一种双机械臂夹持搬运装置及其机械臂力控方法

技术领域

本发明涉及一种双机械臂夹持搬运物体过程中的力控技术。

背景技术

随着时代进步和科学技术的不断发展变化，机械臂在生产生活上不断提供强有力支持，在各行各业应用中不断广泛和深入，其作业环境与具体任务具有以下特点：个性化、定制化、复杂化和多样性等，传统的单机械臂工作模式往往适应性不足，局限性愈发凸显，有的应用场合开始采用两个甚至多个机械臂实现单机械臂难以实现的功能，其中双臂合作完成任务比较常见。

现有技术中，双臂合作完成任务的方式主要是利用双机械臂共同以托举的方式完成物体的搬运。然而，在某些应用场景下，通常存在某些空间上的限制，导致机械臂的活动空间有限，无法完成托举动作。另外，夹持零件需要单独设计，其加工制作成本较高。

发明内容

为了解决现有技术中双机械臂存在的问题，本申请提供了一种双机械臂夹持搬运装置，其利用双机械臂对物体进行夹持，并利用夹持的力对物体进行搬运。这种搬运方式具有以下优点：夹持零件的设计、加工、制作方便，成本低，甚至不夹持零件，直接利用机械臂末端法兰也能搬运。

本申请提供了一种双机械臂夹持搬运装置，包括：

第一机械臂，第一机械臂的末端安装有第一夹持工具；

第二机械臂，第二机械臂的末端安装有第二夹持工具，第二机械臂的末端还配置有六维力和力矩传感器，用于在搬运过程中维持夹持力不变；

第一夹持工具和第二夹持工具用于夹持待搬运的物体，并利用夹持力搬运所述物体。

在至少一个实施例中，其中，选择第一机械臂作为主臂，选择第二机械臂作为从臂。

在至少一个实施例中，其中，持续采集从臂的六维力和力矩传感器数据，用于自动调整从臂末端姿态，以维持期望的夹持力。

在至少一个实施例中，其中，第一机械臂和第二机械臂为六轴机械臂。

在至少一个实施例中，其中，主臂示教姿态时，选择接触面最大的非奇异姿态。

在至少一个实施例中，其中，第一机械臂的末端也配置有六维力和力矩传感器。

在至少一个实施例中，其中，第一机械臂和第二机械臂从上位机接收速度指令。

在至少一个实施例中，其中，所述第一夹持工具和所述第二夹持工具分别为第一机械臂和第二机械臂末端的法兰。

本申请还提供了一种双机械臂夹持搬运装置的机械臂力控方法，包括：

S1：定义待搬运的物体的运动轨迹；

S2：根据所述物体的运动轨迹计算第一机械臂和第二机械臂的末端TCP轨迹；

S3：根据所述物体的重量特性确定夹持力，利用第一夹持工具和第二夹持工具夹持并搬运所述物体，持续采集第一机械臂末端的六维力和力矩传感器，以在搬运过程中维持夹持力不变。

在至少一个实施例中，其中步骤S2包括：选择第一机械臂作为主臂，确定第一机械臂末端TCP的轨迹，同时确定第二机械臂末端TCP轨迹。

本申请提的双机械臂夹持搬运装置，其利用双机械臂对物体进行夹持，并利用夹持的力对物体进行搬运，夹持零件的设计、加工、制作方便，成本低，甚至不夹持零件，直接利用机械臂末端法兰也能搬运。

附图说明

下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本申请上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。以下附图仅旨在于对本申请做示意性说明和解释，并不限定本申请的范围。其中：

图1示出了本发明的一个实施例提供的双机械臂夹持搬运装置。

具体实施方式

为了对本申请的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本申请的具体实施方式。

本发明提供的双机械臂夹持搬运装置中，在物体自身重力小于机械臂最大夹持力乘以物体与夹持工件之间的摩擦系数的积的条件下，针对刚性物体和非刚性物体均能夹持搬运；表面平整与否均能搬运。其原理：机械臂最大夹持力与夹持工件和物体摩擦系数的乘积大于物体自身重力，夹持搬运才可行，至少其中一台机械臂末端配置六维力和力矩传感器，在整个搬运过程维持夹持力不变。

