专利名称：五自由度机械手、驱动电路和控制方法
技术领域：
本发明涉及机械手领域，尤其涉及一种五自由度机械手、驱动电路和控制方法。
背景技术：
如今，机械手的作用越来越大，它能代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。为了能抓取空间中的物体，机械手需要多个自由度。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2或3个自由度，其种类按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械 手。目前，电动式机械手主要采用单舵机驱动控制单个机械手臂。由于整个机械手臂的重量较大，所需驱动力矩也较大，对所用的舵机要求较高。如若为了更大范围的抓取空间物体，需要增加机械手臂的自由度，亦使机械手臂的机构更加复杂，重量也随之增加。现有的利用单舵机驱动的机械大臂，其驱动力有限，其自由度一般都比较少，当自由度较多时，会出现大臂驱动力不足和机械手抖动的现象。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种机械手大臂驱动力稳定的五自由度机械手及其控制电路和控制方法。本发明提出的一种五自由度机械手，包括依次连接的机械手大臂、机械手小臂、第一手腕、第二手腕和机械手手掌，所述五自由度机械手还包括设置在所述机械手大臂底端两侧并联设置的、用于控制所述机械手大臂运转的第一舵机和第二舵机；用于带动所述机械手小臂运动的第三舵机；带动所述第一手腕运动的第四舵机；带动所述第二手腕运动的第五舵机；带动所述机械手手掌运动的第六舵机。优选地，所述第一舵机与第二舵机相对设置，使同一时刻所述第一舵机控制所述机械手大臂一侧运转的角度与所述第二舵机控制所述机械手大臂另一侧运转的角度互补。优选地，所述机械手手掌包括左手指与右手指，所述左手指与右手指上分别设置有用于带动该左手指与右手指运动的主动齿轮与从动齿轮，所述主动齿轮与所述第六舵机连接。优选地，所述主动齿轮与从动齿轮的规格相同。本发明进一步还提出一种五自由度机械手的驱动电路，用于控制上述五自由度机械手，该驱动电路包括控制器，与该控制器连接的驱动电路芯片，所述驱动电路芯片的移位时钟输入端与锁存时钟输入端连接所述控制器的同一输出端，所述驱动电路芯片的串行数据引脚输入端连接所述控制器的另一输出端，所述驱动电路芯片并行数据输出端的六个输出端依次连接所述第一舵机至第六舵机。本发明进一步还提出一种五自由度机械手的控制方法，基于上述驱动电路控制五自由度机械手，该控制方法包括以下步骤设置机械手大臂向前转动初始角度a，根据所述初始角度a设定所述第一舵机和第二舵机的目标角度值；根据所述第一舵机和第二舵机的目标角度值生成目标脉宽值；根据所述目标脉宽值，同步控制第一舵机和第二舵机达到目标角度值，使机械手大臂到达目标位置。优选地，在设置机械手大臂向前转动初始角度a之前，还包括以下步骤初始化控制器的驱动引脚；初始化第一舵机至第六舵机到90°位置； 初始化控制器中的定时器。优选地，所述根据初始角度α设定I号舵机和2号舵机的目标角度值具体为第一舵机的目标角度值设定为90° — a，第二舵机的目标角度值设定为180° —(90。 一 a )。优选地，所述同步控制第一舵机和第二舵机达到目标角度值具体为按照一定的周期更新第一舵机与第二舵机的当前脉宽值，使第一舵机的当前脉宽值依次增加一个单位角度值，同时第二舵机的当前脉宽值依次减少一个单位角度值，直到第一舵机与第二舵机的当前脉宽值达到相应的目标脉宽值。优选地，所述角度单位值为舵机带动机械手大臂运动1°所对应的脉宽值。本发明提供的五自由度机械手，通过设置舵机分别带动机械手大臂、机械手小臂、第一手腕、第二手腕和机械手手掌运动，实现了机械手的五自由度。五自由度机械手与2或3自由度机械手相比，活动更加灵活，同时也增大了机械手手掌抓取物体的范围。
