[发明专利]遥操作机器人机械手爪夹持力的计算方法及其控制方法

说明书

本发明公开了一种遥操作机器人机械手爪夹持力的计算方法及机械手爪控制方法，其中遥操作机器人机械手爪夹持力的计算方法包括采用CAD三维模型获取机械手爪每根连杆的长度和质量，所述机械手爪的单侧臂为平行四边形机构；对机械手爪单侧臂的闭链机构进行开链分解，形成开链Ⅰ和开链Ⅱ；根据开链Ⅰ和开链Ⅱ的关节力矩，计算闭链机构驱动关节力矩；采用广义动量设计干扰力矩观测器，并根据干扰力矩观测器观测残余向量；对残余向量的导数进行拉普拉斯变换计算干扰力矩；根据所述干扰力矩，计算机械手爪夹持力。

技术领域

本发明涉及机器人控制技术，具体涉及一种遥操作机器人机械手爪夹持力的计算方法及机械手爪控制方法。

背景技术

遥操作机器人是指在人的操作下，能够在人难以接近或对人有害的环境中，完成比较复杂操作的一种远距离操作系统，其广泛应用于远程医疗、空间探索、海洋开发、核环境作业等领域。

遥操作机器人在具有高温、高腐蚀、强干扰、辐射大等环境作业时，遥操作机械手爪装载于遥操作机器人的机械臂的前端，是机器人本体与环境物理交互的重要媒介，随着工业机器人和服务机器人的不断发展，对机器人末端的柔顺性的要求越来越高。对象抓取任务已不再是机械手爪简单的开闭就可以完成，考虑到抓取过程的夹持力必须被可靠控制，以及达到灵巧性和自主性，单独的位置控制已经不能够满足实际需求，因此，力控制逐渐变成机器人控制领域内的一个重要的研究方向。

传统的机械手末端的力控制方法通常是基于力传感器，但是力传感器的使用会不仅造成成本的高昂，而且在高温、高腐蚀、强干扰等特殊环境下应用受到限制，而且传感器中有大量噪声，环境刚度未知，严重影响机械手爪的控制性能，在非结构化的环境中使用大量传感器，灵敏度低，功耗较大，且不易装配等缺点，很难完成复杂任务。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的遥操作机器人机械手爪夹持力的计算方法及机械手爪控制方法能够在不借助外界力传感器的情况下，就能够实现机械手爪的夹持力计算。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种遥操作机器人机械手爪夹持力的计算方法，其包括以下步骤：

采用CAD三维模型获取机械手爪每根连杆的长度和质量，所述机械手爪的单侧臂为平行四边形机构；

对机械手爪单侧臂的闭链机构进行开链分解，形成开链Ⅰ和开链Ⅱ；

根据开链Ⅰ和开链Ⅱ的关节力矩，计算闭链机构驱动关节力矩；

采用广义动量设计干扰力矩观测器，并根据干扰力矩观测器观测残余向量：

其中，r为残余向量；K为增益矩阵；τ_a为闭链机构驱动关节力矩；α()为连杆重力矩向量、科式力和向心力矩阵的合成向量；q为关节角；为关节角速度；p为机械手爪的广义动量；

对残余向量的导数进行拉普拉斯变换计算干扰力矩：

其中，r(s)为残余向量的导数在复变量s域下的值；τ_c(s)为干扰力矩τ_c在复变量s域下的值；s为复变量；

根据所述干扰力矩，计算机械手爪夹持力：

其中，F为机械手爪夹持力；l₁'为第五连杆的长度；θ_fx为机械手爪夹持力在x轴方向上的分力与机械手爪夹持力之间的夹角；θ₂为第一连杆和第二连杆交汇处的关节角。

第二方面，提供一种遥操作机器人的机械手爪末端无力传感器的控制方法，其包括以下步骤：