本发明以双机械臂夹持物体进行搬运为应用场景，重点确定了双臂夹持搬运过程中机械臂的末端位置和力的关系。

首先，定义物体的运动轨迹，也就是期望物体如何运动，如从一个位置搬运到另一个位置，由于是夹持运动，物体运动速度不能太快，通过在200mm/s以下。

选择一台机械臂(如只有一台具备力和力矩传感器，应选择无传感器一台)作为主臂，确定其末端TCP的轨迹，同时确定从臂末端TCP轨迹。

接着，根据物体重量特性(如外壳硬度，可变形性等)确定夹持力。

下一步，进行夹持，夹持过程中读取六维力和力矩传感器数量，不断调整从臂机械臂姿态，保证夹持工具正面接触物体。

最后，进行维持夹持力进行搬运。

本发明的一个实施例提供的双机械臂夹持搬运装置如图1所示，包括：

第一机械臂10，其末端安装有第一夹持工具11；

第二机械臂20，其末端安装有第二夹持工具21，第二机械臂20的末端还配置有六维力和力矩传感器，以在整个搬运过程维持夹持力不变。

第一夹持工具11和第二夹持工具21用于夹持待搬运的物体9，并利用夹持力搬运物体9。

本发明的一个实施例提供的双机械臂夹持搬运装置的机械臂力控方法包括：

S1：定义物体9的运动轨迹。

首先确定整个系统的坐标系，取机械臂主臂(主臂的选择见下一步)的基坐标系为系统的坐标系。物体轨迹由搬运需求决定，通常物体位置用xyz三个方向上的坐标表示，将物体轨迹简体化为由一系列(串)位置点表示，其中任意一个位置点用

S2：根据物体9的运动轨迹计算两个机械臂末端TCP轨迹。

选择没有安装六维力和力矩传感器的第一机械臂10作为主臂，确定其末端TCP的轨迹，同时确定从臂(第二机械臂20)末端TCP轨迹。

a)对上述的每一个物体位置点

b)而从臂针对该物体位置点，取从臂TCP坐标系下坐标为

c)上述分别用主臂和从臂在各自的基坐标系下，表示了该物体的一个位置点，结合夹持搬运的封闭链特点，在已知两机械臂基坐标系的关系T

S3：根据物体重量特性确定夹持力，利用第一夹持工具11和第二夹持工具21夹持并搬运物体90，持续采集从臂末端的六维力/力矩传感器数据，自动调整从臂机械臂末端姿态，维持期望的夹持力。

针对物体表面为曲面和平面情况的处理说明。前期准备工作：主臂示教姿态时，选择接触面最大的非奇异姿态，兼顾位置居中。两个机械臂运动过程中，持续采集从臂末端装备的六维力/力矩传感器数据，根据xyz三个方向上采集的力的信息，不断自动调整机械臂末端姿态使z向力最大，xy向接近于零。

这样在搬运过去中，就较好地维持期望的夹持力。而类似于正方体/长方体结构的物体，尽管主臂在示教时尽量使末端与物体表面平行，实际也存在非常小的角度，采用上述方法也能保证搬运时比较贴合。

针对夹持搬运物体过程中夹持力说明。首先设定夹持力大小，夹持力根据物体自重大小，机械臂末端与物体之间的摩擦系数决定，可通过反复实验的由小到大的方法确定。其次维持夹持力。由于两个机械臂基坐标系标定过程中不可能十分的准确，以及两个机械臂自身标定的也存在误差，根据第二步计算得到的两个臂末端TCP位置，不可能是理想的两个平行平面上的运动曲线，在搬运过程中，本方法采用力位混合控制方法以应对上述的这种情况，确保能正常搬运。主臂按照步骤S2求得的位姿点，使主臂不断地运动到这些点，形成搬运轨迹。而从臂也是不断的朝着从臂步骤S2的位姿点运动，持续采集从臂末端装备的六维力/力矩传感器数据，其中从臂Z向力是我们的控制对象的实际值，当目标值与实际值存在偏差时，调整TCP坐标系下的Z坐标，如靠近或远离被搬运的物体，再将TCP坐标系的Z坐标调整，通过机臂人的正向运动学换算到基坐标下，最终去修正步骤S2得到的位姿点，或者说在步骤S2的位姿点上加上这个偏差。

双机械臂控制原理。主臂和从臂接收上位机速度指令。主臂关节速度指令生成由

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，并非用以限定本申请的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本申请的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本申请保护的范围。