图I为本发明五自由度机械手的结构示意图；图2为本发明五自由度机械手的驱动电路的结构示意图；图3为本发明五自由度机械手的控制方法的一实施例的流程示意图；图4为本发明五自由度机械手的控制方法的另一实施例的流程示意图。本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例就本发明的技术方案做进一步的说明。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。本发明提出一种五自由度机械手。参照图1，本发明五自由度机械手的结构示意图。在本实施例中，该五自由度机械手，包括依次连接的机械手大臂、机械手小臂、第一手腕、第二手腕和机械手手掌，还包括设置在机械手大臂底端两侧并联设置的、用于控制机械手大臂运转的第一舵机和第二舵机；用于带动机械手小臂运动的第三舵机；带动第一手腕运动的第四舵机；带动第二手腕运动的第五舵机；带动机械手手掌运动的第六舵机。当控制机械手手掌抓取某物体时，程序计算出每个部分需要运动的角度，然后通过控制第一舵机至第六舵机运动，使机械手到达指定位置抓取物体。通过设置舵机分别带动机械手大臂、机械手小臂、第一手腕、第二手腕和机械手手掌运动，实现了机械手的五自由度。五自由度机械手与2或3自由度机械手相比，活动更加灵活，同时也增大了机械手手掌抓取物体的范围。在上述实施例中，第一舵机101和第二舵机102为180°角度舵机，同时第一舵机101与第二舵机102需要相对设置，使同一时刻第一舵机101控制机械手大臂10 —侧运转的角度与第二舵机102控制机械手大臂10另一侧运转的角度互补。设定第一舵机101与第二舵机102在0°的位置为初始位置，当需要控制机械手大臂10运动到α位置时，则控制器需发送转动角度为α的控制信号给第一舵机101,同时发送角度180 — α的控制信号给第二舵机102，这时，第一舵机101从0°逐渐转动到α位置，第二舵机102从O。逐渐转 动到180 - α位置，同时要保证在同一时刻下第一舵机101与第二舵机102的转动角度是互补的，这样，机械手大臂10在运转时，其左、右两侧的运动可以保持一致，从而使机械手大臂10运转到设定位置。通过设置180°角度舵机，同时第一舵机101与第二舵机102同一时刻的运转的角度为互补，实现了机械手大臂10左、右两侧同步运动。此外，优选将第三舵机201和第四舵机301设置在机械手小臂20的内侧；第五舵机401设置在第一手腕30与第二手腕40之间，并连接第一手腕30与第二手腕40 ;第六舵机501设置在第二手腕40上。当机械手抓取某一个物体时，通过程序的计算后，通过第一舵机101至第六舵机分别驱动相应的机械手大臂10、机械手小臂20、第一手腕30、第二手腕40和机械手手掌50做相应的运动，从而到达指定位置上抓取该物体。通过设置单个舵机单独控制机械手的一部分运动，使机械手大臂10、机械手小臂20、第一手腕30、第二手腕40和机械手手掌50可以单独运动而不受其它部分的影响，从而使该五自由度机械手的性能更为可靠。在上述实施例中，机械手手掌50包括左手指与右手指，左手指与右手指上分别设置有用于带动该左手指与右手指运动的主动齿轮与从动齿轮，主动齿轮与第六舵机501连接。左手指与右手指优选用可拆连接螺钉，并相应的可以设计不同的手爪，配合抓取不同形状的物体，只用更换不同形状的左手指与右手指即可。当机械手手掌50抓取物体时，第六舵机501工作带动与左手指连接的主动齿轮运动，主动齿轮运动从而带动与之配合的从动齿轮运动，进而使右手指也做相应的运动，左手指与右手指配合，实现抓取物体。