一种力/位混合柔顺控制的夹持装置、手操设备以及夹持装置和手操设备的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及具有遥控力反馈手操的力/位混合柔顺控制夹持技术，属于智能机器 人自动化领域。
【背景技术】
[0002] 夹持装置是工业机器人在抓取物体时的重要末端执行机构。许多工业现场需要夹 持器抓取物体时，设及夹持器和被抓物体间的相互作用，夹持臂的位移W及夹持臂与被抓 物质间的接触力是夹持过程控制的重要指标，它决定了机器人是否能在不对被抓物破坏的 前提下有效抓取物体。由于特殊工况及操作安全的考虑，某些场合需要夹持装置具有远程 操作功能，同时需要遥控操作者能够感知夹持力的大小。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了适应工业机器人的发展需求，提供一种力/位混合柔顺控制 的夹持装置、手操设备W及夹持装置和手操设备的控制方法。
[0004] 本发明所述的一种力/位混合柔顺控制的夹持装置包括底板1、电机支架2、电机3、 一号编码器4、减速器5、滑台6、双向螺杆7、两个V型定位夹持臂8、螺杆支架10、一号处理器、 驱动电路12、一号差分/TTL电平转换电路和信号调理电路；
[0005] 电机支架2用于将电机3固定在底板1上，螺杆支架10用于将双向螺杆7固定在底板 1上，且双向螺杆7能够绕其轴线转动，电机3用于通过减速器5带动双向螺杆7转动；
[0006] 滑台6固定在底板1上，且滑台6的上表面设置有凹槽，该凹槽的长度方向与双向螺 杆7的轴线平行;两个V型定位夹持臂8相对设置，每个V型定位夹持臂8的夹持面均设置有娃 橡胶贴装层9,且其中一个娃橡胶贴装层9内埋有压力传感器;两个V型定位夹持臂8分别与 双向螺杆7的两端螺纹连接，两个V型定位夹持臂8的底部均位于滑台6上的凹槽内，并能够 沿该凹槽的长度方向移动；
[0007] -号处理器的控制信号输出端通过驱动电路12连接电机3的控制信号输入端，一 号编码器4用于检测电机3输出轴的角位移，一号编码器4的信号输出端通过一号差分/TTL 电平转换电路连接一号处理器的电机角位移信号输入端，一号处理器的CAN总线接口用于 接收位置指令W及发送力反馈信号，压力传感器的检测信号输出端通过信号调理电路连接 一号处理器的夹持力反馈信号输入端。
[000引与上述夹持装置相配合的手操设备包括手轮15、二号编码器16、磁粉制动器19、齿 形带20、Ξ号齿轮21、四号齿轮22、二号处理器、二号差分/TTL电平转换电路、Η桥驱动器25 和霍尔电流传感器；
[0009] Ξ号齿轮21套固在手轮15的转轴上，四号齿轮22套固在磁粉制动器19上，四号齿 轮22用于通过齿形带20带动Ξ号齿轮21转动；
[0010] 二号处理器的二号编码器16用于检测手轮15转轴的角位移，二号编码器16的信号 输出端通过二号差分/TTL电平转换电路连接二号处理器的手轮角位移信号输入端，二号处 理器的控制信号输出端通过Η桥驱动器25连接磁粉制动器19的控制信号输入端，霍尔电流 传感器用于检测磁粉制动器19的驱动电流，霍尔电流传感器的电流检测信号输出端连接二 号处理器的电流反馈信号输入端，二号处理器的CAN总线接口用于发送位置指令W及接收 力反馈信号。
[0011] 上述夹持装置的控制方法由嵌入在一号处理器内的软件实现，所述方法包括W下 步骤：
[0012] 位置指令接收步骤:接收位置指令；
[0013] 压力采集步骤:采集压力传感器发来的压力信号；
[0014] 压力信号发送步骤:将压力传感器发来的压力信号发送给手操设备；
[0015] 力反馈等效位移获得步骤:利用力/位移转换函数将采集到的压力信号转换为力 反馈等效位移；
[0016] 夹持臂当前位置获得步骤:将一号编码器4发来的信号转换为夹持臂当前位置信 息；
[0017] 位移偏差计算步骤：计算位移偏差，所述位移偏差二位置指令一力反馈等效位 移一夹持臂当前位置；
[0018] 电机控制信号发送步骤:利用闭环控制算法(如PID控制算法)将所述位移偏差转 换为电机控制信号，并将该电机控制信号发送给驱动电路12。
[0019] 上述手操设备的控制方法由嵌入在二号处理器内的软件实现，所述方法包括W下 步骤：
[0020] 位置指令发送步骤:将二号编码器16发来的信号转换为两个V型定位夹持臂8的位 置指令，并向夹持装置发送该位置指令；
[0021] 压力信号接收步骤:接收夹持装置发来的压力信号，所述压力信号即为阻尼力矩 指令；
[0022] 等效阻尼力矩获得步骤:采集霍尔电流传感器发来的电流信号，并根据磁粉制动 器19的电流-阻尼力矩关系曲线将所述电流信号转换为等效阻尼力矩；
