[实用新型]一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及遥操作机器人机械手的力参数测定，尤其涉及一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量装置。该装置基于设置了两个三维力传感器，适用于减少或消除遥操作机械手非匀速运动产生的惯性力对三维力传感器接触力的测量所产生的影响。

背景技术

遥操作机器人是指在人的操作下能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。遥操作机器人技术是当前交互式机器人技术的前沿，它可广泛应用于远程医疗、空间探索、海洋开发等领域。遥操作机械手爪装载于遥操作机器人机械臂的前端，可以进行机器人与外部环境的力触觉交互等作业。三维力传感器装配于遥操作机械手爪的后端，是测量机械手爪与环境接触过程中相互作用力的基础设备，是遥操作机械手实现力控制的信息获取装置。要实现对遥操作机械臂或机械手爪准确的力控制，就必须对机械手爪与环境接触过程中的相互作用力进行准确测量。

当遥操作机械手在进行搬运、焊接、抓取等各种作业时，三维力传感器所测出的力信息除了机械手爪与周围环境的接触力以外，还包括由于遥操作机械臂及机械手爪由于非匀速运动而产生的惯性力。然而，遥操作机器人控制系统所需的力信号是机械手爪与周围环境的接触力。为了保证三维力传感器准确地检测出接触力，必须从三维力传感器的输出信号中除去由于遥操作机械臂及机械手爪非匀速运动而产生的惯性力成分。

国内外对于消除惯性力干扰的遥操作机械手末端三维力的测量方法的研究少之又少。南京邮电学院计算机工程系的陈辉在1995年提出基于半导体应变片式加速度计的消除惯性力对机器人腕力传感器输出的影响的方法，灵敏度较低、功耗较大且不易装配。

发明内容

本实用新型提出一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量装置，是一种可以消除惯性力干扰的基于两个三维力传感器的机械手末端三维接触力测量装置，将两个三维力传感器分别装载于遥操作机械手爪与机械臂前臂之间以及遥操作机械臂前臂与后臂之间，根据两个三维力传感器分别所测得的力以及遥操作机械臂前臂和机械手爪等相关工件的质量，带入相关公式，直接求解遥操作机械手与周围环境的三维接触力。该装置不需装载加速度计和加速度的求解即可有效地消除惯性力的干扰，提高了三维力传感器对机械手接触力的测量精度，并具有简单、方便、准确等特点。

本实用新型采用如下技术方案：

一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量装置，所述机械手包括机械手臂与机械手爪的联接总体，机械手爪设置在机械手臂的前端，三维力传感器设置在机械手爪与机械手臂之间，其特征在于：设置两个三维力传感器，第一三维力传感器设置在机械手臂前臂与机械手爪之间；第二三维力传感器设置在机械手臂后臂与机械手臂前臂之间；定义机械手爪的质量为m，机械手爪、机械手臂前臂以及第一三维力传感器的总质量为M；

机械手爪和机械手臂前臂进行动作时，开启第一、第二两个三维力传感器同时测力，并分别将其输出的电压信号传送至数据采集与AD转换模块，数据采集与AD转换模块将模拟的电压信号转换为数字信号后，传送至接触力求解模块，将第一三维力传感器的测得的力和第二三维力传感器的测得的力代入公式计算，从三维力传感器的输出信号中除去由于机械臂及机械手爪非匀速运动而产生的惯性力成分，直接求解出遥操作机械手爪与周围环境的三维接触力f_x，f_y，f_z，再通过控制模块将求解出的f_x，f_y，f_z通过PID控制算法，对遥操作机械手爪和遥操作机械臂进行反馈控制。

具体计算如下：