CN105388792B - 用于机器人抓手的夹持性能调控系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种用于机器人抓手的夹持性能调控系统，包括：信息采集模块、计算模块、指令模块和舵机控制模块，其中：信息采集模块实时采集所述机器人抓手的转角信息和开度信息，以及测量得到的机器人抓手的结构信息，输入计算模块进行运算；计算模块将运算得到的结果通过指令模块转换为舵机控制模块能够识别的指令，舵机控制模块根据指令对机器人抓手的夹持力和夹持速度进行调控，实现夹持力和夹持速度的在线编程；本发明设计合理，结构简单，不仅实现对机器人抓手夹持性能的在线编程，还可以检测是否成功抓取工件，能够达到智慧制造的要求。

Description

用于机器人抓手的夹持性能调控系统及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种机器人控制领域的技术，具体是一种用于机器人抓手的夹持性能调控系统及其方法。

背景技术

随着工业4.0时代的到来，一个特别重要的趋势将是个性化大规模的生产。为了实现个性化的生产，工厂必须具备应对多品种零件加工的能力，因此加工装备的可重复编程性是必不可少的。在工厂中与机器人应用同样广泛的机器人抓手，大多数面临着如下一些不足：(1)只能控制开合；(2)夹持力线下可调但是不能实时在线编程，如气动抓手可以在线下通过人工调节阀门开合大小来调节抓手的夹持力，但是不能通过计算机编程进行实时控制；(3)夹持速度不可在线编程；(4)在不添加力传感器的情况下，不具备力觉感知，不可检测是否成功夹持工件。这些不足极大地限制了机器人抓手应用的灵活性，也给整个生产线带来了不稳定的因素。

因此，需要提供一种可以实现夹持力感知、夹持力及夹持速度可调机器人抓手，从而满足工业4.0智慧制造的要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于机器人抓手的夹持性能调控系统及其方法，通过信息采集模块实时采集机器人抓手的夹持信息，经过计算模块和指令模块处理，向舵机控制模块发送指令，实现机器人抓手的夹持性能在线可调。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于机器人抓手的夹持性能调控系统，包括：信息采集模块、计算模块、指令模块和舵机控制模块，其中：信息采集模块实时采集所述机器人抓手的夹持信息，并输入计算模块进行运算；计算模块将运算得到的结果通过指令模块转换为舵机控制模块能够识别的指令，舵机控制模块根据指令对机器人抓手的夹持性能进行调控。

所述的夹持性能包括夹持力和夹持速度。

所述的夹持信息包括但不限于：夹持开度、夹持速度、夹持力、舵机温度和当前电压。

所述的计算模块和指令模块为ARM控制板。

所述的计算模块包括：扭力单元、夹持力单元、开度单元、舵机转角单元和机器人抓手转角单元，其中：扭力单元、夹持力单元、开度单元、舵机转角单元和机器人抓手转角单元结合信息采集模块的夹持信息得到夹持性能与扭力、开度、舵机转角和机器人抓手转角之间的关系。

本发明涉及一种用于机器人抓手的夹持性能调控方法，根据信息采集模块获取到的所述机器人抓手的夹持信息以及实时读取的被抓取工件的宽度，通过计算模块推导出被抓取工件的宽度与所需夹持性能参数的关系，经过指令模块转换从而对舵机控制模块的参数进行调控，实现机器人抓手夹持性能的在线编程。

所述的机器人抓手包括：手指、依次相连的舵机、舵机齿轮、扇形齿轮、齿轮轴、一对主动连杆、横板、一对从动连杆和旋转轴，其中：横板水平设置，手指垂直设置于横板上方；舵机对称设置，齿轮轴的两端分别与一对主动连杆相连；旋转轴平行齿轮轴设置，并且旋转轴的两端分别与一对从动连杆相连；主动连杆的一端与横板相连，另一端与齿轮轴相连；从动连杆的一端与横板相连，另一端与旋转轴相连；同侧的主动连杆与从动连杆的两个端部连线、主动连杆和从动连杆构成平行四边形。

