[發明專利]遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法及其控制方法

有效

• 申請號: 201710559524.8
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107263478B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 張華;馮春成;郭明明;汪雙;劉滿祿;霍建文;張靜;張敦鳳;肖宇峰;王坤朋
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙) 51229
• 代理人: 李蕊

1.遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

采用CAD三維模型獲取機械手爪每根連桿的長度和質量，所述機械手爪的單側臂為平行四邊形機構；

對機械手爪單側臂的閉鏈機構進行開鏈分解，形成開鏈Ⅰ和開鏈Ⅱ；

根據開鏈Ⅰ和開鏈Ⅱ的關節力矩，計算閉鏈機構驅動關節力矩；

采用廣義動量設計干擾力矩觀測器，并根據干擾力矩觀測器觀測殘余向量：

其中，r為殘余向量；K為增益矩陣；τ_a為閉鏈機構驅動關節力矩；α()為連桿重力矩向量、科式力和向心力矩陣的合成向量；q為關節角；為關節角速度；p為機械手爪的廣義動量；

對殘余向量的導數進行拉普拉斯變換計算干擾力矩：

其中，r(s)為殘余向量的導數在復變量s域下的值；τ_c(s)為干擾力矩τ_c在復變量s域下的值；s為復變量；

根據所述干擾力矩，計算機械手爪夾持力：

其中，F為機械手爪夾持力；l₁'為第五連桿的長度；θ_fx為機械手爪夾持力在x軸方向上的分力與機械手爪夾持力之間的夾角；θ₂為第一連桿和第二連桿交匯處的關節角；

所述對機械手爪單側臂的閉鏈機構進行開鏈分解，形成開鏈Ⅰ和開鏈Ⅱ進一步包括：

選取第三連桿、第四連桿和第五連桿交匯處的關節為斷開關節，第一連桿、第二連桿、第三連桿和第四連桿形成開鏈Ⅰ，第五連桿形成開鏈Ⅱ；其中，第三連桿和第四連桿為連接為一體的桿體。

2.根據權利要求1所述的遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法，其特征在于，所述閉鏈機構驅動關節力矩的計算公式為：

τ_a＝τ₂-τ₃+τ_1'

其中，τ_a為閉鏈機構驅動關節力矩；τ₂為第二連桿的關節力矩；τ₃為第三連桿的關節力矩；τ_1'為第五連桿的關節力矩。

3.根據權利要求2所述的遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法，其特征在于，所述第五連桿的關節力矩的計算公式為：

其中，τ_ΙΙ為開鏈Ⅱ的關節力矩；B_ΙΙ為開鏈Ⅱ的慣性矩陣；V_ΙΙ為開鏈Ⅱ的科氏力；G_ΙΙ為開鏈Ⅱ的重力矩；q_II為開鏈Ⅱ的關節角度；為開鏈Ⅱ的關節角速度；為開鏈Ⅱ的關節角加速度。

4.根據權利要求2所述的遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法，其特征在于，所述第二連桿的關節力矩的計算公式為：

所述第三連桿的關節力矩的計算公式為：

其中，V₁為第一連桿的向心力向量；G₁為第一連桿的重力矩；V₃為第三連桿的向心力向量；G₃為第三連桿的重力矩；為開鏈Ⅰ的慣性矩陣的第一行第一列的元素；為開鏈Ⅰ的慣性矩陣的第一行第二列的元素；為開鏈Ⅰ的慣性矩陣的第一行第三列的元素；為開鏈Ⅰ的慣性矩陣的第一行第四列的元素；為開鏈Ⅰ的慣性矩陣的第三行第一列的元素；為開鏈Ⅰ的慣性矩陣的第三行第二列的元素；為開鏈Ⅰ的慣性矩陣的第三行第三列的元素；為開鏈Ⅰ的慣性矩陣的第三行第四列的元素；為第一連桿與第五連桿的初始關節角的加速度；為第一連桿與第二連桿之間關節角的加速度；為第二連桿與第三連桿之間關節角的加速度；為第三連桿、第四連桿和第五連桿交匯處關節角的加速度。

5.遙操作機器人的機械手爪末端無力傳感器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

向PID控制器輸入機械手爪的期望關節角速度和期望夾持力；

控制所述機械手爪采用期望關節角速度向著被夾持對象移動；

當機械手爪與被夾持對象接觸時，獲取機械手爪的編碼器采集的關節角速度和關節角；

基于編碼器采集的關節角速度和關節角，采用權利要求1-4任一所述的計算方法計算機械手爪夾持被夾持對象時的夾持力，并將所述夾持力反饋給所述PID控制器；

所述PID控制器以期望夾持力作為輸入，以所述夾持力作為反饋，控制機械手爪與被夾持對象的實際夾持力接近期望夾持力。