一種驅(qū)動后置連續(xù)多關(guān)節(jié)機械臂的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)機械手技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種驅(qū)動后置連續(xù)多關(guān)節(jié)機械臂的控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)機械手臂是以人等脊椎動物為參照進(jìn)行設(shè)計研制的，包括幾個剛性關(guān)節(jié)和一 個末梢執(zhí)行器。這種結(jié)構(gòu)在多種場合下都能很好的工作，尤其是在開闊和布置整齊的環(huán)境 下。然而在擁擠狹窄的空間內(nèi)，并且需要保證機械臂與環(huán)境不能發(fā)生碰撞的情況下傳統(tǒng)的 設(shè)計想要實現(xiàn)就會很困難。
[0003] 然而在自然界中如象鼻、章魚觸手、蛇等動物的軀體靈活多變，往往能在復(fù)雜擁擠 的環(huán)境內(nèi)行走或工作。受此啟發(fā)，研究者們設(shè)計了很多仿生機器人和機械手臂。而本團(tuán)隊也 設(shè)計了一款名為驅(qū)動后置連續(xù)多關(guān)節(jié)機械臂的機械手臂。該機械臂的結(jié)構(gòu)在申請?zhí)枮?201410823602.7的發(fā)明專利：一種連續(xù)多關(guān)節(jié)機械臂裝置中已經(jīng)做出了詳細(xì)的說明，簡要 概括就是:機械臂的驅(qū)動部件采用的是伺服電機，伺服電機利用脈沖進(jìn)行驅(qū)動，通過聯(lián)軸器 和絲杠螺母傳動機構(gòu)將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為與之相連繩索的牽拉運動，三根繩索牽動一個關(guān) 節(jié)，控制關(guān)節(jié)的思路就是通過繩索控制每一個關(guān)節(jié)的運動從而控制整個機械臂的運動。但 是在如何有效的實現(xiàn)該機械臂的運動控制方面卻進(jìn)步緩慢。在本專利中主要介紹一種如何 實現(xiàn)該機械臂運動控制的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明專利的目的在于針對已有技術(shù)的不足，提供一種驅(qū)動后置連續(xù)多關(guān)節(jié)機械 臂的控制方法，使機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)初始姿態(tài)和目的姿態(tài)之間的自動變換。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明專利的構(gòu)思是，由于機械臂的關(guān)節(jié)數(shù)目多，而且又是繩 索驅(qū)動，從整體上采用先實現(xiàn)靠近基座底部關(guān)節(jié)的姿態(tài)變換再逐次實現(xiàn)機械手臂末端關(guān)節(jié) 的姿態(tài)變換，即由下向上的順序。而具體到每個關(guān)節(jié)，為了實現(xiàn)關(guān)節(jié)姿態(tài)的成功變化，采用 的方法是使各關(guān)節(jié)的兩個關(guān)節(jié)角采用分步漸進(jìn)的變化方式，同時為了使各關(guān)節(jié)姿態(tài)變化順 利進(jìn)行，使控制關(guān)節(jié)的三根繩索按照先松后緊的方式控制各關(guān)節(jié)的姿態(tài)變化。
[0006] 根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] -種驅(qū)動后置連續(xù)多關(guān)節(jié)機械臂的運動控制方法，所控制的機械臂包括兩大主要 部分：即基座和設(shè)置于基座上的機械臂，在基座內(nèi)包括作為底座支撐的驅(qū)動部件和幾個固 定板，機械臂包括多個關(guān)節(jié)模塊和連接關(guān)節(jié)模塊的十字軸轉(zhuǎn)向模塊，在驅(qū)動部件中包括伺 服電機、聯(lián)軸器、絲杠、移動螺母、推桿、鋼絲固定板，其特征在于:具體的操作步驟如下：
[0008] ①計算姿態(tài)變化關(guān)節(jié)角:在已知初始狀態(tài)各關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角時給出姿態(tài)變化后的目的 關(guān)節(jié)角，首先應(yīng)該變化靠近基座的關(guān)節(jié)模塊的姿態(tài)，此時隨后的關(guān)節(jié)作跟隨運動，即保持各 關(guān)節(jié)角值不變，待靠近基座的關(guān)節(jié)模塊姿態(tài)變化完成后就才能進(jìn)行下一個關(guān)節(jié)的姿態(tài)變 換，直至最后一個關(guān)節(jié)姿態(tài)變化完成；
[0009] ②計算關(guān)節(jié)角變化量:對于具體的某個關(guān)節(jié)，其姿態(tài)變化采用分步漸進(jìn)的方式，BP 計算出該關(guān)節(jié)的兩個關(guān)節(jié)角需要變化的關(guān)節(jié)角變化量，設(shè)定一個相對變化量很小的微變化 量，然后使兩個關(guān)節(jié)角交替變化，而每次變化的量即為設(shè)定的微變化量，直至該關(guān)節(jié)的兩個 關(guān)節(jié)角變化完成；
[0010] ③計算繩索長度變化量:在分步漸進(jìn)的一小步中，當(dāng)某個關(guān)節(jié)的兩個關(guān)節(jié)角中的 一個要變化設(shè)定的微變化量時，可計算出控制該關(guān)節(jié)的三根繩索的長度變化量，對長度變 化量進(jìn)行排序，按照大小順序依次執(zhí)行繩索長度的變化；
