CN103895024A - 夹爪装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种夹爪装置及其控制方法，夹爪装置包括至少一夹爪单元，夹爪单元具有相互枢接的一第一连杆及一第二连杆，第一连杆具有相对的第一端及第二端，第二连杆具有相对的第三端及第四端，第三端与第二端相互枢接，在第一连杆与第二连杆枢接处设有一弹性件，弹性件电连接一角度编码器，角度编码器与一控制器电连接，由控制器控制夹爪装置以一第一控制模式移动朝向一物体，由夹爪单元碰触物体并施加一作用力于物体，使弹性件变形，由角度编码器感测弹性件的变形量并产生一力量资讯，再由控制器根据力量资讯将夹爪装置的操作模式切换至一第二控制模式。

Description

夹爪装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种夹爪装置及其控制方法，尤其是涉及一种通过弹性件及角度编码器感测夹爪变形量，并可顺应外力而改变机构外型的夹爪装置及其控制方法。

背景技术

产业用机器人目前绝大多数仍采用位置控制，而在国际机器人技术的发展趋势上，其中一项重要技术发展趋势是提供机器人手眼力协调的控制能力，这将提供产业用机器人进一步扩展可应用的工作，如需要靠视觉导引取放物体、仰赖力量与运动控制进行工件组装、需顺应能力的人机共存工作等。针对此发展趋势，相关技术业者皆不约而同开始投注资源于手眼力协调技术的开发，并开始探讨相关技术用于电子产业、食品产业、传统制造业上的可能性。其中针对电子产业智慧自动化，各大厂皆将亚洲区的消费性电子产业生产制造业视为销售重点未来。而随着中国工资攀升，我国生产制造自动化的需求与日俱增。然而组装上最重要的手眼力协调控制技术却是我国产业用机器人目前所缺乏的，而此技术所仰赖的手眼力协调机器人控制器也仍阙如。

机械夹爪必须具备有体积小、重量轻，外型逼真与高灵活度的特点。随着机械人发展的趋势，机械夹爪的研发近来有大幅进展。然综观现有的夹爪装置，大多数是将多个力感测器分别设置于夹爪不同部位，例如手掌形状的夹爪，通常会于指节、指尖等部位设置一至多个力感测器(force sensor ortactile sensor)，当夹爪抓取物体时，可碰触到相对应位置的力感测器，由力感测器回授力量或接触压力，由此达到抓取物体的目的。或于夹爪驱动器上加装电流监测元件，利用感测负载电流是否大于某一阀值来判断夹爪是否接触到物体。然上述利用力感测器或电流感测的方式，不仅定位精确度差、反应速度慢、分辨率差，且在抓取软质、易碎或形状复杂的物体，例如软质金属薄片、玻璃等物体时，并无法即时控制调整夹取力量，容易造成物体损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种夹爪装置及其控制方法，通过弹性件及角度编码器感测夹爪变形量，并可顺应外力而改变机构外型。

为达上述目的，本发明提出一种夹爪装置，其包含至少一组夹爪单元，该夹爪单元包括一第一连杆、一第二连杆、一弹性件、一驱动装置、一角度编码器以及一控制器，第一连杆具有相对的一第一端以及一第二端，第二连杆具有相对的一第三端以及一第四端，第三端与第二端相互枢接，弹性件设置于第一连杆与第二连杆的枢接处，弹性件用以使第一连杆与第二连杆弹性地相枢接，驱动装置连接于第四端，驱动装置用以驱动第二连杆及第一连杆同步摆动，角度编码器与弹性件电连接，角度编码器用以感测弹性件的变形量并产生一力量资讯，控制器与角度编码器电连接，该控制器用以根据该力量资讯切换该夹爪装置的操作模式。

本发明还提出一种夹爪装置的控制方法，其包含：由一控制器控制一夹爪装置，夹爪装置包括至少一夹爪单元，夹爪单元具有相互枢接的一第一连杆以及一第二连杆，第一连杆具有相对的一第一端以及一第二端，第二连杆具有相对的一第三端以及一第四端，第三端与第二端相互枢接，于第一连杆与第二连杆的枢接处设有一弹性件，弹性件电连接一角度编码器，控制器与角度编码器电连接，第二连杆相对于连接第一连杆的一端连接一驱动装置；由控制器控制夹爪装置以一第一控制模式移动朝向一物体；由夹爪单元碰触物体并施加一作用力于物体，使弹性件变形，由角度编码器感测弹性件的变形量并产生一力量资讯；以及，由控制器根据力量资讯将夹爪装置的操作模式切换至一第二控制模式。

