一种随动型机械臂的控制方法技术

本发明专利技术提供了一种随动型机械臂的控制方法，对于任意输入的作用力指令，通过进行空间矢量分解运算，求解出三枚电机各自需要的输出力矩大小，进而驱动电机在持握点合成出所需的反馈力，从而能够将任意方向大小的三维空间力矢量向特定施力点进行分解，由此可以实现：在持握不同形状的物体时，其机械结构所处的位置不能提前预知，但输出的夹紧力仍可以保持在一定范围内。前臂末梢的持握点可到达一定空间内的任意位置，用户手持该持握点进行运动时，该随动型机械臂能随之自动调整连杆姿态，实现随行运动，使前臂末梢在一定工作空间内跟随人手移动，并同时按系统要求向人手施加作用力。

【技术实现步骤摘要】
一种随动型机械臂的控制方法
本专利技术涉及数据处理
，特别是涉及一种随动型机械臂的控制方法。
技术介绍
机械臂是常用的机械自动化设备之一，机械臂能够代替或辅助人类手臂进行多种劳动量大、高精度、重复性高生产制造动作。例如，对于医疗行业的某些应用场景，使用者会持握机器臂进行手术操作等。传统的机械臂控制系统面对的工作环境往往是针对固定工况，例如生产线机器人每次动作都相同，起吊机具每次升降的高度都基本接近等，但对于医疗行业的应用场景，经常遇到需要在特定位置施加特定大小力的情况，例如，对于持握机器臂，机械臂不仅需要完成持握动作，还需要对夹紧力进行精确控制，传统的机械控制系统显然无法实现这些功能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种随动型机械臂的控制方法，以解决现有的机械臂控制系统无法在特定位置施加特定大小力的问题。本专利技术提供一种随动型机械臂的控制方法，该随动型机械臂包括肩部组件、上臂、前臂；所述肩部组件包括底座、旋肩电机、旋肩传动结构、展臂电机、展臂传动结构、屈肘电机、屈肘传动结构，所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机均配备转子角度编码器；所述旋肩电机固定在所述底座上，所述旋肩传动结构与所述旋肩电机连接，所述展臂电机和所述屈肘电机安装在所述旋肩传动结构上，所述旋肩电机用于带动所述随动型机械臂除所述底座和所述旋肩电机以外的部分绕竖直的旋肩轴旋转；所述展臂传动结构连接在所述展臂电机的转子和所述屈肘电机的定子之间，所述展臂电机用于带动所述上臂和所述前臂绕水平的展臂轴旋转；所述上臂的基部与所述屈肘电机的定子连接，所述前臂的一端与所述上臂铰接于肘关节处，并与所述屈肘传动结构连接，所述前臂的另一端延伸至持握点；所述屈肘电机与所述屈肘传动结构连接，所述屈肘传动结构用于将所述屈肘电机的动力输出到所述肘关节，所述屈肘电机用于带动所述前臂绕水平的肘关节轴旋转；所述旋肩轴和所述展臂轴在空间的交点为所述随动型机械臂的旋转中心，在所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的联合带动下，所述持握点可到达一个球壳范围内的任意位置，球壳的外径等于所述上臂与所述前臂的长度之和，球壳内径等于所述上臂与所述前臂长度之差的绝对值，当使用者持握所述持握点时，所述随动型机械臂在使用者手部的移动带领下做随行运动，并同时向人手施加反力；所述控制方法包括：获取所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的输出角；根据所述旋转中心的位置、所述旋肩电机的输出角、所述上臂的长度、所述展臂电机的输出角，计算所述肘关节的位置；根据所述展臂电机的输出角、所述屈肘电机的输出角计算所述前臂与水平面之间的前臂方向角；根据所述肘关节的位置、所述前臂方向角、所述前臂的长度计算所述持握点的位置；根据所述持握点的位置计算所述持握点到所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的力臂矢量；根据各个所述力臂矢量计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机向合力作用点输出分力的方向矢量；根据各个所述方向矢量以及需要生成的反馈力合力矢量，计算出所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的分力大小；根据各个所述分力大小计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的输出力矩。进一步地，根据所述旋转中心的位置、所述旋肩电机的输出角、所述上臂的长度、所述展臂电机的输出角，计算所述肘关节的位置的步骤中，采用下式计算所述肘关节的位置：其中，α1为所述旋肩电机的输出角，α2为所述展臂电机的输出角，[x1,y1,z1]为所述旋转中心的位置，Lua为所述上臂的长度，[x2,y2,z2]为所述肘关节的位置；根据所述展臂电机的输出角、所述屈肘电机的输出角计算所述前臂与水平面之间的前臂方向角的步骤中，采用下式计算所述前臂方向角：其中，A3为所述前臂方向角，α3为所述屈肘电机的输出角。