机器人手爪及其控制方法

机器人手爪及其控制方法
【专利摘要】本发明提供一种机器人手爪，包括两个机器人手臂、布置在两机器人手臂各自的端部的上接触部和下接触部。在抓握物体时，上接触部和下接触部与物体的顶部和底部接触。上接触部和下接触部是具有预定半径的半球形。传感器单元安装在上接触部和下接触部。在抓握物体时，传感器单元测量施加至上接触部或者下接触部的垂直力或者水平力。提供控制单元，其被配置为在抓握物体时，利用手臂端部间的垂直和水平距离以及由传感器单元测量的垂直分力，确定物体重心是否位于手臂端部间的中心位置。
【专利说明】机器人手爪及其控制方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于35U.S.C.§ 119(a)要求在2012年12月27日提交的韩国专利申请号10-2012-0154474的优先权的权益，该申请的全部内容并入本文以作参考。
【技术领域】
[0003]本公开涉及机器人手爪和控制机器人手爪的方法，当操作重心不明的未知物体时，该机器人手爪可以通过计算从待举物体的重心到安装在手爪上的具有2-轴传感器的手臂的接触点的距离，选择新的接触点，重复抓握物体并计算垂直分力和水平分力来确定稳定性。
【背景技术】
[0004]机器人手爪用于抓握和移动物体。双手臂机器人试图抓握和举起物体且物体重心位于两手臂间的中心位置。然而，机器人手爪难以稳定地保持较重或较长的物体。在工业领域中用于抓握物体的机器人可能由于滑落物体而引发事故。因此，需要开发一种能够(例如通过在抓握时使用传感器)在抓握过程中确定稳定性的方法，从而防止此类事故。
[0005]KR10-2012-0069923A,题为“WALKING ROBOT AND METHOD FOR CONTROLLINGBALANCING THE SAME (步行机器人和控制其平衡的方法)”公开了步行机器人和用于控制机器人平衡的方法，用于控制通过扭矩伺服操作关节的步行机器人的稳定平衡。通过计算虚拟重力加速度、利 用机器人的重心并计算重力补偿扭矩，从而根据所计算的虚拟重力加速度将力从施加至连杆(link)，即使在有外部变化包括来自外部的任何力和地面倾斜度的情况下，其也能够保持直立姿势和期望的上体角。此外，即使在没有关于地面倾斜方向和倾斜度的信息的条件下，机器人也能够保持相对于重力方向的直立姿势，并且即使机器人所站立的地面逐渐倾斜，也能在改变踝关节角度的同时保持上体姿势和腿部稳定。然而，即使使用本方法，也难以估计未知物体抓握中的稳定性，因此，这种技术对于本工业领域中的机器人是必然需要的。
[0006]以上提供的描述是本公开的现有技术，用于帮助理解本公开的背景。

【发明内容】

[0007]根据本公开的实施方式，提供如下的机器人手爪，其包含两个机器人手臂、布置在两个机器人手臂各自的端部的上接触部和下接触部。在抓握物体时，上接触部和下接触部与物体的顶部和底部接触。上接触部和下接触部形成具有预定半径的半球形。上接触部和下接触部上安装有传感器单元。在抓握物体时，传感器单元测量施加至上接触部或者下接触部的垂直力或者水平力。提供控制单元，其被配置为在抓握物体时，利用手臂端部间的垂直和水平距离以及由传感器单元测得的垂直分力，确定物体重心是否位于手臂端部间的中心位置。
[0008]根据本公开的另一个实施方式，提供控制机器人手爪的方法。机器人手爪包含两个机器人手臂、布置在两个机器人手臂各自的端部的上接触部和下接触部。在抓握时，上接触部和下接触部与物体的顶部和底部接触。上接触部和下接触部形成具有预定半径的半球形。上接触部和下接触部上安装有传感器单元。在抓握物体时，传感器单元测量施加至上接触部或者下接触部的垂直力或者水平力。提供控制单元，其被配置为在抓握物体时，利用手臂端部间的垂直和水平距离以及由传感器单元测得的垂直分力，确定物体重心是否位于手臂端部间的中心位置。该方法包括抓握物体和根据手臂端部的垂直和水平距离测量物体的倾斜角。利用物体倾斜角以及由传感器单元所测量的垂直分力，计算从物体重心到手臂端部的水平距离。