附图说明

图1是本发明夹爪装置一实施例的正面结构示意图；

图2是图1实施例的A-A面结构示意图；

图3是本发明夹爪装置的第一连杆与第二连杆的一立体结构实施例的分解结构示意图；

图4及图5是图1实施例夹取物体的动作示意图；

图6是本发明顺应控制方法的一实施例流程图；

图7是本发明改变位置积分的一实施例流程图；

图8至图10是本发明夹爪装置不同实施例的正面结构示意图。

主要元件符号说明

100、100A～100E-夹爪单元

10、10A～10E-第一连杆

11-第一端

12-第二端

13-第一套管

14-第一轴体

15-轴承

16-衬套

17-扣环

20、20A～20E-第二连杆

21-第三端

22、22D、22E-第四端

23-第二套管

24-第二轴体

25、25A～25E-被动齿轮

30-弹性件

31、32-二弹性端部

40-角度编码器

50、50A～50E-第一夹爪

60、60A～60D-座体

61C-第二夹爪

70、70A～70E-第三连杆

71-第五端

72-第六端

80-驱动装置

81、81A～81D-主动齿轮

90-物体

91-平面

300-顺应控制流程

301～306-顺应控制流程步骤

3051～3055-改变位置积分步骤

I(t)-电流回授值

I_max-回授最大值

X(t)-位移量

X_max-位移最大值

θ1-夹角

具体实施方式

以下将参照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，以利贵审查委员了解，但本发明的技术手段并不限于所列举附图。

请参阅图1至图3所示夹爪装置实施例结构，该夹爪装置包含一组夹爪单元100，该夹爪单元100包括一第一连杆10以及一第二连杆20，第一连杆10具有相对的一第一端11以及一第二端12，第二连杆20具有相对的一第三端21以及一第四端22，第二连杆20的第三端21与第一连杆10的第二端12相互枢接，于第一连杆10与第二连杆20的枢接处设有一弹性件30。如图3所示，其是于第一连杆10的第二端12设有一第一套管13，在该第一套管13内设有一第一轴体14，第一轴体14的一端部设有一轴承15。弹性件30设置于该第一套管13内，弹性件30的二弹性端部31、32抵制于第一套管13的内侧壁131，于弹性件30内设有一衬套16，该第一轴体14相对于设有轴承15的一端部穿设于该弹性件30内的衬套16，再于该第一轴体14相对于设有轴承15的一端部设有一扣环17。于第二连杆20的第三端21设有一第二套管23，于第二套管23内设有一第二轴体24，第二套管23与第二轴体24朝向第一连杆10，第二套管23穿设于第一套管13内，第二轴体24与第一轴体14同轴，且于第二轴体24与第一轴体14设有一角度编码器40，角度编码器40与弹性件30电连接，角度编码器40用以感测弹性件30的变形量并可产生一力量资讯。弹性件30及角度编码器40夹设于第一连杆10与第二连杆20之间，且第一连杆10与第二连杆20通过弹性件30弹性地相枢接。

此外，于第一连杆10的第一端11枢设有一第一夹爪50，第二连杆20的第四端22枢设于一座体60。于第一夹爪50与座体60之间设有一第三连杆70，第三连杆70具有相对的一第五端71以及一第六端72，第五端71枢接于第一夹爪50，第六端72枢接于座体60。于第四端22设有一被动齿轮25，该被动齿轮25与一主动齿轮81啮合，该主动齿轮81连接于一驱动装置80，亦即，第二连杆20的第四端22是通过被动齿轮25、主动齿轮81间接连接于驱动装置80。驱动装置80可采用直流伺服马达，驱动装置80与角度编码器40同时与一控制器(图中未示出)电连接，由控制器根据角度编码器40所产生的力量资讯切换该夹爪装置的操作模式。该控制器可采用16位元微控制器，整合驱动装置80的驱动电路及电流回授，角度编码器40回授及序列通讯电路与控制器连线，构成一嵌入式控制***。