进一步地，根据所述肘关节的位置、所述前臂方向角、所述前臂的长度计算所述持握点的位置的步骤中，采用下式计算所述持握点的位置：其中，[x3,y3,z3]为所述持握点的位置，Lfa为所述前臂的长度；根据所述持握点的位置计算所述持握点到所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的力臂矢量的步骤中，采用下式计算所述持握点到所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的力臂矢量：其中，表示所述持握点到所述旋肩电机输出轴的垂线，表示所述持握点到所述展臂电机输出轴的垂线，表示所述前臂，向量i,j,k分别表示x,y,z方向上的单位向量；根据各个所述力臂矢量计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机向合力作用点输出分力的方向矢量的步骤中，采用下式计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机向合力作用点输出分力的方向矢量：其中，表示所述旋肩电机向合力作用点输出分力的方向矢量，表示所述展臂电机向合力作用点输出分力的方向矢量，表示所述屈肘电机向合力作用点输出分力的方向矢量，表示矢量叉乘运算，为中间变量；根据各个所述方向矢量以及需要生成的反馈力合力矢量，计算出所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的分力大小的步骤中，采用下式计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的分力大小：其中，a1、b1、c1表示所述旋肩电机分力方向单位向量f1矢量在x,y,z方向上的分量，a2、b2、c2表示所述展臂电机分力方向单位向量f2矢量在x,y,z方向上的分量，a3、b3、c3表示所述屈肘电机分力方向单位向量f3矢量在x,y,z方向上的分量，为所述反馈力合力矢量，F1表示旋肩电机的分力大小，F2表示展臂电机的分力大小，F3表示屈肘电机的分力大小。进一步地，根据各个所述分力大小计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的输出力矩的步骤中，采用下式计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的输出力矩：或其中，i=1,2,3，M1表示旋肩电机的输出力矩，M2表示展臂电机的输出力矩，M3表示屈肘电机的输出力矩，N1表示旋肩电机的传动减速比，N2表示展臂电机的传动减速比，N3表示屈肘电机的传动减速比，F1表示旋肩电机的分力大小，F2表示展臂电机的分力大小，F3表示屈肘电机的分力大小，表示所述持握点到所述旋肩电机输出轴的垂线，表示所述持握点到所述展臂电机输出轴的垂线，表示所述前臂。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的随动型机械臂的控制方法，对于任意输入的作用力指令，通过进行空间矢量分解运算，求解出三枚电机各自需要的输出力矩大小，进而驱动电机在持握点合成出所需的反馈力，从而能够将任意方向大小的三维空间力矢量向特定施力点进行分解，由此可以实现：在持握不同形状的物体时，其机械结构所处的位置不能提前预知，但输出的夹紧力仍可以保持在一定范围内，从而实现了在特定位置施加特定大小力的效果。此外，前臂末梢的持握点可到达一定空间内的任意位置，用户手持该持握点进行运动时，该随动型机械臂能随之自动调整连杆姿态，实现随行运动，使前臂末梢在一定工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种随动型机械臂的控制方法，其特征在于，所述随动型机械臂包括肩部组件、上臂、前臂；所述肩部组件包括底座、旋肩电机、旋肩传动结构、展臂电机、展臂传动结构、屈肘电机、屈肘传动结构，所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机均配备转子角度编码器；/n所述旋肩电机固定在所述底座上，所述旋肩传动结构与所述旋肩电机连接，所述展臂电机和所述屈肘电机安装在所述旋肩传动结构上，所述旋肩电机用于带动所述随动型机械臂除所述底座和所述旋肩电机以外的部分绕竖直的旋肩轴旋转；/n所述展臂传动结构连接在所述展臂电机的转子和所述屈肘电机的定子之间，所述展臂电机用于带动所述上臂和所述前臂绕水平的展臂轴旋转；/n所述上臂的基部与所述屈肘电机的定子连接，所述前臂的一端与所述上臂铰接于肘关节处，并与所述屈肘传动结构连接，所述前臂的另一端延伸至持握点；/n所述屈肘电机与所述屈肘传动结构连接，所述屈肘传动结构用于将所述屈肘电机的动力输出到所述肘关节，所述屈肘电机用于带动所述前臂绕水平的肘关节轴旋转；/n所述旋肩轴和所述展臂轴在空间的交点为所述随动型机械臂的旋转中心，在所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的联合带动下，所述持握点可到达一个球壳范围内的任意位置，球壳的外径等于所述上臂与所述前臂的长度之和，球壳内径等于所述上臂与所述前臂长度之差的绝对值，当使用者持握所述持握点时，所述随动型机械臂在使用者手部的移动带领下做随行运动，并同时向人手施加反力；/n所述控制方法包括：/n获取所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的输出角；/n根据所述旋转中心的位置、所述旋肩电机的输出角、所述上臂的长度、所述展臂电机的输出角，计算所述肘关节的位置；/n根据所述展臂电机的输出角、所述屈肘电机的输出角计算所述前臂与水平面之间的前臂方向角；/n根据所述肘关节的位置、所述前臂方向角、所述前臂的长度计算所述持握点的位置；/n根据所述持握点的位置计算所述持握点到所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的力臂矢量；/n根据各个所述力臂矢量计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机向合力作用点输出分力的方向矢量；/n根据各个所述方向矢量以及需要生成的反馈力合力矢量，计算出所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的分力大小；/n根据各个所述分力大小计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的输出力矩。/n...