[0009]致力于解决所述问题而做出本公开，本公开的目的是提供这样的机器人手爪，当操作重心不明的物体时，其能够通过计算从物体重心到手爪上安装有2-轴传感器的接触点的距离，选择新的接触点，重复抓握和计算与重心的距离，并计算垂直分力和水平分力，由此确定稳定性。本公开的另一个目的是控制机器人手爪的方法。
[0010]在本公开的某些实施方式中，当重心并不位于手臂端部间的中心位置时，控制单元确定物体与上接触部或者下接触部之间的摩擦力并比较摩擦力和水平分力。
[0011]在本公开的某些实施方式中，本公开的控制机器人手爪的方法包括:抓握物体；根据手臂端部的垂直和水平距离，测量物体的倾斜角；以及利用物体倾斜角以及由传感器单元所测量的垂直分力，计算从物体重心到手臂端部的水平距离。
[0012]在某些实施方式中，计算处理还包括确定水平力是否相等。
[0013]在某些实施方式中，确定过程还包括当水平距离不相等时，计算物体与上接触部或者下接触部之间所产生的摩擦力。
[0014]在某些实施方式中，计算处理利用物体的倾斜角和由传感器单元所测量的垂直和水平分力来确定垂直和水平分力，并利用垂直分力提取摩擦力。
[0015]在某些实施方式中，计算处理还包括将所提取的摩擦力与水平分力进行比较。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]根据对本公开实施方式的更详细描述，本公开的上述和其他特征将更加显而易见，如附图所图解说明，其中贯穿不同视图，相似的附图标记可指代相同或者相似部分。附图并非必然是按比例的，而是将重点放在说明本公开实施方式的原理上。
[0017]图1是示出根据本公开实施方式的机器人手爪的构造的视图；
[0018]图2至图3是示出根据本公开实施方式的控制机器人手爪的方法的视图；且
[0019]图4是示出根据本公开实施方式的控制机器人手爪的方法的流程图。
[0020]应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。
【具体实施方式】
[0021]以下参考附图描述根据本公开实施方式的机器人手爪和控制机器人手爪的方法。
[0022]图1是示出根据本公开实施方式的机器人手爪的构造的视图；图2至图3是示出根据本公开实施方式的控制机器人手爪的方法的视图；且图4是示出根据本公开实施方式的控制机器人手爪的方法的流程图。
[0023]如图2所示，根据本公开实施方式的机器人手爪包括:布置在两个机器人手臂100,200的端部100’、200’的上接触部300和下接触部400 (参见图1)。当抓握时，上接触部和下接触部300、400开始接触物体10的顶部和底部。上接触部和下接触部300、400为具有预定半径的大致半球形。传感器单元500安装在上接触部300和下接触部400上，并且在抓握物体10时，测量施加至上接触部300或者下接触部400的垂直力或者水平力。控制单元700被配置为在抓握物体10时，利用手臂端部100’和200’间的垂直和水平距离dx和dy以及由传感器单元500所测量的垂直分力，确定物体10的重心C是否位于手臂端部100，和200，间的中心位置。
[0024]图1示出根据本公开实施方式的机器人手爪1000。本公开的机器人手爪1000可用于使用两手臂抓握和举起重物。此外，机器人手爪1000可用于可穿戴式机器人。
[0025]在本公开的某些实施方式中，手爪安装在机器人手臂100和200的端部100’和200’上(未示出)。手爪从上方和下方同时抓握和保持物体10的顶部和底部，并举起物体
10。然而，如果物体10不在手臂100、200之间的中心位置或者在举起过程中变斜，物体可能滑动和掉落或者其在被举起后将会易被外力分开，这样可能会导致事故。
