一种模块化六自由度机械手及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机械装置及其控制方法，尤其涉及的是一种模块化六自由度机械手及其控制方法。
【背景技术】
[0002]随着现代科技的发展，工业的自动化程度越来越高。而工业机器人能够提高生产过程的自动化程度和生产设备的适应能力，因而提高产品质量和产品在市场上的竞争能力。全世界已有约80万台工业机器人正在汽车工业、机电工业和其他工业部门运行，为人类的物质生产建功立业。其中，以焊接机器人和装配机器人为两个最主要的应用领域。与工业机器人相比，其他机器人的数量尚十分有限，但其重要性不容忽视，发展前景也十分看好。
[0003]工业机器人位置控制的目的，就是要使机器人各关节实现预先所规划的运动，最终保证工业机器人终端(手爪)沿预定的轨迹运行。这类运动控制的特点是连续控制工业机器人手爪(或工具)的位姿轨迹。一般要求速度可控、轨迹光滑且运动平稳。轨迹控制的技术指标是轨迹精度和平稳性。工业机器人的控制是个多输入一一多输出控制系统。
[0004]我们把每个关节作为一个独立的系统。因而，对于一个具有m个关节的工业机器人来说，我们可以把它分解成m个独立的单输入一一单输出控制系统。这种独立关节控制方法是近似的，因为它忽略了工业机器人的运动结构特点，即各个关节之间相互耦合和随形位变化的事实。如果对于更高性能要求的机器人控制，则必须考虑更有效的动态模型、更高级的控制方法和更完善的计算机体系结构。
[0005]其中，机械手是一种新发展的自动化生产设备。可以通过编程来实现各种预期作业任务。一般需要模拟人手的动作，用来代替人工，提高生产的自动化程度，提高劳动生产率，降低生产成本。尤其是代替人工完成各种极端条件下的工作，如极端温度和压力条件下，放射性或者毒性等污染环境中的工作。尤其是对于简单重复性的工作，相比较于人力，具有极大的优势。
[0006]因为一个刚体在空间具有六个自由度，三个方向的空间位置自由度和绕三个坐标轴的旋转自由度，所以现在的机械手技术，因为需要抓取和传送在空间不同位置和方位的物体，就要求能够达到空间任意一点，完成任何姿势的动作，即机械手末端相对于其底座可以达到任何的位姿，也就需要完成六个自由度的运动。而这一般都是通过六个独立驱动的关节来完成的，每个关节都是通过移动或者转动的轴来实现。
[0007]—般专用的机械手多为2~4个自由度，而通用机械手则需要3~6个自由度来实现(不包括机械手指的自由度)。
[0008]市场上供应的工业机器人，关节数多为3~7个。最典型的工业机器人具有六个关节，存在六个自由度，带有夹手(通常称为手或末端执行装置)。
[0009]现有的六自由度机械手多为普通机械手，只能完成单工作任务或者较简单的操作，而串联式六自由度机械装置虽然可以实现自动搬运、装配、焊接等作业，但是，由于这种装置的自身结构限制，其串联的关节接口比较单一，且缺少限制自由度的承载单元，故其机构刚性较差，无法承担较重物体的搬运任务，而其动力部分的电机减速通常是采用齿轮减速器减速，使得其控制精度较低，从而导致其运动精度较差，包括定位精度较差和重复精度较差。现有的六自由度机械手在控制下的运动轨迹不能调整，仍然存在运动中心位置的偏差，加之这种装置结构复杂，增大了控制的积累误差，导致向某些位置的运动较为困难，运动精度下降，给工业应用带来了很大的不便。
[0010]因此，现有技术还有待于改进和发展。
【发明内容】
[0011]鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以灵活、可靠的调整运动的位置和角度的机械手装置以及其控制方法。
[0012]本发明的技术方案如下:
一种模块化六自由度机械手，包括一用于提供整个系统运动能量的电源系统、一连接并控制整个结构运动的控制系统、六个相互配合的关节模块、各关节独立的转换机构，以及一末端抓取机构，所述末端抓取机构包括用于驱动所述末端抓取机构的一气动夹持系统，其中，所述机械手结构还采用向外侧延伸的连杆结构连接相邻两个所述关节模块，用于增加关节连接的强度、刚度和精度。
