[发明专利]力控牵引和摆位的多自由度机械臂控制装置及其控制方法

权利要求书

1.一种力控牵引和摆位的多自由度机械臂控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：上位机、多自由度机械臂系统和六自由度力传感器系统；其中，所述多自由度机械臂系统包括多自由度机械臂和机械臂控制器；所述六自由度力传感器系统包括力信号传感器和力信号控制器；所述上位机包括力信号控制器通讯模块、末端工具重力补偿模块、力-位及力-速控制算法模块、位姿坐标解算模块、机械臂控制模块和图形用户界面模块；所述上位机分别与机械臂控制器和力信号控制器联接；所述力信号传感器具有相对且平行的安装平面和工具平面，所述安装平面通过安装连接件固定在机械臂末端，在工具平面上安装末端工具，保持末端工具与力信号传感器之间的相对固定；机械臂末端坐标系的Z轴与力信号传感器坐标系的Z轴共线且同向，机械臂末端坐标系的Y轴与力信号传感器坐标系的Y轴平行；外部作用力作用在末端工具上，力信号传感器检测到外力，外力包括外部作用力和末端工具的重力，传输至力信号控制器；力信号控制器将模拟信号转化为数字信号后传输至上位机；上位机的力信号控制器通讯模块接收数字信号得到外力的值，末端工具重力补偿模块解算出实际作用在力信号传感器上的外部作用力沿力信号传感器坐标系三轴的分力与分力矩；力-位及力-速控制算法模块将外部作用力的信息转化为在力信号传感器坐标系下的机械臂末端的位姿偏移量和速度值；位姿坐标解算模块将在力信号传感器坐标系下机械臂末端的位姿偏移量与速度值转换成在机械臂基坐标系下机械臂末端的位姿偏移量与速度值，并将当前采样时刻解算得到的位姿偏移量与当前采样时刻的预期位姿坐标值进行矢量相加，得到机械臂末端下一采样时刻在机械臂基坐标系下的预期位姿坐标值；机械臂控制模块按照机械臂末端的下一采样时刻在机械臂基坐标下的预期位姿坐标值控制机械臂末端运动，带动末端工具到达预期指定的位姿，实现基于力控牵引和摆位控制。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述安装连接件为可拆卸连接件，具有相对且平行的机械臂末端安装面和力信号传感器安装面；机械臂末端安装面与机械臂末端固定并唯一确定安装连接件的方向；力信号传感器安装面与力信号传感器固定并唯一确定力信号传感器的安装方向。

3.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述机械臂末端安装面的中心具有机械臂末端安装面定中心凸台，边缘设置机械臂末端安装面定位销槽；定中心凸台嵌在法兰盘的圆环中，法兰盘定位销槽与机械臂末端安装面定位销槽通过定位销对齐并固定；力信号传感器安装面的中心具有力信号传感器安装面定中心凸台，边缘设置力信号传感器安装面定位销槽；力信号传感器安装面定中心凸台嵌在力信号传感器的圆环中，力信号传感器上的圆环定位销槽与力信号传感器安装面定位销槽通过定位销对齐并固定。

4.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述多自由度机械臂系统包括多自由度机械臂和机械臂控制器；多自由度机械臂具有多个移动副或旋转副组成的串联结构；机械臂控制器包括状态检测模块和运动控制模块。

5.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述六自由度力传感器系统包括能够检测六自由度力/力矩分量信息的力信号传感器以及能够处理六自由度力/力矩信息的力信号控制器；力信号控制器包括模数转换模块和偏置校正模块。