[0026]根据本公开的实施方式，当通过在举起物体之前确定物体稳定性而确定物体未处于安全位置时，可引导手爪再次抓握物体。此外，还可以执行能够确定未知物体重量的逻辑。
[0027]为实现这些目的，根据本公开实施方式的机器人手爪包括分别安装在机器人手臂(100,200)的端部(100’、200’)上的接触部300和下接触部400，其在抓握时与物体10的顶部和底部接触，并且具有预定半径的半球形状。
[0028]根据某些实施方式，手爪的上接触部300和下接触部400分别与物体10的顶部和底部相接触。此外，传感器单元500安装在上接触部300和下接触部400上，并且在抓握物体10时，测量施加至上接触部300或下接触部400的垂直力或水平力。传感器单元500主要测量由物体10施加至上接触部300或者下接触部400的垂直力或水平力。在某些实施方式中，传感器单元由水平传感器520和垂直传感器540组成。
[0029]在本公开的某些实施方式中，在抓握物体10时，控制单元700利用手臂端部100’与200’间的垂直和水平距离dx和dy以及由传感器单元500测得的垂直分力，来确定物体10的重心C是否位于手臂端部100’和200’间的中心，从而确定稳定性。
[0030]在某些实施方式中，当重心不在手臂端部100’和200’之间的中心时，控制单元700其次还通过确定物体10与上接触部300或者与下接触部400之间的摩擦力并比较摩擦力和水平分力,来确定稳定性。
[0031]图4是示出图2和图3所示的根据本公开实施方式的控制机器人手爪的方法的流程图。
[0032]本公开的控制机器人手爪的方法包括:抓握物体SlOO ;根据手臂端部的垂直和水平距离，测量物体的倾斜角S200 ;利用物体倾斜角和由传感器单元所测量的垂直分力，计算从物体重心到手臂端部的水平距离S300。如图2所示，确定出物体的中心位置。根据本公开的实施方式，方法执行物体抓握S100，然后根据手臂端部的垂直和水平距离，执行物体的倾斜角测量S200。[0033]如果物体倾斜，机器人手臂的端部同样倾斜与该倾斜角相同的角度，这是因为上接触部300和下接触部400具有半径Rs的半球形表面，如上所述。
[0034]根据某些实施方式，可以通过手臂端部的垂直距离dy和水平距离dx的三角函数，来确定物体倾斜角，如以下等式:
[0035]【等式I】
[0036]Θ=tan_l(dy/dx)
[0037]此外，方法利用物体的倾斜角和由传感器单元所测量的垂直分力，执行物体重心与手臂端部的水平距离的计算S300。[0038]通过以下等式，可确定物体重心C到手臂端部的水平距离r1和r2。
[0039]【等式2】
[0040]SMg=Cr1-Rsin Θ ) F11- (r^Rsin Θ ) F12- (r2+Rsin Θ ) F21+Cr2-Rsin Θ ) F22=O
[0041]r1+r2=dx
[0042]从等式2可见，通过得到两等式的两变量，计算物体重心C到手臂端部的水平距离rjPr2。即，使用三角函数根据传感器单元所测量的垂直分力(Fn、F12, F21和F22)、上接触部300和下接触部400的半径Rs以及变量r1和r2提取显示物体重心C处的力矩总和是O的等式，然后使用显示水平距离dx在手臂端部相等的两个等式计算ri+r2。倾斜角Θ预先确定。在确定A和r2后，执行水平距离是否相等的确定步骤S400。当水平距离&与r2相等时，确定物体被稳定地放置在中心处。
[0043]然而，当r1与r2不相等时，即，当水平距离不相等，物体重心并不位于手臂间的中心位置处时，计算物体与上接触部或者下接触部之间的摩擦力S500。
[0044]另外，计算步骤S500利用物体倾斜角和由传感器单元所测量的垂直和水平分力，确定垂直和水平分力，并利用垂直分力提取摩擦力，然后执行所提取摩擦力与水平分力的比较S600。
[0045]图3示出第二确定过程，其参考以下等式描述。
[0046]【等式3】
[0047]Ft= (Fx-Fytan θ ) *cos θ
