一种机械爪以及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机械爪以及控制方法，属于机械工具技术领域的领域。
【背景技术】
[0002] 机械爪是自动化系统中常用的装置，用来搬运移动物体，或给所需加工的工件进 行夹持固定，具有使用方便，结构简单，适应性好等优点，按驱动方式可分为电机驱动，气缸 驱动，一般的机械爪零件较多，结构较为复杂，控制精度较差，对于一些易损坏的物体的抓 取，不能有效抓取。
[0003] -般机械爪末端的位姿是各关节协调运动的结果，由于串联结构的误差，实际的 末端位姿与通过各关节计算的理论值会有偏差。机械爪末端如何快速从起始位置移动到目 标位置，在移动的过程中末端位姿如何控制，都是机械爪相关理论的研究重点。只有规划出 合理末端的位姿，根据末端位姿信息，才能反解出机械爪各关节的变化量，才能保证机械爪 高效的运作。常规的机械爪运动控制都是匀速控制，但是如果速度取得过大，在启动和停止 时就运动机构就会有明显的振动，如果速度取得过小，就无法保证加工的效率。对于机械爪 的工作前期准备的运动过程，启动阶段的振动可以不考虑振动问题，但是停止阶段必须考 虑振动的影响，简单的采用较小的速度策略，来抑制振动，必然会带来运动效率低的结果，
[0004] 针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，解决现有技术中存在 的缺陷。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种机械爪以及控制方法，采用伞形齿 轮实现机械爪的运动控制，利用非对称的型加减速控制方法，开始阶段的加加速度值较大， 结束阶段的加加速度值较小，能够有效提高机械爪的运动效率和精度。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] -种机械爪，包括机械臂本体、电控模块、驱动机构、传动机构、爪子机构，机械臂 本体连接有电控模块，电动模块控制驱动机构中的电机旋转，电机与传动机构相连接，传动 机构与爪子机构相连接并带动爪子机构运动，所述传动机构包括主动伞形齿轮、被动伞形 齿轮，所述爪子机构的传送轴与被动伞形齿轮配合连接，主动伞形齿轮带动被动伞形齿轮 旋转，实现爪子机构的运动。传动机构采用伞形齿轮能够改变电机扭矩的传动方向，使得零 部件的布置更为合理，减少机构所占的空间。
[0008] 进一步地，所述传动机构还包括支撑座、端盖，所述端盖固定连接在机械臂本体 上，支撑座中间位置设置有短轴用与被动伞形齿轮连接，使得被动伞形齿轮以能够旋转的 方式固定在支撑座上，无法轴向移动，支撑座四周设置有螺栓孔，用以与端盖固定连接。
[0009] 进一步地，所述被动伞形齿轮设置有梯度通孔，一端通孔较大用于同支撑座的短 轴相配合连接，限制被动伞形齿轮的径向移动，一端通孔较小并设置有螺纹用于同传送轴 的螺纹相配合，同时支撑座中间位置开有通孔，使得传送轴能够依次穿过端盖、支撑座与被 动伞形齿轮内螺纹相配合旋进旋出。
[0010] 进一步地，所述爪子机构包括传送轴、爪子、测距器、压敏元件、摄像头，爪子前端 内侧安装有压敏元件用以控制爪子的夹紧力，靠近压敏元件的位置，同时安装有测距器，用 以调节爪子张开的角度和范围，爪子上端的内侧同时安装有摄像头用以观察抓取时的周边 环境以及抓取物体。
[0011] 优选地，测距器为激光测距仪或者是超声波测距仪。
[0012] 本发明提供了又一以下技术方案：
[0013] 用于机械爪的控制方法，包括如下步骤：S10,把机械爪的位置信息输入到电控模 块中；S20,电控模块的控制芯片根据始末位置信息对机械爪进行轨迹规划；S30,电控模块 把规划信息转化为电机（1)控制信号；S40,通过控制电机（1)的旋转，实现控制机械爪运 动。
[0014] 机械爪的运动控制涉及到两位置点之间的运动，初始位置和终点位置的加速度与 速度均为零。采用非对称型加减速控制方法，运行过程被分为七段，分别是加加速度段、匀 加速度段、减加速度段、匀速度段、加减速度段、匀减速度段、减减速度段。其中加加速度段、 减加速度段、加减速度段与减减速度段这四个时间段时间值相同，匀加速度段和匀减速度 段时间值相同。考虑加加速度对机构运动的影响，非对称的型加减速控制方法，开始阶段即 加加速度段、减加速度段二个时间段采用较大加加速度，结束阶段即加减速度段、减减速度 段采用较小的加加速度，消除因为加加速度过大导致末端停止时出现的较大振动，无法兼 顾精度与效率的问题。
[0015] S20进一步包括以下步骤：
[0016] S201，电控模块的控制芯片根据始末位置信息，计算机械爪需要运动距离；
[0017] S202,控制芯片根据运动距离以及加工要求确定前后阶段的加加速度比率K;
[0018] S203,根据加加速度段时间值tn求出加减速度段时间值为t ]2，不考虑到轨迹规划 的约束条件，始末速度为零，加速度对时间积分得到速度值，进行分析计算：
[0020] 可以解得tn、tj2的关系，
[0022] 其中：jerk为最大加加速度度值，k为加加速度比率