请参阅图6所示顺应控制流程300与图7所示改变位置积分流程305，并配合图4及图5，说明控制本发明夹取物体的方法。

请参阅图4至图7，由控制器执行顺应控制流程300，首先控制夹爪单元100(亦即夹爪装置)于一第一控制模式下运作，该第一控制模式是一定位控制模式，由控制器产生一位置命令(步骤301)，控制夹爪单元100相对于物体90的移动方向、移动距离以及第一夹爪50对于物体90的作用力(亦即夹取力)。请参阅图4所示，夹爪单元100以第一控制模式移动靠近该欲夹取的物体90，物体90设置于一平面91上，当夹爪单元100就定位后，再控制主动齿轮81转动，进而带动被动齿轮25驱动第二连杆20、第一连杆10、第一夹爪50及第三连杆70朝向物体90摆动。当第一夹爪50尚未碰触到物体90前，仍继续执行该位置命令。

当第一夹爪50碰触到物体90时，先判断弹性件(可参阅图3所示)是否变形(步骤302)。由于当第一夹爪50刚碰触到物体90，或是施加于物体90的作用力未达到能够夹持物体90的一预设的夹持力时，都仍然无法导致弹性件变形，此时，则继续执行该位置命令(步骤303)，再判断位置命令是否完成(步骤304)，若位置命令尚未完成，则继续执行位置命令，若位置命令已完成，则控制驱动装置80停止运作。

当第一夹爪50碰触到物体90，且第一夹爪50作用于物体90的作用力达到能够夹持物体90的预设的夹持力时，即会导致弹性件变形，如图5所示，使第一连杆10与第二连杆20间的夹角θ1产生变化，该夹角θ1依物体90的外型、尺寸、材质与接触力量不同而改变，通过角度编码器感测，当控制器接收到该感测资讯时，则将操作模式切换至一第二控制模式。该第二控制模式是一力量顺应控制模式，其中改变一位置积分(步骤305)流程如下：控制器通过***速度与总力的关系(详如后述)估算驱动装置80所需输出力量与该时候***达到的预设速度(步骤3051)；计算速度差值并积分，用以估算位移改变量(位置积分值)(步骤3052)；接着由控制器发送控制命令改变驱动装置80的输出力量，同时改变第一夹爪50位移(步骤3053)；这时控制器通过一力量观测器估算第一夹爪50的位移量X(t)与驱动装置80的电流回授值I(t)(步骤3054)，通过***参数与***力量的关系(详如后述)感测第一夹爪50作用于物体90的作用力与***总和力，再由此力量资讯判断该作用力是否到达一预设的最大值(步骤306)。

若第一夹爪50的位移量X(t)尚未到达一预设的位移最大值X_max，或电流回授值I(t)尚未到达一预设的回授最大值I_max，则驱动装置80继续运作，亦即第一夹爪50继续对物体90施加作用力；若第一夹爪50的位移量X(t)到达预设的位移最大值X_max，亦即X(t)>=X_max，或电流回授值I(t)到达预设的回授最大值I_max，亦即I(t)>=I_max，则由控制器控制驱动装置80停止运作。

该位移最大值X_max及回授最大值I_max是根据物体所能承受的变形量而决定，例如材质为玻璃或弹性刚片，形状为圆形、方形或不规则形，所能承受的作用力分别不同。

本发明提供的顺应控制模式，可顺应外力方向及外力大小而控制位移变化，利用弹性件及角度编码器感测夹爪夹取物体时的变形量，并且采用马达位置与电流回授以控制夹力，可解决异型零件及定位误差的问题，于成本、反应速度及可靠度上，都优于力感测器或仅用电流阀值作为接触依据的方式。

关于本发明力量顺应控制模式的原理及理论依据，谨说明如下。

假设一***具有转动惯量(inertia)J，本身阻尼常数(damping constant)b，则***的行为可写成下列数学式：

$J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)+b\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(t\right)=T\left(t\right)=T_{\mathrm{ext}}\left(t\right)$

其中为θ(t)为***的位移量，T(t)为***总受力，可视为由环境造成的总和外力Text(t)。在此定义阻抗比(Impedence)为***受到外力时速度的变化量：

$\frac{\mathrm{Force}}{\mathrm{Velocity}}=\mathrm{Impedence}$

依阻抗比的定义而言，此***的阻抗为

$\frac{T_{\mathrm{ext}}\left(s\right)}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(s\right)}=\mathrm{Js}+b$

若欲将***速度调整为

在目标***阻抗小于原***时，两***速度差异量

必然由致动器加以补偿，亦即马达输出一扭力TM补偿原***行为，使其满足预设目标速度

此时原***行为可改写成下列方程式：

$J_r{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)+b{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_r\left(t\right)=T\left(t\right)=T_{\mathrm{ext}}\left(t\right)+T_m\left(t\right)$