[0023] 力矩偏差计算步骤:计算力矩偏差计，所述力矩偏差计=阻尼力矩指令一等效阻 尼力矩；
[0024] 磁粉制动器控制信号发送步骤:利用闭环控制算法(如PID控制算法)将所述力矩 偏差转换为磁粉制动器控制信号，并将该磁粉制动器控制信号发送给Η桥驱动器25。
[0025] 本发明所述的夹持装置与手动操作设备所构成的系统，能够在远程夹持物体过程 中模仿人手的功能，实现夹持过程的柔顺控制。
[0026] 上述夹持装置具有简单紧凑的机械结构，V型定位柔性夹持臂从结构角度完成柔 性夹持和无预应力的压力反馈;双向螺杆驱动使驱动具有自锁功能;压力传感器信号除了 给夹持控制端提供力反馈信号外，还通过现场总线传输到远程操作端，作为操控装置阻尼 控制指令。夹持装置的控制方法利用闭环控制算法实现V型定位柔性夹持臂精确柔顺控制。
[0027] 上述手操设备采用磁粉制动器作为产生可变阻尼的执行机构，为防止阻尼力过大 W及滑差速率过低对造成的力矩不连续，本发明在手轮与磁粉制动器输入轴之间采用齿轮 皮带传动结构，通过调整传动比改善磁粉制动器的输出阻尼力矩的平滑性。与电机类力反 馈执行装置相比，磁粉制动器是阻尼器件，不会产生反向力矩，通过调节激磁电流可实现阻 尼力矩的连续可调；手操设备的控制方法根据现场压力信号，闭环调节磁粉制动器的输出 电流，进而控制阻尼力矩，使操作者能在远程控制端感知现场的夹持压力状态。
[0028] 本发明具有操作、控制简单方便，无需提供丝筒、钢丝、转盘、弹黃等辅助机构等优 点，具有远程操作功能，且遥控操作者能够感知夹持力的大小，适用于绝大多数需要远程控 制的精确柔性夹持的应用场合。
【附图说明】
[0029] 图1为实施方式一中的夹持装置与手动操作设备构成的系统的总体结构示意图， 其中夹持控制电路为夹持装置中的电气部分，手操控制电路为手操设备中的电气部分；
[0030] 图2为实施方式一所述的夹持装置的机械结构示意图；
[0031] 图3为实施方式一中的两个V型定位夹持臂的结构示意图，图中黑色填充部分为压 力传感器；
[0032] 图4为实施方式一中所述的夹持装置的电气结构示意图；
[0033] 图5为实施方式二中的控制模块的工作原理示意图；
[0034] 图6为实施方式二中的力/位混合柔顺控制原理框图；
[0035] 图7为实施方式Ξ中的力/位移转换函数关系；
[0036] 图8为实施方式八所述的手操设备的机械结构示意图，该图为侧视图；
[0037] 图9为实施方式八所述的手操设备的电气结构示意图；
[0038] 图10为实施方式九中的控制模块的工作原理示意图；
[0039] 图11为实施方式九中的控制模块的工作流程图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0040] 一:结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种力/位混 合柔顺控制的夹持装置包括底板1、电机支架2、电机3、一号编码器4、减速器5、滑台6、双向 螺杆7、两个V型定位夹持臂8、螺杆支架10、一号处理器、驱动电路12、一号差分/TTL电平转 换电路和信号调理电路；
[0041] 电机支架2用于将电机3固定在底板1上，螺杆支架10用于将双向螺杆7固定在底板 1上，且双向螺杆7能够绕其轴线转动，电机3用于通过减速器5带动双向螺杆7转动；
[0042] 滑台6固定在底板1上，且滑台6的上表面设置有凹槽，该凹槽的长度方向与双向螺 杆7的轴线平行;两个V型定位夹持臂8相对设置，每个V型定位夹持臂8的夹持面均设置有娃 橡胶贴装层9,且其中一个娃橡胶贴装层9内埋有压力传感器;两个V型定位夹持臂8分别与 双向螺杆7的两端螺纹连接，两个V型定位夹持臂8的底部均位于滑台6上的凹槽内，并能够 沿该凹槽的长度方向移动；
[0043] -号处理器的控制信号输出端通过驱动电路12连接电机3的控制信号输入端，一 号编码器4用于检测电机3输出轴的角位移，一号编码器4的信号输出端通过一号差分/TTL 电平转换电路连接一号处理器的电机角位移信号输入端，一号处理器的CAN总线接口用于 接收位置指令W及发送力反馈信号，压力传感器的检测信号输出端通过信号调理电路连接 一号处理器的夹持力反馈信号输入端。
[0044] 本实施方式所述的夹持装置需要配合手动操作设备（简称手操设备）来完成夹持 动作，如图1所示，夹持装置安装在工作现场区，手动操作设备安装在远程操作区，夹持装置 和手动操作设备通过现场总线连接。手动操作设备包括手轮15、二号编码器16、磁粉制动