[0023] S204,根据匀加速度段时间tal确定匀减速度段时间t a2，当tvl= 0时根据始末速 度约束条件即始末速度为零，已知tn、t]2的变化关系，利用面积割补法可以得到t al、ta2变 化关系，计算公式如下：
[0025] S205,计算匀加加速度阶段时间tn，根据时间最优原则，先不考虑限制条件，轨迹 规划时只有匀加加速度阶段包括四个时间段：加加速度段、减加速度段、加减速度段和减减 速度段，不存在其他速度变化段；因此先令tal= 0, t a2= 0, t vl= 0,求t η值；根据非对称型 加减速控制算法可得到关于速度和位移的二元三次方程组，进而可得tn，计算公式如下：
[0027] S206,对匀加加速度阶段时间tn进行修正，考虑速度，加速度限制要求，由于最大 速度出现减加速度段结束时，加速度最大值出现在加加速度段结束时，还必须对tn进行修 正计算公式如下：
[0029] S207,确定匀加速度段时间值tal，匀速度段时间值tvl，类似tn、t j2求解过程，可求 得tal值，进而求出t vl值；
[0030] S208,控制芯片根据规划的时间量，求出每个伺服周期内的位移量，优选地，控制 芯片采用DSP处理器，能够快速准确的进行运算。
[0031] 进一步地，S202,加加速度比率K为加加速度段加加速度值与加减速度段加加速 度值二者的比值，开始阶段即加加速度段和减加速度段采用较大加加速度，结束阶段即加 减速度段和减减速度段采用较小的加加速度，消除因为加加速度过大导致末端停止时出现 的较大振动，无法兼顾精度与效率的问题。
[0032] 进一步地，S208,对规划的时间量要根据采样周期进行离散化处理，转为机器系统 能够处理的时间周期。
[0033] 进一步地，对tn，tal进行修正计算后，t _j2, ta2需要分别根据S203、S204的计算方 法，进行重新计算确定tj2, ta2的值。
[0034] 进一步地，限制条件包括最大加速度限制、最大速度限制、最大位移限制。
[0035] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0036] 1.本发明采用伞形齿轮带动爪子机构运动，能够快速准确的控制爪子机构的运 动，并能节省机构所占的空间，使得整个机构设计更为合理、紧凑。
[0037] 2.本发明的爪子机构设置有压敏元件能够准确感应夹持力，并通过控制芯片能够 有效控制夹持力的大小，利用测距器能够准确控制爪子的张开的角度和范围，设置有摄像 头使得爪子抓取时，使用者能够准确了解爪子周边环境。
[0038] 3.本发明采用非对称的型加减速控制方法，开始阶段的加加速度值较大，结束阶 段的加加速度值较小，能够有效提高机械爪的运动效率和精度，减少爪子机构的停止阶段 的震动。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明具体实施例的爆炸图；
[0040] 图2为本发明具体实施例的局部示意图；
[0041] 图3为本发明具体实施例控制流程图；
[0042] 图4为本发明具体实施例中一段完整的加速度变化图；
[0043] 图5为本发明具体实施例中采样时间变化示意图。
[0044] 其中：1-电机，2-减速装置，3-电机轴，4-电机座，5-主动伞形齿轮，6-第一轴承， 7-垫圈，8-旋转轴，9-被动伞形齿轮，10-第二轴承，11-支撑座，12-端盖，13-轴套，14-传 送轴，15-显示屏，141-第一螺纹，142-第二螺纹，100-爪子机构，16-固定座，17-摄像头， 18-测距器，19-压敏元件，20-爪子。
【具体实施方式】
[0045] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0046] 相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修 改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细 节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的 描述也可以完全理解本发明。
[0047] 如图1、2所示，一种机械爪包括机械臂本体、电控模块、驱动机构、传动机构、爪子 机构100,驱动机构包括连接有减速装置2的电机1、电机座4,电机座4设置有电机1孔，电 机1通过轴承活动连接在电机座4上，电机座4通过螺栓固定在机械臂本体上。传动机构 包括主动伞形齿轮5、被动伞形齿轮9、支撑座11、端盖12,端盖12固定连接在机械臂本体 上，支撑座11中间位置设置有短轴用与被动伞形齿轮9连接，使得被动伞形齿轮9以能够 旋转的方式固定在支撑座11上，无法轴向移动，支撑座11四周设置有螺栓孔，用以与端盖 12固定连接。
[0048] 爪子机构100包括传送轴14、爪子20、测距器18、压敏元件19、摄像头17,传送轴 14一端设置有第一螺纹141，中间位置设置有第二螺纹142,传送轴14另一端固定连接有爪 子20,传送轴14通过第一螺纹141与机械臂本体固定连接，端盖12中间设置有通孔，通孔 内安装有轴套13,传送轴14穿过轴套13,使得传送轴14能够在端盖12中旋转并且