所述的扇形齿轮与齿轮轴之间设有扭力弹簧。

所述的夹持力F₀与舵机的转角φ的关系表达式为：

其中：S₀为被抓取工件的宽度，i为舵机齿轮与扇形齿轮之间的减速比，c为从动连杆在横板上的连接点到手指内侧面中心的垂直距离，k为扭力弹簧的刚度系数，L为从动连杆的长度，θ为从动连杆的转角，D为两个旋转轴之间的距离，b为从动连杆在横板上的连接点到手指内侧面的水平距离，φ₀为手指接触被抓取工件但无力的作用时的舵机的转角。

所述的从动连杆转角θ与舵机转角φ的关系可表示为：θ＝iφ。

所述的手指的夹持速度v与舵机的转动角速度的关系可表示为：其中：L为从动连杆长度，i为舵机齿轮与扇形齿轮之间的减速比，θ为从动连杆的转角。

所述的手指的夹持速度v为手指的速度在开合方向的分量。

技术效果

与现有技术相比，本发明设计合理，通过机器人抓手特定结构的独特设计，不仅实现对机器人抓手夹持性能的在线编程，还可以检测是否成功抓取工件，能够达到智慧制造的要求。

附图说明

图1为控制系统示意图；

图2为控制方法示意图；

图3为机器人抓手结构示意图；

1和2为基板，3为底座，4为舵机，5为舵机齿轮，6为扇形齿轮，7为扭力弹簧，8为齿轮轴，9为轴承座，10为主动连杆，11为从动连杆，12为横板，13为手指，14为旋转轴。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及用于机器人抓手的夹持性能调控系统，包括：信息采集模块、计算模块、指令模块和舵机控制模块，其中：信息采集模块实时采集所述机器人抓手的夹持信息，并输入计算模块进行运算；计算模块将运算得到的结果通过指令模块转换为舵机控制模块能够识别的指令，舵机控制模块根据指令对机器人抓手的夹持性能进行调控。

所述的夹持性能包括夹持力和夹持速度。

所述的夹持信息包括但不限于：夹持开度、夹持速度、夹持力、舵机温度和当前电压。

所述的计算模块和指令模块为ARM控制板。

所述的计算模块包括：扭力单元、夹持力单元、开度单元、舵机转角单元和机器人抓手转角单元，其中：扭力单元、夹持力单元、开度单元、舵机转角单元和机器人抓手转角单元结合信息采集模块的夹持信息得到夹持性能与扭力、开度、舵机转角和机器人抓手转角之间的关系。

本实施涉及上述调控系统的调控方法，包括以下步骤：

步骤1、通过信息采集模块采集机器人抓手的实时夹持信息。

如图2和图3所示，所述的机器人抓手包括：手指13、依次相连的舵机4、舵机齿轮5、扇形齿轮6、齿轮轴8、一对主动连杆10、横板12、一对从动连杆11和旋转轴14，其中：横板12水平设置，手指13垂直设置于横板12上方；舵机4对称设置，齿轮轴8的两端分别与一对主动连杆10相连；旋转轴14平行齿轮轴8设置，并且旋转轴14的两端分别与一对从动连杆11相连；主动连杆10的一端与横板12相连，另一端与齿轮轴8相连；从动连杆11的一端与横板12相连，另一端与旋转轴8相连；同侧的主动连杆10与从动连杆11的两个端部连线、主动连杆10和从动连杆11构成平行四边形。

所述的扇形齿轮6和齿轮轴8之间设有扭力弹簧7。

所述的舵机齿轮5固定设置在舵机4上。

所述的齿轮轴8通过轴承座9固定设置于基板1上。

所述的基板1、2平行，并且垂直设置于底座3的两侧。

所述的一对连杆10和一对从动连杆11位于基板1和2的外侧。

所述的夹持信息包括但不限于：夹持开度、夹持速度、夹持力、舵机温度和当前电压。

步骤2、根据已知的扭力弹簧7的刚度系数k、舵机齿轮5与扇形齿轮6之间的减速比i、从动连杆11的长度L和测量得到的从动连杆11在横板12上的连接点到手指13内侧面中心的垂直距离c、两个旋转轴8之间的距离D、从动连杆11在横板12上的连接点到手指13内侧面的水平距离b，通过计算模块的扭力单元、夹持力单元、开度单元、舵机转角单元和机器人抓手转角单元得到夹持力与夹持速度与各参数的关系。

