一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法与流程

技术特征：
1.一种机械臂与灵巧手的融合系统，其特征在于：包括一条四自由度机械臂、一个灵巧手手腕和一个灵巧手，灵巧手手腕安装在四自由度机械臂的末端，灵巧手手掌安装在灵巧手手腕上；灵巧手手腕和四自由度机械臂通过电子线路连接。2.根据权利要求1所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统，其特征在于：灵巧手手腕是一个两自由度并联机构，包括两台电机、两根推杆和两台伺服位置控制器；两台伺服位置控制器分别为主动伺服位置控制器和从动伺服位置控制器，两台电机包括第一电机和第二电机，两根推杆包括第一推杆和第二推杆，主动伺服位置控制器用于驱动第一电机运动，第一电机运动带动第一推杆运动，从动伺服位置控制器用于驱动第二电机运动，第二电机运动带动第二推杆运动；第一推杆的末端和第二推杆的末端同时与灵巧手手掌连接。3.根据权利要求2所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统，其特征在于：两台电机采用同步差动控制方式，两台电机驱动两根推杆运动，实现灵巧手的俯仰运动和偏航转动。4.根据权利要求3所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统，其特征在于：当两根推杆同向运动时灵巧手进行俯仰运动，俯仰角度范围为-70度—70度；当两根推杆反向运动运动时灵巧手进行偏航转动，偏航角度范围为-45度—45度。5.一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法，其特征在于包括：将四自由度机械臂与灵巧手融合系统看作一个六轴串联机械臂，以四自由度机械臂基座中心为原点，使用d-h方法建立机械臂坐标系，并给出机械臂各关节及连杆的d-h参数；根据四自由度机械臂的关节角度θ1、θ2、θ3、θ4和灵巧手手腕的关节角度θ5、θ6，通过四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统的正运动学方法，求得灵巧手手腕末端的位置姿态矩阵实现对融合系统正向运动控制；r表示灵巧手手腕末端的旋转矩阵，p表示灵巧手手腕末端的位置矩阵；若已知灵巧手手腕末端位置姿态通过四自由度机械臂与灵巧手手腕融合系统的逆运动学数值求解方法，求得融合系统的关节角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，根据关节角度获得控制指令，发送给伺服位置控制器，以驱动灵巧手手腕末端达到预定的位置姿态。6.根据权利要求5所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法，其特征在于：对融合系统正向运动控制时，灵巧手手腕末端的位置姿态
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t为融合系统中，机械臂基坐标系到机械臂第一关节的坐标转换矩阵；为融合系统中，机械臂第一关节到机械臂第二关节的坐标转换矩阵；为融合系统中，机械臂第二关节到机械臂第三关节的坐标转换矩阵；为融合系统中，机械臂第三关节到机械臂第四关节的坐标转换矩阵；为融合系统中，机械臂第四关节到灵巧手手腕第一关节的坐标转换矩阵；为融合系统中，灵巧手手腕第一关节到灵巧手手腕第二关节的坐标转换矩阵；
为融合系统中，机械臂基坐标系到灵巧手手腕末端的坐标转换矩阵。7.根据权利要求6所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法，其特征在于：于：其中，dj为第j个关节与第j-1个关节的连杆距离，j＝2，3，4，5；a
p
为第p个关节的连杆长度，p＝2；si为第i个关节角度正弦，ci为第i个关节角度余弦，i＝1，2，3，4，5，6。8.根据权利要求7所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法，其特征在于：si＝sinθ
i
，ci＝cosθ
i
。9.根据权利要求5所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法，其特征在于：关节角度θ6采用迭代方式求数值解。10.根据权利要求9所述的一种机械臂与灵巧手的融合系统的运动控制方法，其特征在于：θ6的第k 1次迭代公式如下：θ
6(k 1)
为θ6的第k 1次迭代结果，θ
6(k)
为θ6的第k次迭代结果，θ
6(k-1)
为θ6的第k-1次迭代结果，f(θ
6(k 1)
)为θ
6(k 1)
处的逆运动学公式，f(θ
6(k)
)为θ
6(k)
处的逆运动学公式，f(θ
6(k-1)
)为θ
6(k-1)
处的逆运动学公式。

技术总结
本发明涉及一种机械臂与灵巧手的融合系统及运动控制方法，所述融合系统包括一条四自由度机械臂、一个灵巧手手腕和一个灵巧手，灵巧手手腕为单关节空间正交双自由度手腕，灵巧手手腕安装在四自由度机械臂的末端，灵巧手手掌安装在灵巧手手腕上。运动控制方法中，将四自由度机械臂与灵巧手融合系统看作一个六轴串联机械臂，根据关节角度可以通过正运动学方法求得灵巧手手腕末端的位置姿态；根据灵巧手手腕末端的位置姿态通过逆运动学数值求解方法求得关节角度，进而获得控制指令。本发明设计了正交双自由度灵巧手的手腕，采用了机械臂与灵巧手手腕相结合的六自由度串并联机构，来进行机械臂与灵巧手的融合控制，并给出了逆运动学数值解求解方法。动学数值解求解方法。动学数值解求解方法。


技术研发人员：张俊宁 吕博瀚 李晓琪 郭喜彬 李鹏飞
受保护的技术使用者：北京精密机电控制设备研究所
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2022/7/8