CN102166755A - 一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量方法，所述遥操作机械手包括机械手臂与机械手爪的联接总体，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，带入求解公式，直接计算遥操作机械手与周围环境的三维接触力。本方法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。

Description

一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量方法

技术领域

本发明涉及遥操作机器人机械手的力参数测定方法，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方法。该方法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

本发明提出一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量方法，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方法，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。该方法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。

本发明采用如下技术方案：

一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量方法，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；

开启第一、第二两个三维力传感器，当机械手爪和机械手臂前臂进行动作并做非匀速运动时，两个三维力传感器同时测力，第一三维力传感器的测得的力为：F_x1，F_y1，F_z1，包括机械手爪与周围环境的接触力f_x，f_y，f_z和机械手爪非匀速运动产生的惯性力f_xm，f_ym，f_zm；第二三维力传感器的测得的力为：F_x2，F_y2，F_z2，包括机械手爪与周围环境的接触力f_x，f_y，f_z和机械手爪、机械臂前臂、第一三维力传感器非匀速运动产生的惯性力f_xM，f_yM，f_zM；

则两个传感器所测得的力分别为：

第一三维力传感器 $\left\{\begin{array}{c}{F}_{x1}=f_x+f_{\mathrm{xm}}\\ F_{y1}=f_y+f_{\mathrm{ym}}\\ F_{z1}=f_z+f_{\mathrm{zm}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

第二三维力传感器 $\left\{\begin{array}{c}{F}_{x2}=f_x+f_{\mathrm{xM}}\\ F_{y2}=f_y+f_{\mathrm{yM}}\\ F_{z2}=f_z+f_{\mathrm{zM}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

设机械手爪与机械手臂前臂三个方向的线加速度分别为a_x，a_y，a_z，则机械手爪由于非匀速运动产生的惯性力f_xm，f_ym，f_zm与机械手爪、机械臂前臂、第一三维力传感器非匀速运动产生的惯性力f_xM，f_yM，f_zM表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{xm}}=-m\×a_x\\ f_{\mathrm{ym}}=-m\×a_y\\ f_{\mathrm{zm}}=-m\×a_z\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{xM}}=-M\×a_x\\ f_{\mathrm{yM}}=-M\×a_y\\ f_{\mathrm{zM}}=-M\×a_z\end{array}\right.---\left(4\right)$

将式(3)、式(4)分别代入式(1)、式(2)得：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{x1}=f_x-m\×a_x\\ F_{y1}=f_y-m\×a_y\\ F_{z1}=f_z-m\×a_z\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{x2}=f_x-M\×a_x\\ F_{y2}=f_y-M\×a_y\\ F_{z2}=f_z-M\×a_z\end{array}\right.---\left(6\right)$

将第一三维力传感器的测得力F_x1，F_y1，F_z1和第二三维力传感器的测得力F_x2，F_y2，F_z2分别带入式(5)、式(6)得

$\left\{\begin{array}{c}{f}_x=\frac{{\mathrm{MF}}_{x1}-m{F}_{x2}}{M-m}\\ f_y=\frac{{\mathrm{MF}}_{y1}-m{F}_{y2}}{M-m}\\ \mathrm{fz}=\frac{{\mathrm{MF}}_{z1}-m{F}_{z2}}{M-m}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由式(7)得知，通过已知的m和M，以及两个传感器分别测得三个方向的分力F_x1，F_y1，F_z1和F_x2，F_y2，F_z2，直接计算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，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，消除了惯性力的干扰，再由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。

与现有技术相比，本发明的优点及显著效果为：(1)消除了惯性力的干扰，提高了三维力传感器的测力精度。(2)结构简单，不需使用加速度计而仅用两个三维力传感器就消除了惯性力的干扰，节约了硬件和软件资源。(3)无需进行加速度的求解而直接求解接触力，算法简单可靠，速度较快且成本较低。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明实施例原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

参照图2，为临场感遥操作机器人机械手装置，其主要任务是在人们难以靠近的高温、高压、强辐射、窒息等极限环境实施物体抓取等作业。包括遥操作机械手爪1，第一三维力传感器3，遥操作机械臂前臂5，第二三维力传感器7，由铰链构成的遥操作机器人肘关节10，铰链与前臂之间用于固定第二三维力传感器的基座9和遥操作机械臂后臂11。第一三维力传感器3通过其底端的法兰盘4固定于遥操作机械臂前臂5的前端并通过第一三维力传感器顶端的法兰盘2与遥操作机械手爪的底部连接。第二三维力传感器7通过其底部的法兰盘8固定于基座9的前端，并通过其顶端法兰盘6与遥操作机械臂前臂4的后端连接。由铰链构成的遥操作机器人肘关节10用于连接基座9和遥操作机械臂后臂11。机械手爪1与第一三维力传感器3之间，第一三维力传感器3与遥操作机械臂前臂5之间，遥操作机械臂前臂5与第二三维力传感器7之间以及第二三维力传感器7与基座9之间均为刚性连接。临场感遥操作机器人进行临场感作业时，机械手爪1，第一三维力传感器3，遥操作机械臂前臂5，第二三维力传感器7和基座9的中心轴保持在同一条直线上，不会发生相对移动和转动。由铰链构成的遥操作机器人肘关节10将基座9和遥操作机械臂后臂11连接，并使得由机械手爪1，第一三维力传感器3，操作机械臂前臂5，第二三维力传感器7，基座9构成的遥操作机械臂前半部分与遥操作机械臂后臂11可一发生绕由铰链构成的遥操作机器人肘关节10的相对转动。机械手爪1的手爪可以张开与闭合进行临场感作业。其中遥操作机械手爪1的质量为m；遥操作机械手爪1、遥操作机械臂前臂5和第一三维力传感器3(包括法兰盘2和4)的总质量为M。