通过主动齿轮与从动齿轮的配合来控制机械手手掌50的运动，不仅不用单独对左、右手指单独设置相应的舵机，这样，整个五自由度机械手构造简单，同时，使用同一舵机控制左、右手指同步运动，而不需要使用单独程序进行左、右手指的运动进行控制。在上述实施例中，可以设置主动齿轮与从动齿轮的规格相同。当主动齿轮与从动齿轮型号相同，这样当第六舵机501将驱动力给到主动齿轮时，因主动齿轮与从动齿轮的传动比为1，当抓取一个物体时，左手指与右手指所接收到的舵机的驱动力相同，使机械手手掌50抓取物体时左、右手指的受力均匀。通过将主动齿轮与从动齿轮的型号设置为相同，使该五自由度机械手抓取物体时更稳定、物体不易掉落。本发明进一步还提出一种五自由度机械手的驱动电路，用于控制上述实施例的五自由度机械手。
参照图2，本发明五自由度机械手的驱动电路的结构示意图。本实施例中的五自由度机械手的驱动电路，包括控制器60，以及与该控制器60连接的驱动电路芯片70，其中，驱动电路芯片70的移位时钟输入端与锁存时钟输入端连接控制器60的同一输出端，驱动电路芯片70的串行数据引脚输入端连接控制器60的另一输出端，驱动电路芯片70的并行数据输出端的六个输出端依次连接第一舵机101至第六舵机501。本发明提供的驱动电路芯片70的并行数据输出端有八个引脚，可分别控制八个舵机运转，在本实施例中只用到其中六个引脚，连接六个舵机。当五自由度机械手需要增加额外的舵机驱动时，将增加的舵机连接该驱动电路芯片70剩余的两个引脚即可。当五自由度机械手抓取物体时，控制器60计算出各个舵机需要运转的角度后，向驱动电路芯片70中的移位时钟与锁存时钟发送数据信号，该数据信号通过驱动电路芯片70中的串行数据输入端传送至驱动电路芯片70，驱动电路芯片70再将接收到的控制器60发送的数据信号转化为PWM (Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，该PWM信号从驱动电路的并行数据输出端输出，从而控制相应舵机的运转。舵机的工作原理为根据驱动电路的并行数据输出端所输出的PWM信号的变化进行运转。 通过设置这种结构的驱动电路，不仅控制算法很巧妙，实现了数据的串行输入、并行输出，同时也节省了控制器的端口资源。本发明进一步还提出一种五自由度机械手的控制方法，应用于上述实施例的五自由度机械手。参照图3，图3为本发明五自由度机械手的控制方法的一实施例的流程示意图。在本实施例中，五自由度机械手的控制方法包括以下步骤步骤S10，设置机械手大臂向前转动初始角度α，根据初始角度α设定第一舵机和第二舵机的目标角度值；首先设置机械手大臂需要运转的初始角度值α，驱动电路根据初始角度值α设定第一舵机和第二舵机的目标角度值，设定了第一舵机与第二舵机的目标角度值后，驱动电路根据目标角度值进一步驱动第一舵机与第二舵机逐步移动。步骤S20，根据第一舵机和第二舵机的目标角度值生成目标脉宽值；设定了第一舵机与第二舵机的目标角度值后，因舵机的移动是PWM信号控制的，即通过脉宽值来控制舵机的运转。因此，控制器先根据目标角度值，通过计算机程序计算得出目标脉宽值，再使控制舵机的当前脉宽值逐步达到目标脉宽值，进而对舵机的运转进行控制。步骤S30，根据目标脉宽值，同步控制第一舵机和第二舵机达到目标角度值，使机械手大臂到达目标位置。将目标角度值转化为目标脉宽值后，根据该目标脉宽值，在驱动电路控制第一舵机和第二舵机、其当前脉宽值逐渐达到目标脉宽值的过程中，同步控制第一舵机和第二舵机达到目标角度值，从而控制机械手大臂到达目标位置。本发明实施例，通过设置机械手大臂向前转动的初始角度α，再根据该初始角度α计算出第一舵机和第二舵机的目标角度值，根据第一舵机和第二舵机的目标角度值生成目标脉宽值，进而根据该目标脉宽值，同步控制第一舵机和第二舵机达到目标角度值，使机械手大臂到达目标位置。