CN110450158B - 基于双电机的机器人末端夹持控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双电机的机器人末端夹持控制装置及方法，涉及机械臂末端夹持控制装置的技术领域。本发明的电机控制器一、电机一、减速机一、夹具一、电机控制器二、电机二、减速机二、夹具二等采用常规连接方式；上位机和采用速度控制模式的电机控制器一、电机控制器二采用现场总线进行信息交换；本发明的第一阶段为夹具接近被夹持物体，第二阶段为夹紧被夹持物体，并控制夹具夹紧力相同。本发明通过将实际转矩引入到闭环控制***，自动完成未知尺寸的物体夹持，无需另外增加传感器，通过调整力速转换***调整首次夹具与物体的接触力，可实时调整夹持力的大小，利用***自带电机编码器，进行被夹持物体的尺寸测量。

Description

基于双电机的机器人末端夹持控制装置及方法

技术领域

本发明机械臂末端夹持控制装置的技术领域，尤其涉及基于双电机的机器人末端夹持控制装置及方法的技术领域。

背景技术

夹持机构是机器人(机械臂)等应用场合的常见末端执行机构，在码垛、分拣等场合具有广泛的应用场景。目前夹持器常见的依据负载、环境条件等因素采用气动、液压、电机等驱动方式，夹持***针对不同的应用场景所需要的控制要求差别也较大，通常采用固定夹持力进行控制相对较多，当被夹持物体发生改变时，夹持器就需要更换；而且有时会出现夹持力不稳定，物体有脱落可能。随动技术的发展及应用需求的发展，这种方式已难以满足现实需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于双电机的机器人末端夹持控制装置及方法，实现具备夹持物体的自动检测、夹持力可控及夹持力均衡控制等功能的双电机驱动夹持机构控制***。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于双电机的机器人末端夹持控制装置，包括上位机、电机控制器一、电机一、减速机一、夹具一、电机控制器二、电机二、减速机二、夹具二；电机控制器一、电机一、减速机一、夹具一等相互采用是常规连接方式；电机控制器二、电机二、减速机二、夹具二等相互采用常规连接方式；作为本发明的进一步优选方案，上位机和电机控制器一、电机控制器二采用现场总线进行信息交换；上位机中包括速度指令一、速度指令二、控制单元、夹持尺寸计算等；速度指令一通过现场总线传输给速度控制一；速度指令二通过现场总线传输给速度控制二；控制单元通过现场总线接收实际转矩一和实际转矩二；夹持尺寸计算通过现场总线接收位置反馈一和位置反馈二。

本发明的上位机夹持尺寸计算是在双电机完成夹持后，分别记录位置反馈一和位置反馈二的值，根据减速机一、减速机二、夹持器的物理尺寸等计算被夹持的物体的尺寸。

作为本发明的进一步优选方案，本发明上位机的控制单元包括速度设定值、功能选择、选择开关一、选择开关二、从电机控制器一读取的实际转矩一、从电机控制器二读取的实际转矩二、输出到电机控制器一的速度指令一、输出到电机控制器二的速度指令二、力速转换一、力速转换二等。需要说明的是所述的实际转矩一、实际转矩二均以夹紧时转矩符号为正进行计算。

本发明的夹持过程分两个阶段，第一阶段为夹具一、夹具二接近被夹持物体，第二阶段为夹紧被夹持物体，并控制夹具一、夹具二的夹紧力相同。

一种基于双电机的机器人末端夹持控制方法，包括两个阶段：第一阶段为夹具一、夹具二接近被夹持物体，设速度设定值为S₁，

夹具一的控制原理为，夹具一的力速转换一K_m1、夹具一的实际力矩一M₁，当夹具一碰到被夹持物体时产生的实际力矩一M₁满足式(1)时，电机一停止转动，依据实际需求调整K_m1，实现对首次夹具一接触被夹持物体的力大小控制；

S₁-M₁×K_m1＝0 (1)

夹具二的控制原理为，设夹具二的力速转换二K_m2、夹具二的实际力矩二M₂，依据控制原理，当夹具二碰到被夹持物体时产生的实际力矩二M₂满足式(2)时，电机二停止转动，依据实际需求调整K_m2，实现对首次夹具二接触被夹持物体的力大小控制；

S₁-M₂×K_m2＝0 (2)

第二阶段为夹紧被夹持物体，并控制夹具一、夹具二的夹紧力相同。

一种基于双电机的机器人末端夹持控制装置的控制过程为：

1)功能选择将选择开关一置为输入1有效，功能选择将选择开关二置为输入1有效；

2)设定速度设定值，此时电机控制器一、电机控制器二分别控制电机一、电机二转动，夹具一、夹具二分别接近被夹持物体；

3)当夹具一满足S₁-M₁×K_m1＝0，电机一停止转到；当夹具二满足S₁-M₂×K_m2＝0，电机二停止转到；

4)依据需要重新设定速度设定值，以改变夹持力的大小，速度设置值与夹持力大小的关系按式(1)、式(2)计算，保持速度设定值不变或功能选择将选择开关一置为输入2有效，此时将实际转矩一和实际转矩二进行求差，求差后与实际转矩一求和，通过选择开关一输出，当实际转矩一和实际转矩二不相等时，自动修正；

