[发明专利]一种具有力控制的六自由度机械臂标准汉字书写方法

说明书

技术领域

本发明属于机械臂控制技术领域，具体涉及一种具有力控制的六自由度机械臂标准汉字书写方法。

背景技术

机械臂目前已经广泛应用于航天、医疗及工业生产领域，虽然近年来出现了专门用于书写汉字的机械臂，但大多是模仿名人书写或进行书法绘制，使用小型低自由度的执行机构完成任务，用于家庭或办公环境中，这类书法机器人特点是低自由度手臂的结构设计或对手写汉字的模仿。工业机械臂精度高且速度快，设计一种专门针对典型六自由度机械臂的标准汉字书写系统十分必要，标准汉字的书写系统可以用于实践教学、科技展览，也可以用于工厂中完成喷涂、绘制等任务。

当机械臂汉字书写系统应用于特殊的工业场合时，如雕刻、脆性物体或不平滑表面上的书写等，机械臂书写汉字时只进行位置控制无法保证写字的精度和安全性，在书写过程中对机械臂加入力约束十分必要，目前没有在工业机械臂汉字书写系统中加入力控制的研究。为了保证写字时的精度，不出现写字时力过大或过小的情况，需要在写字时使机械臂末端以恒定力在接触面上书写。另外，具有力控制的机械臂在书写汉字时不需要手动对接触面位置进行重复精确定位，可以直接根据机械臂末端的接触力估计接触表面的位置，更加简单方便。

本发明设计的系统针对典型的六自由度工业机械臂，具有力控制的标准汉字书写系统的设计对工业机械臂的研究具有重要的借鉴意义，可直接应用于同结构类型的机械臂控制及汉字书写任务中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现力控制下典型工业机械臂的汉字书写的具有力控制的六自由度机械臂标准汉字书写方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种具有力控制的六自由度机械臂标准汉字书写方法，包括汉字轮廓信息提取、机械臂末端轨迹规划、阻抗控制方法设计、接触面位置寻找和书写过程的力控制：

(1)基于Windows自带的TTF字库提取汉字的轮廓点位置信息，并把轮廓曲线分为直线和样条曲线；

(2)将提取出的汉字轮廓位置坐标转化为机械臂末端执行器笛卡尔空间的x和y坐标，分别对直线和样条曲线进行机械臂末端的轨迹规划；

(3)设计机械臂的阻抗控制方法，对机械臂末端的位置和力同时进行控制；

(4)设计六自由度机械臂寻找接触面的策略，计算接触面在笛卡尔空间的位置；

(5)在力控制下书写汉字；

所述的步骤(1)具体为：

(1.1)基于Windows自带的TTF字库，调用CFont类的CreateFont()函数设置待书写汉字的高度、宽度及字体；

(1.2)每个汉字包含若干条闭合轮廓，将其分为直线和样条曲线，使用GetGlyphOutline()函数提取汉字的轮廓信息；

(1.3)创建文本文件，将轮廓位置坐标存入文本文件中。

所述的步骤(2)具体为：

(2.1)读取文本文件中的轮廓曲线位置坐标，将读取的平面坐标值分别转化为机械臂末端执行器在笛卡尔空间的x和y坐标；

(2.2)对直线轮廓线进行直线轨迹规划，通过归一化参数确定起点与终点间中间点的坐标，归一化参数采用抛物线过渡的线性函数，保证机械臂末端在书写汉字时速度连续；

(2.3)对样条轮廓线进行样条轨迹规划，通过抛物线函数拟合样条曲线，采用等弦长的方法得到插补点的位置坐标；

(2.4)依次将轨迹规划后的位置坐标作为机械臂期望的末端位置发送给控制器。

所述的步骤(3)具体为：

(3.1)采用基于位置的控制方法，控制内环为位置控制环，外环使用阻抗控制器将力偏差转化为位置偏差；

(3.2)使用力传感器测量机械臂末端与环境的实际接触力，将期望接触力与实际接触力的差值输入阻抗控制器；

(3.3)将期望位置与阻抗控制器输出的位置差同时输入到位置控制内环中，控制机械臂同时满足期望力与期望位置。

所述的步骤(4)具体为：

(4.1)将机械臂末端的期望力设为安全范围内的某一值F₀，并发送给阻抗控制器，并控制其运动直至满足期望力要求，此时机械臂末端与接触面接触；

(4.2)接触力到达F₀后，把期望力置为0N，接触力减小到0N时的位置即为接触面的位置；

(4.3)读取此时机械臂的关节角，通过机械臂运动学方程计算机械臂末端的位置，即为接触面在笛卡尔空间的位置。

所述的步骤(5)具体为：