[0011]④計算電機的控制量:在對驅(qū)動繩索長度進(jìn)行變化時，首先判斷變化量值的正負(fù)， 根據(jù)正負(fù)來設(shè)定電機的轉(zhuǎn)動方向，然后根據(jù)變化量值計算出驅(qū)動器所需要發(fā)出的脈沖數(shù)N， 然后設(shè)定驅(qū)動器的控制電機轉(zhuǎn)向的引腳電平的高低，驅(qū)動器向電機發(fā)送所計算數(shù)目的脈 沖。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著技術(shù)進(jìn) 步:本發(fā)明對多關(guān)節(jié)機械臂的運動控制方法，包括對任意一個關(guān)節(jié)如何實現(xiàn)姿態(tài)變化的方 法，對于控制一個關(guān)節(jié)的三根繩索的控制方法，以及驅(qū)動器如何根據(jù)繩索長度變化量來驅(qū) 動電機的方法。本發(fā)明簡單明了，使用有效，適用于多關(guān)節(jié)多自由度機械臂的運動控制。
[0013] 所述步驟①計算姿態(tài)變化關(guān)節(jié)角：首先將各關(guān)節(jié)角變化量計算出來，即將目的姿 態(tài)關(guān)節(jié)角減去初始姿態(tài)關(guān)節(jié)角，第i個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角變化量為angle[2i-2]和angle[2i-l]， 首先判斷靠近基座的關(guān)節(jié)的兩個關(guān)節(jié)角變化量是否都為零，如果為否則首先執(zhí)行該關(guān)節(jié)的 姿態(tài)變化，如果為是則直接判斷第i+Ι個關(guān)節(jié)的兩個關(guān)節(jié)角變化量是否都為零，直至關(guān)節(jié)臂 的最后一個關(guān)節(jié)模塊姿態(tài)完成變化。
[0014]所述步驟②計算關(guān)節(jié)角變化量:設(shè)定一個相對較小的關(guān)節(jié)角度變化量用來作為關(guān) 節(jié)角每一步變化的角度值，在這里稱之為微變化量，第i個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角變化量為angle [2i-2]和angle[2i-l]，其對應(yīng)的微變化量為judge[2i-2]和judge[2i-l]，然后判斷 angle_c[2i-2] |>= I judge[2i-2] |&&|angle_c[2i-l] |>= I judge[2i-l] I，若為是則循環(huán) 交替變化對應(yīng)的關(guān)節(jié)角，對應(yīng)的每一次變化都要使這兩個關(guān)節(jié)角變化量的值縮小對應(yīng)的微 變化量，直至為否時，進(jìn)入下一個判斷：即|angle_c[2i-2] |>= I judge[2i-2] I，若判斷為 是，則將第(2i_l)關(guān)節(jié)角變化完成，然后循環(huán)變化第(2i-2)關(guān)節(jié)角，直至完成該關(guān)節(jié)角度的 變化，若為否，則進(jìn)入下一個判斷即：|angle_c[2i-l] |>= I judge[2i-l] I，若為是，則將第 (2i-2)關(guān)節(jié)角變化完成，然后循環(huán)變化第(2i-l)關(guān)節(jié)角，直至完成該關(guān)節(jié)角度的變化，若為 否，則直接依次完成該關(guān)節(jié)兩個關(guān)節(jié)角的變化。
[0015] 所述步驟③計算繩索長度變化量:關(guān)節(jié)的其中一個關(guān)節(jié)角在發(fā)生一個微變化量的 姿態(tài)變化過程中，首先可計算出控制該關(guān)節(jié)的三根繩索在繩索固定的關(guān)節(jié)板與上滑輪板之 間的繩索長度的變化值11〇]、111]、112]，判斷11〇]> = 111]&&11〇]> = 112]，若為是則執(zhí)行1^ [0 ]對應(yīng)的繩索驅(qū)動函數(shù)Qu (L [ 0 ])，然后判斷L [ 1 ]和L [ 2 ]的大小，哪個數(shù)值大就先執(zhí)行那個 對應(yīng)的繩索驅(qū)動函數(shù)，若為否則進(jìn)入下一個判斷，即判斷L[1]> = L[2]，若為是則執(zhí)行Qu(L
[1])，然后判斷L[0]和L[2]的大小，哪個數(shù)值大就先執(zhí)行那個對應(yīng)的繩索驅(qū)動函數(shù)，若為否 則執(zhí)行Qu(L[2])，然后判斷L[0]和L[l]的大小，哪個數(shù)值大就先執(zhí)行那個對應(yīng)的繩索驅(qū)動 函數(shù)。
[0016] 所述步驟④計算電機的控制量：電機驅(qū)動繩索進(jìn)行關(guān)節(jié)變化時，所述的繩索驅(qū)動 函數(shù)Qu(L[i])，該函數(shù)的流程是首先判斷L[i]值的正負(fù)，然后根據(jù)判斷結(jié)果確定電機的轉(zhuǎn) 向，然后利用L[i]的值計算出電機所需的脈沖數(shù)，使驅(qū)動器向電機發(fā)送所需的脈沖數(shù)即可。
【附圖說明】
[0017] 圖1:本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2:本發(fā)明基座的驅(qū)動部件與機械臂的關(guān)節(jié)板繩索連接的立體示意圖；
[0019] 圖3:驅(qū)動部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖4:在關(guān)節(jié)部件上建立D-H雙坐標(biāo)系的實例示意圖；
[0021 ]圖：5:多關(guān)節(jié)控制算法示意圖；
[0022]圖6:單關(guān)節(jié)控制算法示意圖；
[0023]圖7:單關(guān)節(jié)上三根繩索控制算法示意圖；
[0024]圖8:單根繩索控制算法示意圖；
[0025]圖9:關(guān)節(jié)模塊的下關(guān)節(jié)板上的三個繩索固定點在第二坐標(biāo)系中的坐標(biāo)表示；
[0026]圖10:上滑輪板上的三個繩索通過點在基座標(biāo)系中的坐標(biāo)表示。
【具體實施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
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