操作端的位置和姿势来计算各关节角的位置、速度、加速度，以便分析各关节力矩以及来自各接触点的反作用力等。

4）使用高性能个人计算机和I/O板来构成具有力感觉的六自由度操作端的控制装置。一台计算机读取安装在各指关节处的光电编码器和力觉传感器的运算放大器输出，检测直流伺服电机的回转角和力觉点的电流和电压变化值。再送入计算机处理；在实际环境中，用具有触觉的五指形机械手完成抓、握、捏、夹、推、拉、插、按、敲、打等各种复杂的作业。 

Claims (3)

1.一种具有力感觉的六自由度操作端，包括手臂和手腕，其特征在于采用六个直流伺服电机作为六个关节各自的驱动机构；在各直流伺服电机上安装有一个用于测量关节角度的光电编码器；其中，第一直流伺服电机位于操作端的最底部，用于控制整个操作端的旋转运动；第二直流伺服电机位于第一直流伺服电机上，用于控制整个操作端的前后运动；第三直流伺服电机位于第二直流伺服电机上，用于控制整个操作端的上下运动；第四直流伺服电机位于第三直流伺服电机上，用于控制操作端手臂的前后运动；所述的直流伺服电机位于直流伺服电机上，用于操作端手臂的旋转运动；第六直流伺服电机位于第五直流伺服电机上，用于控制操作端手腕的旋转运动；力觉传感器与操作端的手腕相连。

2.根据权利要求1所述的具有力感觉的六自由度操作端，其特征在于所述力觉传感器包括感压片和检测电路，检测电路包括运算放大器和AD变换器，感压片与运算放大器的输入端连接，运算放大器的输出端与AD变换器。

3.根据权利要求2所述的具有力感觉的六自由度操作端，其特征在于还包括计算机，AD变换器通过I/O接口板与计算机连接；计算机还与所述光电编码器和直流伺服电机连接。

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