5)功能选择将选择开关二置为输入2有效，此时将实际转矩一和实际转矩二进行求差，求差后与实际转矩一求和，通过选择开关二输出，当实际转矩一和实际转矩二不相等时，自动修正；

6)待***夹紧稳定后，完成物体的夹持控制。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明的基于双电机的机器人末端夹持控制装置通过一个电机控制一个夹具，通过将实际转矩引入到闭环控制***，自动完成未知尺寸的物体夹持，无需另外增加传感器，且可以通过调整力速转换***调整首次夹具与物体的接触力，且可实时调整夹持力的大小。

(2)本发明的控制方法通过引入了夹持力均衡的控制算法，以保证两个夹具的夹持力相等，以保证夹持夹具夹起物体因为夹持力的不对称导致夹具的姿态变化等。

(3)本发明的装置保留了电机控制器的控制回路结构，不进行任何的控制结构调整，采用通用电机控制器即可以完成控制，方便依据需求在更广泛的范围进行驱动器的选择。

(4)本发明的***利用***自带电机编码器，进行被夹持物体的尺寸测量，提供给物体分拣、码垛等***中下一步工序使用。

(5)本发明利用对夹具夹持力的修正和调整，实现了夹持力稳定，避免出现夹持后脱落的情况。

附图说明

图1为本发明的基于双电机的机器人末端夹持控制***组成框图。

图2为本发明的基于双电机的机器人末端夹持控制***上位机功能块及与电机控制器一、电机控制器二的信息交换示意图。

图3为本发明的上位机的控制单元功能框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

附图1是基于双电机的机器人末端夹持控制***组成框图，包括上位机、电机控制器一、电机一、减速机一、夹具一、电机控制器二、电机二、减速机二、夹具二；所述的电机控制器一、电机一、减速机一、夹具一等相互采用是常规连接方式；所述的电机控制器二、电机二、减速机二、夹具二等相互采用常规连接方式；作为本发明的进一步优选方案，所述上位机和电机控制器一、电机控制器二采用现场总线进行信息交换；所述的电机控制器一、电机控制器二配置为速度控制模式。

附图2是基于双电机的机器人末端夹持控制***上位机功能块及与电机控制器一、电机控制器二的信息交换示意图，所述的上位机中包括速度指令一、速度指令二、控制单元、夹持尺寸计算等；所述的速度指令一通过现场总线传输给速度控制一；所述的速度指令二通过现场总线传输给速度控制二；所述的控制单元通过现场总线接收实际转矩一和实际转矩二；所述的夹持尺寸计算通过现场总线接收位置反馈一和位置反馈二。

所述上位机夹持尺寸计算是在双电机完成夹持后，分别记录位置反馈一和位置反馈二的值，根据减速机一、减速机二、夹持器的物理尺寸等计算被夹持的物体的尺寸。

附图3是上位机的控制单元功能框图，所述上位机的控制单元包括速度设定值、功能选择、选择开关一、选择开关二、从电机控制器一读取的实际转矩一、从电机控制器二读取的实际转矩二、输出到电机控制器一的速度指令一、输出到电机控制器二的速度指令二、力速转换一、力速转换二等。需要说明的是所述的实际转矩一、实际转矩二均以夹紧时转矩符号为正进行计算。

一种基于双电机的机器人末端夹持控制方法，包括两个阶段：第一阶段为夹具一、夹具二接近被夹持物体，设速度设定值为S₁，

夹具一的控制原理为，夹具一的力速转换一K_m1、夹具一的实际力矩一M₁，当夹具一碰到被夹持物体时产生的实际力矩一M₁满足式(1)时，电机一停止转动，依据实际需求调整K_m1，实现对首次夹具一接触被夹持物体的力大小控制；

S₁-M₁×K_m1＝0 (1)

夹具二的控制原理为，设夹具二的力速转换二K_m2、夹具二的实际力矩二M₂，依据控制原理，当夹具二碰到被夹持物体时产生的实际力矩二M₂满足式(2)时，电机二停止转动，依据实际需求调整K_m2，实现对首次夹具二接触被夹持物体的力大小控制；

S₁-M₂×K_m2＝0 (2)

第二阶段为夹紧被夹持物体，并控制夹具一、夹具二的夹紧力相同。

一种基于双电机的机器人末端夹持控制***的控制过程为：

1)功能选择将选择开关一置为输入1有效，功能选择将选择开关二置为输入1有效；

2)设定速度设定值，此时电机控制器一、电机控制器二分别控制电机一、电机二转动，夹具一、夹具二分别接近被夹持物体；

3)当夹具一满足S₁-M₁×K_m1＝0，电机一停止转到；当夹具二满足S₁-M₂×K_m2＝0，电机二停止转到；

4)依据需要重新设定速度设定值，以改变夹持力的大小，速度设置值与夹持力大小的关系按式(1)、式(2)计算，保持速度设定值不变或功能选择将选择开关一置为输入2有效，此时将实际转矩一和实际转矩二进行求差，求差后与实际转矩一求和，通过选择开关一输出，当实际转矩一和实际转矩二不相等时，自动修正；

