[发明专利]一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法

说明书

本发明涉及一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法，所述融合系统包括一条四自由度机械臂、一个灵巧手手腕和一个灵巧手，灵巧手手腕为单关节空间正交双自由度手腕，灵巧手手腕安装在四自由度机械臂的末端，灵巧手手掌安装在灵巧手手腕上。运动控制方法中，将四自由度机械臂与灵巧手融合系统看作一个六轴串联机械臂，根据关节角度可以通过正运动学方法求得灵巧手手腕末端的位置姿态；根据灵巧手手腕末端的位置姿态通过逆运动学数值求解方法求得关节角度，进而获得控制指令。本发明设计了正交双自由度灵巧手的手腕，采用了机械臂与灵巧手手腕相结合的六自由度串并联机构，来进行机械臂与灵巧手的融合控制，并给出了逆运动学数值解求解方法。

技术领域

本发明属于机器人运动控制领域，涉及一种四自由度机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法。

背景技术

作为机器人与环境相互作用的执行部件，大抓握力多自由度全驱动仿人灵巧手对机器人智能化水平的提高具有非常重要的作用。单纯有了仿人灵巧手，仍然不能独立的完成精细操作任务，而需要机械臂作为灵巧手的载体，因此机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法是实现机器人智能化和灵巧操作的关键技术。

国内大抓握力多自由度全驱动仿人灵巧手的研制水平尚处于起步阶段，现有的产品多为单自由度的手爪或六自由度、十二自由度的欠驱动的灵巧手，并不能完全模仿人手进行精细操作。

目前国内外流行的臂手结合的方式是六、七自由度机械臂加末端手爪或者六自由度、十二自由度灵巧手，在这种结合方式下，机械臂与灵巧手都是单独控制，并没有实现联合控制，也没有臂手融合控制。

目前现有的机械臂与手爪的结合中往往没有手腕这个环节或者采用机械臂的关节来代替手腕的功能，既不美观也不实用；传统技术中没有正交双自由度手腕的控制方法；对于四自由度机械臂与灵巧手手腕这种四自由度加双自由度串并联融合系统并没有很好的控制方法；四自由度机械臂与灵巧手手腕可以近似看作六自由度机械臂，然而这种臂型末端三轴不正交，不存在解析解。

如何提供一种四自由度机械臂与灵巧手手腕的融合系统及运动控制方法是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法。

本发明解决技术的方案是：

一种机械臂与灵巧手的融合系统，包括一条四自由度机械臂、一个灵巧手手腕和一个灵巧手，灵巧手手腕安装在四自由度机械臂的末端，灵巧手手掌安装在灵巧手手腕上；灵巧手手腕和四自由度机械臂通过电子线路连接。

优选的，灵巧手手腕是一个两自由度并联机构，包括两台电机、两根推杆和两台伺服位置控制器；

两台伺服位置控制器分别为主动伺服位置控制器和从动伺服位置控制器，两台电机包括第一电机和第二电机，两根推杆包括第一推杆和第二推杆，主动伺服位置控制器用于驱动第一电机运动，第一电机运动带动第一推杆运动，从动伺服位置控制器用于驱动第二电机运动，第二电机运动带动第二推杆运动；第一推杆的末端和第二推杆的末端同时与灵巧手手掌连接。

优选的，两台电机采用同步差动控制方式，两台电机驱动两根推杆运动，实现灵巧手的俯仰运动和偏航转动。

当两根推杆同向运动时灵巧手进行俯仰运动，俯仰角度范围为-70度—70度；当两根推杆反向运动运动时灵巧手进行偏航转动，偏航角度范围为-45度—45度。

一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法，包括：

将四自由度机械臂与灵巧手融合系统看作一个六轴串联机械臂，以四自由度机械臂基座中心为原点，使用D-H方法建立机械臂坐标系，并给出机械臂各关节及连杆的D-H参数；