如此可通过致动器输出力改变位置积分，在不增加***额外元件的情况下达成力量顺应目标。

因为***上并没有额外力量感测元件力量，故需要由控制器中所撷取到的驱动装置参数用以推估***力量资讯。假设驱动装置为一直流伺服马达，马达的输入电压Vi(t)与马达角度θm(t)的微分方程式为：

$\frac{\mathrm{Ra}}{\mathrm{Kt}}\mathrm{Tm}\left(t\right)+\mathrm{Kb}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}m=\mathrm{Vi}\left(t\right)$

其中Ra，Kt，Kb与Tm(t)分别是电枢电阻、扭力系数、感应电动势系数及马达轴扭力。在马达低速运转时，

扭力与电压可以视为比例关系：T(t)∝Vi(t)。或在马达的PWM驱动电路上加入测量电流回授值I(t)的精密电阻。因为Tm(t)=Kt*I(t)的关系，此电阻的电压降与扭力Tm(t)成正比。

假设马达直接驱动第一夹爪，而且第一夹爪刚性K_gripper是无穷大时，马达角度θm(t)与其电流I(t)的变化会反应第一夹爪夹力F(t)对位移量X(t)的关系：

F(t)=K_object*X(t)

其中，K_object代表零件刚性。理论上，第一夹爪未接触到物体前，K_object=0；若第一夹爪夹到刚体(rigid body)时，K_object→∞，趋近无穷大。但受限于第一夹爪本身的刚性，所能侦测的物体刚性会落在0<K_object≦K_gripper的范围内。根据此一观察，通过连杆关节或马达位置的角位移与电流回授，可以作为力量观测器推估其力量，可判断第一夹爪与物体接触的瞬间，并可通过位移及电流控制夹力值与判断零件刚性。第一夹爪接触零件前，将维持低刚性的定位控制模式；第一夹爪接触物体后，会改以较高但限制最大夹力的顺应控制模式，使第一夹爪夹住物体以进行所需制作工艺。

请参阅图8所示实施例，该夹爪装置包括二组对称设置的夹爪单元100A、100B，夹爪单元100A、100B包括第一连杆10A、10B、第二连杆20A、20B、第一夹爪50A、50B、座体60A、60B及第三连杆70A、70B，夹爪单元100B与夹爪单元100A对称设置。主动齿轮81A、81B可分别带动对应啮合的被动齿轮25A、25B转动，因此可使二第一夹爪50A、50B相对运动，由此将物体90夹持于该二第一夹爪50A、50B之间。

请参阅图9所示，该夹爪装置包括一组夹爪单元100C，其包括第一连杆10C、第二连杆20C、第一夹爪50C、座体60C及第三连杆70C，本实施例是于座体60C设有一第二夹爪61C，当主动齿轮81C带动被动齿轮25C转动时，可带动第二连杆20C、第一连杆10C、第一夹爪50C及第三连杆70C同步左右往复摆动，因此可使第一夹爪50C与第二夹爪61C相对运动，由此将物体90夹持第一夹爪50C与第二夹爪61C之间。

请参阅图10所示实施例，该夹爪装置包括二组对称设置的夹爪单元100D、100E，夹爪单元100D、100E分别包括第一连杆10D、10E、第二连杆20D、20E、第一夹爪50D、50E及第三连杆70D、70E，夹爪单元100E与夹爪单元100D对称设置，第二连杆20D、20E的第四端22D、22E枢设于同一座体60D，于第二连杆20D、20E的第四端22D、22E分别设有一被动齿轮25D、25E，该二被动齿轮25D、25E相互啮合，主动齿轮81D与其中一被动齿轮25D相啮合，驱动装置(图中未示出)用以驱动该二第二连杆20D、20E同步摆动，且可使得分别设置于该二第一连杆10D、10E的第一夹爪50D、50E相对运动，由此将物体90夹持于该二第一夹爪50D、50E之间。

必须说明的是，本发明的第一连杆、第二连杆、第一夹爪、座体及第三连杆的形状并不限于以上图示实施例结构，依实际所需而设计，包括考虑物体大小、物体形状及物体重量等因素。例如，第一夹爪与第一连杆可为一体式结构，亦即第一连杆的第一端可直接形成具有第一夹爪的外形。驱动装置可直接驱动第二连杆，不需要通过被动齿轮及主动齿轮间接驱动。也可将主动齿轮置换为螺杆以驱动被动齿轮。上述图示第一连杆、第二连杆、第一夹爪、座体及第三连杆构成一概呈平行四边形的连杆架构，是作为本发明的说明例而已。

