[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

本發明公開了一種遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法及機械手爪控制方法，其中遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法包括采用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；對殘余向量的導數進行拉普拉斯變換計算干擾力矩；根據所述干擾力矩，計算機械手爪夾持力。

技術領域

本發明涉及機器人控制技術，具體涉及一種遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法及機械手爪控制方法。

背景技術

遙操作機器人是指在人的操作下，能夠在人難以接近或對人有害的環境中，完成比較復雜操作的一種遠距離操作系統，其廣泛應用于遠程醫療、空間探索、海洋開發、核環境作業等領域。

遙操作機器人在具有高溫、高腐蝕、強干擾、輻射大等環境作業時，遙操作機械手爪裝載于遙操作機器人的機械臂的前端，是機器人本體與環境物理交互的重要媒介，隨著工業機器人和服務機器人的不斷發展，對機器人末端的柔順性的要求越來越高。對象抓取任務已不再是機械手爪簡單的開閉就可以完成，考慮到抓取過程的夾持力必須被可靠控制，以及達到靈巧性和自主性，單獨的位置控制已經不能夠滿足實際需求，因此，力控制逐漸變成機器人控制領域內的一個重要的研究方向。

傳統的機械手末端的力控制方法通常是基于力傳感器，但是力傳感器的使用會不僅造成成本的高昂，而且在高溫、高腐蝕、強干擾等特殊環境下應用受到限制，而且傳感器中有大量噪聲，環境剛度未知，嚴重影響機械手爪的控制性能，在非結構化的環境中使用大量傳感器，靈敏度低，功耗較大，且不易裝配等缺點，很難完成復雜任務。

發明內容

針對現有技術中的上述不足，本發明提供的遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法及機械手爪控制方法能夠在不借助外界力傳感器的情況下，就能夠實現機械手爪的夾持力計算。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

第一方面，提供一種遙操作機器人機械手爪夾持力的計算方法，其包括以下步驟：

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。

第二方面，提供一種遙操作機器人的機械手爪末端無力傳感器的控制方法，其包括以下步驟：