[0048]Fn= (Fy+Ftsin θ )/cosθ
[0049]Ft≤ μ *Fn
[0050]预先确定这些等式中的倾斜角θ。此外，通过传感器单元500测量上接触部与物体之间所产生的力Fx和Fy，并由这些力得到合力F.。利用倾斜角θ，再将合力分解成相对于物体的垂直分力Fn和水平分力Ft。此外，由垂直分力得到摩擦力μ *Fn，当水平分力Ft小于摩擦力时，认为物体不滑动，由此确定物体处于稳定的抓握状态。
[0051]因此，当在过程中的初次和二次测试中确定物体稳定时，引导手爪在新位置抓握物体，以便可以稳定地举起物体。
[0052]根据具有上述结构的机器人手爪和控制机器人手爪的方法，可以计算未知物体的重量和计算接触点与重心的距离。
[0053]因此，能够反复放置物体直至物体重心位于手臂间的中心位置，以及通过计算接触点处的垂直/水平反作用力来确定物体抓握稳定性。
[0054]根据具有上述结构的机器人手爪和控制机器人手爪的方法，可以计算未知物体的重量和计算接触点与重心的距离。
[0055]因此，能够通过反复放置物体使得物体的重心位于手臂间的中心，从而安全地操作，并可以通过计算接触点处的垂直/水平反作用力来确定物体抓握稳定性。
[0056]已经参考本发明的优选实施方式详细描述本发明。然而，本领域的技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式做出改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。
【权利要求】
1.一种机器人手爪,包括: 两个机器人手臂； 上接触部和下接触部，布置在所述两个机器人手臂各自的端部，其中在抓握物体时，所述上接触部和所述下接触部与所述物体的顶部和底部接触，且 所述上接触部和所述下接触部形成具有预定半径的半球形； 传感器单元，安装在所述上接触部和所述下接触部上，其中在抓握所述物体时，所述传感器单元测量施加至所述上接触部或者所述下接触部的垂直力或者水平力；以及 控制单元，被配置为在抓握所述物体时，利用所述手臂的端部之间的垂直距离和水平距离以及由所述传感器单元测量的垂直分力，确定所述物体的重心是否位于所述手臂的端部之间的中心位置。
2.根据权利要求1所述的机器人手爪，其中在所述重心并不位于所述手臂的端部之间的中心位置时，所述控制单元确定所述物体与所述上接触部或所述下接触部之间的摩擦力，并将所述摩擦力与水平分力进行比较。
3.—种控制根据权利要求1所述的机器人手爪的方法，所述方法包括: 抓握物体； 根据所述手臂的 端部的垂直距离和水平距离，测量所述物体的倾斜角；和 利用所述物体的倾斜角和由所述传感器单元测量的垂直分力，计算从所述物体的重心到所述手臂的端部的水平距离。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述计算处理还包括确定水平力是否相等。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述确定处理还包括当所述水平距离不相等时，计算所述物体与所述上接触部或者所述下接触部之间作用的摩擦力。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述计算处理利用所述物体的倾斜角以及由所述传感器单元测量的垂直分力和水平分力，确定垂直分力和水平分力，并利用所述垂直分力提取所述摩擦力。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述计算处理还包括将所提取的摩擦力与所述水平分力进行比较。
【文档编号】B25J9/18GK103895010SQ201310455926
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】李硕远, 梁佑诚 申请人:现代自动车株式会社