所述的扭力单元得到扭力τ与扇形齿轮6、齿轮轴8的相对转角Δθ之间的关系为：τ＝kΔθ，其中：Δθ＝θ₁-θ，其中：θ为从动连杆11的转角，θ₁为扇形齿轮6的转角。

所述的夹持力单元得到机器人抓手可以向外提供的夹持力F为：

所述的开度单元得到机器人抓手的开度S与从动连杆转角θ之间的关系为：S＝D+2L cosθ-2b。

所述的舵机转角单元得到从动连杆转角θ与舵机转角φ之间的关系为：θ＝iφ-Δθ。

所述的机器人抓手转角单元得到从动连杆转角θ与被抓取工件的宽度的S₀关系为：

当机器人抓手接触被抓取工件但没有夹持力时，此时Δθ＝0，则舵机转角

所述的夹持力F₀与舵机的转角φ的关系表达式为：

所述的机器人抓手的夹持速度v与舵机4的转动角速度的关系可表示为：

所述的机器抓手的夹持速度v为手指13的速度在开合方向的分量。

步骤3、指令模块将计算模块得到的信息转换为舵机控制模块能够识别的指令，通过舵机控制模块对机器人抓手进行PID反馈控制，实现夹持力和夹持速度的在线编程。

Claims (6)

1.一种用于机器人抓手的夹持性能调控系统，其特征在于，包括：信息采集模块、计算模块、指令模块和舵机控制模块，其中：信息采集模块实时采集所述机器人抓手的夹持信息，并输入计算模块进行运算；计算模块将运算得到的结果通过指令模块转换为舵机控制模块能够识别的指令，舵机控制模块根据指令对机器人抓手的夹持性能进行调控；

所述的夹持性能包括夹持力和夹持速度；

所述的计算模块包括：扭力单元、夹持力单元、开度单元、舵机转角单元和机器人抓手转角单元，其中：扭力单元、夹持力单元、开度单元、舵机转角单元和机器人抓手转角单元结合信息采集模块的夹持信息得到夹持性能与扭力、开度、舵机转角和机器人抓手转角之间的关系。

2.一种根据权利要求1所述调控系统的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过信息采集模块采集机器人抓手的实时夹持信息；

步骤2、根据信息采集模块采集到的信息，通过计算模块的扭力单元、夹持力单元、开度单元、舵机转角单元和机器人抓手转角单元得到夹持力与夹持速度与各参数的关系；

步骤3、指令模块将计算模块得到的信息转换为舵机控制模块能够识别的指令，通过舵机控制模块对机器人抓手进行PID反馈控制，实现夹持力和夹持速度的在线编程。

3.根据权利要求2所述的调控方法，其特征是，所述的机器人抓手包括：手指、依次相连的舵机、舵机齿轮、扇形齿轮、齿轮轴、一对连杆、横板、一对从动连杆和旋转轴，其中：横板水平设置，手指垂直设置于横板上方；舵机对称设置，齿轮轴的两端分别与一对主动连杆相连；旋转轴平行齿轮轴设置，并且旋转轴的两端分别与一对从动连杆相连；主动连杆的一端与横板相连，另一端与齿轮轴相连；从动连杆的一端与横板相连，另一端与旋转轴相连；同侧的主动连杆与从动连杆的两个端部连线、主动连杆和从动连杆构成平行四边形。

4.根据权利要求3所述的调控方法，其特征是，所述的扇形齿轮和齿轮轴之间设有扭力弹簧。

5.根据权利要求4所述的调控方法，其特征是，所述的步骤2得到的夹持力F₀与舵机的转角φ的关系表达式为：其中：S₀为被抓取工件的宽度，i为舵机齿轮与扇形齿轮之间的减速比，c为从动连杆在横板上的连接点到手指内侧面中心的垂直距离，k为扭力弹簧的刚度系数，L为从动连杆的长度，θ为从动连杆的转角，D为两个旋转轴之间的距离，b为从动连杆在横板上的连接点到手指内侧面的水平距离，φ为舵机的转角，舵机转角

6.根据权利要求4所述的调控方法，其特征是，所述的手指的夹持速度v与舵机的转动角速度的关系可表示为：其中：L为从动连杆长度，i为舵机齿轮与扇形齿轮之间的减速比，θ为从动连杆的转角，为转动角速度。