[0013]所述的模块化六自由度机械手，其中，所述转换机构包括安装在每个关节上的一动力系统，所述动力系统包括一电机连接一柔性结构谐波减速器，并经过所述柔性结构谐波减速器减速后，在控制系统控制下，运动所连接的机构到指定位置。
[0014]所述的模块化六自由度机械手，其中，所述柔性结构谐波减速器包括位于所述减速器中央的一波发生器，位于所述减速器外围的一钢轮和位于所述钢轮内侧的一柔轮，所述柔轮用于通过变形实现与所述钢轮的无侧隙啮合。
[0015]所述的模块化六自由度机械手，其中，所述转换机构还包括至少一位置传感器，所述位置传感器设置在各关节本体上，用于实时检测所述关节的位置。
[0016]所述的模块化六自由度机械手，其中，所述控制系统还包括一伺服系统和一示教盒，所述伺服系统由基于DSP的运动控制器、伺服驱动器、伺服电动机及光电编码器组成；所述示教盒通过控制级计算机获得机械手伺服系统中的数据，并应用于控制级计算机控制软件中，从而实现对机械手的示教及控制。
[0017]所述的模块化六自由度机械手，其中，所述末端抓取机构采用卡盘式夹具结构，包括一驱动旋转气缸连接并驱动至少一三爪气动卡盘，并通过所述三爪气动卡盘手指上的橡胶板接触并抓取物体。
[0018]所述的模块化六自由度机械手，其中，所述连杆机构，由钛合金材料制成；所述关节转换机构包括步进电机或伺服电机。
[0019]所述的模块化六自由度机械手的控制方法，其中，所述六个关节模块各自接受独立的电机驱动，并经过各自的谐波减速器减速后，驱动各自末端产生相应的运动。
[0020]所述的模块化六自由度机械手的控制方法，其中，包括以下步骤:
A:所述示教盒记录人工操作过程中的力闭环信息和位置闭环信息，所述位置闭环信息包括通过传感器检测机械手末端抓取机构的位移； B:所述示教盒输出的所储存的控制信息中的位移信息，经位移/力变换环节转换为输入力；
C:所述输入力与力的设定值合成之后作为力控制的给定量，输出后用于自动操纵所述机械手的运动。
[0021]所述的模块化六自由度机械手结构的控制方法，其中，所述控制方法通过控制机械手的离散点上手爪的位姿，实现相邻点的运动。
[0022]本发明所提供的模块化六自由度机械手及其控制方法，由于采用了对称分布的连杆机构连接各关节模块，增加了关节连接的刚度、强度和精度，并可克服关节运动导致的惯性力矩，使得各关节运动的同步性较好；而提供各关节运动动力的电机采用相应的谐波减速器减速，其输出精度较高，这使得各关节运动较稳定；而本发明所提供的模块化六自由度机械手的控制方法，仅仅采样并控制所述机械手的离散点上手爪的位姿，通过示教盒记录人工操纵机械手过程中各离散点的相关采样数据，并应用于以后的自动控制中，故能灵活、可靠地调整机械手运动的位置和角度，消除机械手运动的位置死角。
【附图说明】
[0023]图1是本发明模块化六自由度机械手的总体结构示意图。
[0024]图2A，2B是本发明模块化六自由度机械手中柔性结构谐波减速器的示意图。
[0025]图3A，3B是本发明模块化六自由度机械手第一关节的结构示意图。
[0026]图4A，4B是本发明模块化六自由度机械手第二关节的结构示意图。
[0027]图5A，5B是本发明模块化六自由度机械手第三关节的结构示意图。
[0028]图6A，6B是本发明模块化六自由度机械手第四关节的结构示意图。
[0029]图7A，7B是本发明模块化六自由度机械手第五关节的结构示意图。
[0030]图8A，8B是本发明模块化六自由度机械手第六关节的结构示意图。
[0031]图9是本发明模块化六自由度机械手的末端抓取机构结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]本发明提供了一种模块化六自由度机械手及其控制方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处