5)功能选择将选择开关二置为输入2有效，此时将实际转矩一和实际转矩二进行求差，求差后与实际转矩一求和，通过选择开关二输出，当实际转矩一和实际转矩二不相等时，自动修正；

6)待***夹紧稳定后，完成物体的夹持控制。

本发明的上位机是以STM32F407为控制核心的具备现场总线接口的嵌入式控制器或机器人控制器等；本发明的电机控制器为通用伺服驱动器，具备速度、转矩控制回路，具备与上位机之间的现场总线接口；本发明的电机为与电机控制器匹配的交流伺服电机，依据夹持力大小需求确定；本发明的减速机为与电机功率匹配的减速机；本发明的夹具、速度指令、控制单元、实际转矩、位置反馈、夹持尺寸计算、力速转换、选择开关等属于本领域技术人员的公知常识。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于双电机的机器人末端夹持控制装置，其特征在于：包括上位机、电机控制器一、电机一、减速机一、夹具一、电机控制器二、电机二、减速机二、夹具二；所述的电机控制器一、电机一、减速机一、夹具一采用常规连接方式；所述的电机控制器二、电机二、减速机二、夹具二采用常规连接方式；所述上位机分别与采用速度控制模式的电机控制器一、电机控制器二采用现场总线进行信息交换；

上位机包括速度指令单元一、速度指令单元二、控制单元、夹持尺寸计算单元；速度指令单元一通过现场总线与电机控制器一的速度控制单元一连接；速度指令单元二通过现场总线与电机控制器二的速度控制单元二连接；控制单元通过现场总线接收电机控制器一的实际转矩值一和电机控制器二的实际转矩值二；夹持尺寸计算单元通过现场总线接收电机控制器一的位置反馈一和电机控制器二的位置反馈二。

2.根据权利要求1所述的基于双电机的机器人末端夹持控制装置，其特征在于：上述上位机夹持尺寸计算单元是在夹具一、夹具二完成夹持后，分别记录位置反馈一和位置反馈二的值，根据减速机一、减速机二、夹持器的物理尺寸计算被夹持的物体的尺寸。

3.根据权利要求1所述的基于双电机的机器人末端夹持控制装置，其特征在于：上述上位机控制单元包括：用于读取夹具一夹紧时的实际转矩值一的实际转矩单元一，用于读取夹具二夹紧时的实际转矩值二的实际转矩单元二；用于判断实际转矩值一的选择开关一，用于判断实际转矩值二的选择开关二；用于读取选择开关一的结果并对电机控制器一发出速度指令的力速转换单元一，用于读取选择开关二的结果并对电机控制器二发出速度指令的力速转换单元二。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于双电机的机器人末端夹持控制装置的控制方法，其特征在于：包括两个阶段：

第一阶段为夹具一、夹具二接近被夹持物体，设速度设定值为S1，夹具一的控制原理为，夹具一的力速转换值为Km1、夹具一的实际力矩值一为M1，当夹具一碰到被夹持物体时产生的实际力矩值一M1满足式(1)时，电机一停止转动，依据实际需求调整Km1，实现首次对夹具一接触被夹持物体的力大小控制；S1-M1×Km1＝0(1)夹具二的控制原理为，设夹具二的力速转换值为Km2、夹具二的实际力矩值二为M2，依据控制原理，当夹具二碰到被夹持物体时产生的实际力矩值二M2满足式(2)时，电机二停止转动，依据实际需求调整Km2，实现首次对夹具二接触被夹持物体的力大小控制；S1-M2×Km2＝0(2)第二阶段为夹紧被夹持物体，并控制夹具一、夹具二的夹紧力相同。

5.根据权利要求4所述的基于双电机的机器人末端夹持控制装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将选择开关一位于标记有输入1的位置，将选择开关二位于标记有输入1的位置；

2)设定速度设定值，此时电机控制器一、电机控制器二分别控制电机一、电机二转动，夹具一、夹具二分别接近被夹持物体；

3)当夹具一满足S1-M1×Km1＝0，电机一停止转动；当夹具二满足S1-M2×Km2＝0，电机二停止转动；

4)依据需要重新设定速度设定值，以改变夹持力的大小，速度设置值与夹持力大小的关系按式(1)、式(2)计算，将选择开关一位于标记有输入2的位置，此时将实际转矩值一和实际转矩值二进行求差，求差后与实际转矩值一求和，通过选择开关一输出，当实际转矩值一和实际转矩值二不相等时，自动修正；

5)将选择开关二位于标记有输入2的位置，此时将实际转矩值一和实际转矩值二进行求差，求差后与实际转矩值一求和，通过选择开关二输出，当实际转矩值一和实际转矩值二不相等时，自动修正；

6)待***夹紧稳定后，完成物体的夹持控制。

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