[发明专利]一种柔性协作机械臂及其控制方法

说明书

本发明属于协作机械臂技术领域，公开了一种柔性协作机械臂及其控制方法，包括底座、机械臂主体和执行夹具，机械臂主体的底端与底座转动连接，执行夹具设于机械臂主体的顶端，底座内设置有控制板和底部舵机；机械臂主体包括转动连接的第一机臂和第二机臂；执行夹具包括多个挠性夹指，执行夹具由执行舵机驱动夹取。本发明减少了传统协作机械臂的复杂结构，降低了对驱动力的要求，本发明采用柔性的执行夹具，能够从多种角度进行抓取，通过将形变读数引入到位置速度控制环中，实现了舵机主动抵消手臂震动，提升了机械臂的控制精度；通过对舵机进行电流检测的方式，低成本地实现了碰撞检测与拖动示教。因此适合推广使用。

技术领域

本发明属于协作机械臂技术领域，具体涉及一种柔性协作机械臂及其控制方法。

背景技术

目前的机械臂可以分为两大类：需要安全隔离区的传统工业机械臂以及可以与人共处的协作机械臂。机械臂是一个多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性,已在工业装配、安全防爆等领域得到广泛应用；随着机械臂的深入研发，其结构和精度均得到极大的改善，已不仅仅在目前的领域应用，还拓展至诸多直接辅助人进行操作的技术领域，甚至能部分代替人的工作。

协作机械臂要能与人安全共处，且能让使用者方便的进行编程，需要实现碰撞检测与拖动示教两大功能。为了提高机械臂的运动精度，目前的协作机械臂均设计成体积较为庞大的结构，并采用高硬度的材料制成，以此减小因材料属性导致机械臂本身的变形；这样的结果是导致机械臂质量偏高，且由于材质非常坚硬，一旦机械臂与人发生碰撞，导致人受伤的几率较高。因此，目前的协作机械臂厂商在机械臂的控制算法和紧急刹车等模块上大量投入改进，尽量使机械臂不出现意外导致失控碰撞，此种做法可以称为主动安全措施。主动安全措施如果经过充分的研发与测试，可以保证机械臂的安全，但是有研发难度高，研发周期长的缺点，也会导致产品成本较高。这就让协作机械臂真正进入消费者市场变得困难。

在工业领域，目前的协作机械臂的主要用于自动化生产流水线，售价一般在十万到二十万人民币。如此高的价格使得协作机械臂的应用领域非常受限，然而消费者市场对协作机械臂有着广大的潜在需求，例如对老人的护理、为肌肉萎缩患者增强行动力、家庭做饭辅助等。这类需求不需要协作机械臂达到工业领域应用标准，然而目前这块市场仍然缺乏有力的低成本的产品存在。

因此，在本领域为了提高协作机械臂的主动安全措施能动性，同时降低协作机械臂的成本，需要提出更为合理的技术方案，以更好地解决当下的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种柔性协作机械臂，旨在精简协作机械臂的结构，减小其质量和体积，改进协作机械臂的执行末端的结构，使协作机械臂与人的配合更加顺畅，协作安全性能大大提高，同时大大降低协作机械臂的成本。

为了实现上述效果，本发明所采用的技术方案为：

一种柔性协作机械臂，包括底座、机械臂主体和执行夹具，所述机械臂主体的底端与底座转动连接，执行夹具设于机械臂主体的顶端。具体地说，所述的底座内设置有控制板和底部舵机，底部舵机用于驱动机械臂水平转动；所述的机械臂主体包括转动连接的第一机臂和第二机臂，第一机臂和第二机臂由机臂舵机驱动后在竖直方向相对转动；所述的执行夹具包括多个挠性夹指，执行夹具由执行舵机驱动夹取；所述的底部舵机、机臂舵机和执行舵机均电连接至控制板，且每个舵机与控制板之间均连接有电流传感器。

本发明通过底座和机械臂主体驱动执行夹具实现夹取操作，底座实现机械臂在水平方向的转动，机械臂主体上的机臂舵机实现竖直方向上的运动，执行夹具实现挠性夹取，避免了在夹取过程中造成损坏，同时机械臂整体在运动过程中进行碰撞检测和震荡消除，避免了伤害的扩大，提高了机械臂的与人协作性和安全性。