Claims (10)

1.一种夹爪装置，其包含至少一组夹爪单元，该夹爪单元包括：

第一连杆，其具有相对的第一端以及第二端；

第二连杆，其具有相对的第三端以及第四端，该第三端与该第二端相互枢接；

弹性件，设置于该第一连杆与该第二连杆的枢接处，该弹性件用以使该第一连杆与该第二连杆弹性地相枢接；

驱动装置，连接于该第四端，该驱动装置用以驱动该第二连杆及该第一连杆同步摆动；

角度编码器，与该弹性件电连接，该角度编码器用以感测该弹性件的变形量并产生一力量资讯；以及

控制器，与该角度编码器与该驱动装置电连接，该控制器用以根据该力量资讯切换该夹爪装置的操作模式。

2.如权利要求1所述的夹爪装置，其中，该驱动装置具有主动齿轮，于该第四端设有一被动齿轮，该主动齿轮与该被动齿轮相互啮合。

3.如权利要求2所述的夹爪装置，其包含二组对称设置的夹爪单元，于该二组夹爪单元的该二第二连杆的该第四端分别设有一该被动齿轮，该二组夹爪单元的该二被动齿轮相互啮合，该主动齿轮与其中一该被动齿轮相啮合，该驱动装置用以驱动该二第二连杆同步摆动，且该二第一连杆的该第一端相对运动。

4.如权利要求1所述的夹爪装置，其还包括：

第一夹爪，枢设于该第一端；

座体，该第四端枢设于该座体；以及

第三连杆，其具有相对的第五端以及第六端，该第五端枢接于该第一夹爪，该第六端枢接于该座体。

5.如权利要求4所述的夹爪装置，其中，该座体设有第二夹爪，该第二连杆摆动时，可带动该第一夹爪与该第二夹爪相对运动。

6.如权利要求4所述的夹爪装置，其包含二组夹爪单元，该二组夹爪单元对称设置，该二组夹爪单元的该第一夹爪相对运动。

7.一种夹爪装置的控制方法，包含：

由一控制器控制一夹爪装置，该夹爪装置包括至少一夹爪单元，该夹爪单元具有相互枢接的第一连杆以及第二连杆，该第一连杆具有相对的第一端以及第二端，该第二连杆具有相对的第三端以及第四端，该第三端与该第二端相互枢接，于该第一连杆与该第二连杆的枢接处设有一弹性件，该弹性件电连接一角度编码器，该控制器与该角度编码器电连接，该第二连杆相对于连接该第一连杆的一端连接一驱动装置；

由该控制器控制该夹爪装置以一第一控制模式移动朝向一物体；

由该夹爪单元碰触该物体并施加一作用力于该物体，使该弹性件变形，由该角度编码器感测该弹性件的变形量并产生一力量资讯；以及

由该控制器根据该力量资讯将该夹爪装置的操作模式切换至一第二控制模式。

8.如权利要求7所述的夹爪装置的控制方法，其中，该控制器更执行一顺应控制流程，该顺应控制流程包括：

控制该夹爪装置进入该第一控制模式；

产生一位置命令；

判断该弹性件是否变形；若该弹性件未变形，则继续执行该位置命令；若弹性件变形，则将操作模式切换至该第二控制模式；

改变一位置积分；以及

判断该作用力是否到达一预设的最大值；若该作用力尚未到达该预设的最大值，则保持该驱动装置继续运作；若该作用力到达该预设的最大值时，则控制该驱动装置停止运作。

9.如权利要求8所述的夹爪装置的控制方法，其中，若该夹爪单元尚未碰触到该物体，则继续执行该位置命令，并且判断该位置命令是否完成；若该位置命令完成，则控制该驱动装置停止运作；若该位置命令尚未完成，则继续执行该位置命令。

10.如权利要求8所述的夹爪装置的控制方法，其中，是通过一力量观测器感测该夹爪单元作用于该物体的作用力，该力量观测器用以感测该第一连杆的位移量或一电流回授值；若该第一连杆的该第一端的位移量尚未到达一预设的位移最大值，或该电流回授尚未到达一预设的回授最大值时，则该驱动装置继续运作；若该第一连杆的该第一端的位移量到达该预设的位移最大值，或该电流回授到达该预设的回授最大值时，则控制该驱动装置停止运作。

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