采用这种方法，实现了通过第一舵机与第二舵机的并联，同步驱动机械手大臂。参照图4，图4为本发明五自由度机械手的控制方法的另一实施例的流程示意图。在本发明五自由度机械手的控制方法一实施例的基础上，在步骤SlO之前，还包括步骤S40，初始化控制器的驱动引脚；初始化控制器的驱动引脚，即对控制器发送到驱动电路芯片中的信号进行初始化。步骤S50，初始化第一舵机至第六舵机到90°位置；通过驱动电路中的控制器将第一舵机至第六舵机初始化到90°位置，当驱动电路控制舵机运转时，舵机以90°位置作为起点位置，从该起点位置起步再运转到程序计算出 的指定位置。步骤S60，初始化控制器中的定时器。将控制器中的定时器进行初始化，当驱动电路准备控制舵机运动时，通过定时器开始计数。本发明实施例，通过初始化驱动电路驱动引脚，初始化第一舵机至第六舵机到90°位置，同时初始化控制器中的定时器，定时器以O. 5μ s为一个时间单位来计数，并且将计数的结果加I。如控制器需要每间隔一定时间发送数据信号来改变舵机的脉宽值，比如每隔Ims更新一次舵机脉宽值，此时，待计数器的计数结果从I累加到2000时，控制器才会发送数据信号至驱动电路芯片，以供更新舵机的当前脉宽值。通过对驱动电路进行初始化，使驱动电路回到原始状态，从而为驱动电路驱动舵机提供了前提条件。在本发明五自由度机械手的控制方法一实施例的基础上，步骤SlO中根据初始角度α设定第一舵机和第二舵机的目标角度值具体为第一舵机的目标角度值设定为90° — α，第二舵机的目标角度值设定为180° —(90。 一 α )。因第一舵机与第二舵机在初始化时都回到了 90°位置，当机械手大臂的初始角度值为α时，此时将第一舵机的目标角度值设定为90° — α，由于第一舵机与第二舵机的目标角度值必须互补，因此，第二舵机的目标角度值设定为180° —(90° - α);并且，当第一舵机与第二舵机同时达到目标角度值时，才能使机械手大臂到达指定位置。通过设定第一舵机的目标角度值为90° — a，第二舵机的目标角度值为180° —(90° — a)，实现了通过第一舵机与第二舵机的并联来驱动五自由度机械手。在本发明五自由度机械手的控制方法一实施例的基础上，步骤S30具体为按照一定周期更新第一舵机与第二舵机的当前脉宽值，使第一舵机的当前脉宽值依次增加一个角度单位值，同时第二舵机的当前脉宽值依次减少一个角度单位值，直到第一舵机与第二舵机的当前脉宽值达到相应的目标脉宽值，达到同步控制第一舵机与第二舵机的运转。通过计算机程序计算出舵机每运转一个角度单位值所需要的时间间隔，再通过驱动电路按此时间间隔输出连续的脉宽值不断改变的PWM信号，达到逐步控制舵机运转的角度。具体为按照舵机每运转一个角度单位值所需要的时间间隔，更新第一舵机与第二舵机的当前脉宽值，使第一舵机的当前脉宽值依次增加一个角度单位值，同时使第二舵机的当前脉宽值依次减少一个角度单位值，直到第一舵机与第二舵机的当前脉宽值都达到相应的目标脉宽值。通过根据舵机每运转一个角度单位值所需要的时间间隔，来逐步增加或减少第一舵机与第二舵机的当前脉宽值，使其当前脉宽值逐步达到目标脉宽值，这样就进一步保证了能够使第一舵机与第二舵机实现并联同步控制机械手大臂运转。在本发明五自由度机械手的控制方法一实施例的基础上，角度单位值为舵机带动机械手大臂运动1°所对应的脉宽值。通过计算机程序计算出舵机每运转1°所对应的时间间隔，并通过驱动电路按此时间间隔连续的输出不断改变的脉宽值，从而控制舵机运转的角度。通过将角度单位值设置为舵机带动机械手大臂运动1°所对应的脉宽值，实现了对第一舵机与第二舵机运转的精确控制。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用·本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种五自由度机械手，其特征在于，包括依次连接的机械手大臂、机械手小臂、第一手腕、第二手腕和机械手手掌，所述五自由度机械手还包括设置在所述机械手大臂底端两侧并联设置的、用于控制所述机械手大臂运转的第一舵机和第二舵机；用于带动所述机械手小臂运动的第三舵机；带动所述第一手腕运动的第四舵机；带动所述第二手腕运动的第五舵机；带动所述机械手手掌运动的第六舵机。