【技术特征摘要】
1.一种随动型机械臂的控制方法，其特征在于，所述随动型机械臂包括肩部组件、上臂、前臂；所述肩部组件包括底座、旋肩电机、旋肩传动结构、展臂电机、展臂传动结构、屈肘电机、屈肘传动结构，所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机均配备转子角度编码器；
所述旋肩电机固定在所述底座上，所述旋肩传动结构与所述旋肩电机连接，所述展臂电机和所述屈肘电机安装在所述旋肩传动结构上，所述旋肩电机用于带动所述随动型机械臂除所述底座和所述旋肩电机以外的部分绕竖直的旋肩轴旋转；
所述展臂传动结构连接在所述展臂电机的转子和所述屈肘电机的定子之间，所述展臂电机用于带动所述上臂和所述前臂绕水平的展臂轴旋转；
所述上臂的基部与所述屈肘电机的定子连接，所述前臂的一端与所述上臂铰接于肘关节处，并与所述屈肘传动结构连接，所述前臂的另一端延伸至持握点；
所述屈肘电机与所述屈肘传动结构连接，所述屈肘传动结构用于将所述屈肘电机的动力输出到所述肘关节，所述屈肘电机用于带动所述前臂绕水平的肘关节轴旋转；
所述旋肩轴和所述展臂轴在空间的交点为所述随动型机械臂的旋转中心，在所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的联合带动下，所述持握点可到达一个球壳范围内的任意位置，球壳的外径等于所述上臂与所述前臂的长度之和，球壳内径等于所述上臂与所述前臂长度之差的绝对值，当使用者持握所述持握点时，所述随动型机械臂在使用者手部的移动带领下做随行运动，并同时向人手施加反力；
所述控制方法包括：
获取所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的输出角；
根据所述旋转中心的位置、所述旋肩电机的输出角、所述上臂的长度、所述展臂电机的输出角，计算所述肘关节的位置；
根据所述展臂电机的输出角、所述屈肘电机的输出角计算所述前臂与水平面之间的前臂方向角；
根据所述肘关节的位置、所述前臂方向角、所述前臂的长度计算所述持握点的位置；
根据所述持握点的位置计算所述持握点到所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的力臂矢量；
根据各个所述力臂矢量计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机向合力作用点输出分力的方向矢量；
根据各个所述方向矢量以及需要生成的反馈力合力矢量，计算出所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的分力大小；
根据各个所述分力大小计算所述旋肩电机、所述展臂电机、所述屈肘电机的输出力矩。


2.根据权利要求1所述的随动型机械臂的控制方法，其特征在于，根据所述旋转中心的位置、所述旋肩电机的输出角、所述上臂的长度、所述展臂电机的输出角，计算所述肘关节的位置的步骤中，采用下式计算所述肘关节的位置：



其中，α1为所述旋肩电机的输出角，α2为所述展臂电机的输出角，[x1,y1,z1]为所述旋转中心的位置，Lua为所述上臂的长度，[x2,y2,z2]为所述肘关节的位置；
根据所述展臂电机的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：林嘉，辜纪文，辜正涛，
申请(专利权)人：江西明天高科技股份有限公司，南昌嘉研科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36