参看图1、3，临场感遥操作机器人进行临场感作业时，由遥操作机械手爪受到与外界环境的三维接触力为(f_x，f_y，f_z)，并由于非匀速运动而产生三维惯性力(f_xm，f_ym，f_zm)。遥操作机械手爪将(f_x，f_y，f_z)与(f_xm，f_ym，f_zm)传递给第一三维力传感器进行力信号的测量，并将力信号转换为电压信号输出。设第一三维力传感器测得的力信号为(F_1x，F_1y，F_1z)，则

(F_1x，F_1y，F_1z)＝(f_x+f_mx，f_y+f_my，f_z+f_mz)

同时，第一三维力传感器也由于非匀速运动而产生三维惯性力(f_1x，f_1y，f_1z)，并将(f_x，f_y，f_z)，f_xm，f_ym，f_zm)，(f_1x，f_1y，f_1z)与传递给遥操作机械臂前臂。遥操作机械臂前臂将(f_x，f_y，f_z)，(f_xm，f_ym，f_zm)，(f_1x，f_1y，f_1z)以及自身非匀速运动而产生三维惯性力(f_3x，f_3y，f_3z)传递给第二三维力传感器。设机械手、机械臂前臂、第一三维力传感器非匀速运动产生的惯性力总和为(f_Mx，f_My，f_Mz)，即

(f_Mx，f_My，f_Mz)＝(f_mx+f_1x+f_3x，f_my+f_1y+f_3y，f_mz+f_1z+f_3z)

设第二三维力传感器测得的力信号为(F_x2，F_y2，F_z2)，则

(F_x2，F_y2，F_z2)＝(f_x+f_Mx，f_y+f_My，f_z+f_Mz)。

第一、第二三维力传感器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。由接触力求解模块判断数字信号所对应的第一、第二三维力传感器所测力值的大小，将换算出的测得力(F_1x，F_1y，F_1z)与(F_x2，F_y2，F_z2)代入式

$\left\{\begin{array}{c}{f}_x=\frac{{\mathrm{MF}}_{x1}-m{F}_{x2}}{M-m}\\ f_y=\frac{{\mathrm{MF}}_{y1}-m{F}_{y2}}{M-m}\\ \mathrm{fz}=\frac{{\mathrm{MF}}_{z1}-m{F}_{z2}}{M-m}\end{array}\right.$

即求出遥操作机械手与周围环境的接触力，消除了惯性力的干扰。随后由控制模块将求解出的遥操作机械手与周围环境的接触力通过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。上述数据采集与AD转换模块、接触力求解模块、PID控制算法以及控制模块均为成熟技术，不再赘述。

Claims (1)

1.一种遥操作机器人的机械手末端三维接触力测量方法，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；

开启第一、第二两个三维力传感器，当机械手爪和机械手臂前臂进行动作并做非匀速运动时，两个三维力传感器同时测力，第一三维力传感器的测得的力为：F_x1，F_y1，F_z1，包括机械手爪与周围环境的接触力f_x，f_y，f_z和机械手爪非匀速运动产生的惯性力f_xm，f_ym，f_zm；第二三维力传感器的测得的力为：F_x2，F_y2，F_z2，包括机械手爪与周围环境的接触力f_x，f_y，f_z和机械手爪、机械臂前臂、第一三维力传感器非匀速运动产生的惯性力f_xM，f_yM，f_zM；

则两个传感器所测得的力分别为：

第一三维力传感器 $\left\{\begin{array}{c}{F}_{x1}=f_x+f_{\mathrm{xm}}\\ F_{y1}=f_y+f_{\mathrm{ym}}\\ F_{z1}=f_z+f_{\mathrm{zm}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

第二三维力传感器 $\left\{\begin{array}{c}{F}_{x2}=f_x+f_{\mathrm{xM}}\\ F_{y2}=f_y+f_{\mathrm{yM}}\\ F_{z2}=f_z+f_{\mathrm{zM}}\end{array}\right.---\left(2\right);$

设机械手爪与机械手臂前臂三个方向的线加速度分别为a_x，a_y，a_z，则机械手爪由于非匀速运动产生的惯性力f_xm，f_ym，f_zm与机械手爪、机械臂前臂、第一三维力传感器非匀速运动产生的惯性力f_xM，f_yM，f_zM表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{xm}}=-m\×a_x\\ f_{\mathrm{ym}}=-m\×a_y\\ f_{\mathrm{zm}}=-m\×a_z\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{xM}}=-M\×a_x\\ f_{\mathrm{yM}}=-M\×a_y\\ f_{\mathrm{zM}}=-M\×a_z\end{array}\right.---\left(4\right)$

将式(3)、式(4)分别代入式(1)、式(2)得：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{x1}=f_x-m\×a_x\\ F_{y1}=f_y-m\×a_y\\ F_{z1}=f_z-m\×a_z\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{x2}=f_x-M\×a_x\\ F_{y2}=f_y-M\×a_y\\ F_{z2}=f_z-M\×a_z\end{array}\right.---\left(6\right)$

将第一三维力传感器的测得力F_x1，F_y1，F_z1和第二三维力传感器的测得力F_x2，F_y2，F_z2分别带入式(5)、式(6)得

$\left\{\begin{array}{c}{f}_x=\frac{{\mathrm{MF}}_{x1}-m{F}_{x2}}{M-m}\\ f_y=\frac{{\mathrm{MF}}_{y1}-m{F}_{y2}}{M-m}\\ \mathrm{fz}=\frac{{\mathrm{MF}}_{z1}-m{F}_{z2}}{M-m}\end{array}\right.---\left(7\right)$

通过(7)式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，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，消除了惯性力的干扰，再由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。

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