[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

说明书

技术领域

本发明涉及多自由度机械臂控制技术，具体涉及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。

背景技术

多自由度机械臂以其定位重复精度高、可编程、易操作等优点，已在工业设备制造、航空航天、医疗卫生等领域得到广泛应用。工业多自由度机械臂系统常用的控制方法有两种：一是采用“示教模式”，即操作人员首先通过机械臂教导器控制机械臂末端(常安装有工具)沿一定的工作轨迹运动，并使机械臂控制器以预先确定的采样频率“记录”工作轨迹中每个采样轨迹点对应的机械臂运动状态(包括瞬时速度、瞬时加速度、各关节的瞬时角度信息等)，在实际控制中机械臂控制器以预先选定的插补方式控制机械臂末端依次通过上述采样轨迹点，复现示教时的工作运动轨迹，完成相应的工作任务；二是采用“离线编程模式”，即在机械臂控制器中按照特定工作任务要求预先写入控制程序，在实际工况中机械臂将按照程序中的步骤单步循环运行，实现预定工作任务。

在一些应用场景中，有时需要机械臂末端能够按照操作人员的意愿方便地、实时地调整空间位姿，例如医疗应用中的机械臂扶持、康复训练应用中的人机交互。在这些应用中一方面在操作人员进行机械臂控制时，通过对末端工具施加作用力实现对末端工具的牵引操作；另一方面在无外部控制输入时，机械臂能够克服自身及其工具重力等因素影响，保持当前位姿，实现精确定位。另外，在预先给定机械臂末端目标点位姿信息时，有时候为了机械臂紧急避障等目的，需要机械臂在运动过程中也能够通过外力控制实时更新运动轨迹。

现有的机械臂控制系统绝大多数不能实现外力作用下控制机械臂的运动，而只能通过教导模式与离线编程模式两种控制方法预先规划好机械臂运动轨迹。在上述应用场景中，应用两类控制模式实现机械臂控制所存在的不足主要体现在：

1.示教模式下，特定工作任务中要求操作人员控制机械臂对部分位姿点精确到达，同时也要考虑到各种可能引发安全隐患的因素，因此示教轨迹选取以及示教操作过程较为费时。离线编程模式下，前期需要将工作任务转化为机器程序，后期根据实际工况条件会有多次的程序修改与运行调试，系统维护成本也较高。

2.当机械臂末端工作轨迹改变时，往往需要操作人员对运动轨迹进行重新示教或者预编程，也使多自由度机械臂在个性化方案应用方面受到了极大限制。

3.机械臂在运行过程中，无法通过检测外部作用力做出相应控制指令的调整，因此无法实现力控牵引功能；在机械臂运动轨迹中意外遇到障碍物时，无法通过外力作用实时更新机械臂的运动轨迹，容易造成意外事故。

专利CN103347659A提出了一种传感器中继控制装置，能够通过对力传感器信息进行解算控制机械臂各关节电动机的运动，但是也不能实现对机械臂系统的力控牵引功能。

发明内容

基于以上现有技术中多自由度机械臂控制中存在的问题，本发明提出了一种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。

本发明的一个目的在于提出一种力控牵引和摆位的多自由度机械臂控制装置。