2.如权利要求I所述的机械手大臂装置，其特征在于，所述第一舵机与第二舵机相对设置，使同一时刻所述第一舵机控制所述机械手大臂一侧运转的角度与所述第二舵机控制所述机械手大臂另一侧运转的角度互补。
3.如权利要求2所述的五自由度机械手，其特征在于，所述机械手手掌包括左手指与右手指，所述左手指与右手指上分别设置有用于带动该左手指与右手指运动的主动齿轮与从动齿轮，所述主动齿轮与所述第六舵机连接。
4.如权利要求I至3任意一项中所述的五自由度机械手，其特征在于，所述主动齿轮与从动齿轮的规格相同。
5.一种五自由度机械手的驱动电路，用于控制上述五自由度机械手，其特征在于，包括控制器，与该控制器连接的驱动电路芯片，所述驱动电路芯片的移位时钟输入端与锁存时钟输入端连接所述控制器的同一输出端，所述驱动电路芯片的串行数据引脚输入端连接所述控制器的另一输出端，所述驱动电路芯片并行数据输出端的六个输出端依次连接所述第一舵机至第六舵机。
6.一种五自由度机械手的控制方法，基于上述驱动电路控制五自由度机械手，其特征在于，包括以下步骤 设置机械手大臂向前转动初始角度α，根据所述初始角度α设定所述第一舵机和第二舵机的目标角度值； 根据所述第一舵机和第二舵机的目标角度值生成目标脉宽值； 根据所述目标脉宽值，同步控制第一舵机和第二舵机达到目标角度值，使机械手大臂到达目标位置。
7.如权利要求6所述的五自由度机械手的控制方法，其特征在于，在设置机械手大臂向前转动初始角度α之前，还包括 初始化控制器的驱动引脚； 初始化第一舵机至第六舵机到90°位置； 初始化控制器中的定时器。
8.如权利要求7所述的五自由度机械手的控制方法，其特征在于，所述根据初始角度α设定I号舵机和2号舵机的目标角度值具体为 第一舵机的目标角度值设定为90° — α，第二舵机的目标角度值设定为180° -(90。 一 α )。
9.如权利要求8所述的五自由度机械手的控制方法，其特征在于，所述同步控制第一舵机和第二舵机达到目标角度值具体为 按照一定的周期更新第一舵机与第二舵机的当前脉宽值，使第一舵机的当前脉宽值依次增加一个单位角度值，同时第二舵机的当前脉宽值依次减少一个单位角度值，直到第一舵机与第二舵机的当前脉宽值达到相应的目标脉宽值。
10.如权利要求6至9中任意一项所述的五自由度机械手的控制方法，其特征在于，所述角度单位值为舵机带动机械手大臂运动1°所对应的脉宽值。
全文摘要
本发明公开一种五自由度机械手，包括依次连接的机械手大臂、机械手小臂、第一手腕、第二手腕和机械手手掌，五自由度机械手还包括设置在机械手大臂底端两侧并联设置的、用于控制机械手大臂运转的第一舵机和第二舵机；用于带动机械手小臂运动的第三舵机；带动第一手腕运动的第四舵机；带动第二手腕运动的第五舵机；带动机械手手掌运动的第六舵机。本发明进一步还公开了一种五自由度机械手的驱动电路和控制方法。本发明公开的五自由度机械手相比2或3自由度机械手，活动更加灵活，同时也增大了机械手手掌抓取物体的范围。
文档编号B25J9/16GK102873684SQ20121034917
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者秦志强 申请人:深圳市中科鸥鹏智能科技有限公司