專利名稱：五自由度機械手、驅(qū)動電路和控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機械手領域，尤其涉及一種五自由度機械手、驅(qū)動電路和控制方法。
背景技術：
如今，機械手的作用越來越大，它能代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手主要由手部和運動機構組成。為了能抓取空間中的物體，機械手需要多個自由度。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2或3個自由度，其種類按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械 手。目前，電動式機械手主要采用單舵機驅(qū)動控制單個機械手臂。由于整個機械手臂的重量較大，所需驅(qū)動力矩也較大，對所用的舵機要求較高。如若為了更大范圍的抓取空間物體，需要增加機械手臂的自由度，亦使機械手臂的機構更加復雜，重量也隨之增加?，F(xiàn)有的利用單舵機驅(qū)動的機械大臂，其驅(qū)動力有限，其自由度一般都比較少，當自由度較多時，會出現(xiàn)大臂驅(qū)動力不足和機械手抖動的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種機械手大臂驅(qū)動力穩(wěn)定的五自由度機械手及其控制電路和控制方法。本發(fā)明提出的一種五自由度機械手，包括依次連接的機械手大臂、機械手小臂、第一手腕、第二手腕和機械手手掌，所述五自由度機械手還包括設置在所述機械手大臂底端兩側(cè)并聯(lián)設置的、用于控制所述機械手大臂運轉(zhuǎn)的第一舵機和第二舵機；用于帶動所述機械手小臂運動的第三舵機；帶動所述第一手腕運動的第四舵機；帶動所述第二手腕運動的第五舵機；帶動所述機械手手掌運動的第六舵機。優(yōu)選地，所述第一舵機與第二舵機相對設置，使同一時刻所述第一舵機控制所述機械手大臂一側(cè)運轉(zhuǎn)的角度與所述第二舵機控制所述機械手大臂另一側(cè)運轉(zhuǎn)的角度互補。優(yōu)選地，所述機械手手掌包括左手指與右手指，所述左手指與右手指上分別設置有用于帶動該左手指與右手指運動的主動齒輪與從動齒輪，所述主動齒輪與所述第六舵機連接。優(yōu)選地，所述主動齒輪與從動齒輪的規(guī)格相同。本發(fā)明進一步還提出一種五自由度機械手的驅(qū)動電路，用于控制上述五自由度機械手，該驅(qū)動電路包括控制器，與該控制器連接的驅(qū)動電路芯片，所述驅(qū)動電路芯片的移位時鐘輸入端與鎖存時鐘輸入端連接所述控制器的同一輸出端，所述驅(qū)動電路芯片的串行數(shù)據(jù)引腳輸入端連接所述控制器的另一輸出端，所述驅(qū)動電路芯片并行數(shù)據(jù)輸出端的六個輸出端依次連接所述第一舵機至第六舵機。本發(fā)明進一步還提出一種五自由度機械手的控制方法，基于上述驅(qū)動電路控制五自由度機械手，該控制方法包括以下步驟設置機械手大臂向前轉(zhuǎn)動初始角度a，根據(jù)所述初始角度a設定所述第一舵機和第二舵機的目標角度值；根據(jù)所述第一舵機和第二舵機的目標角度值生成目標脈寬值；根據(jù)所述目標脈寬值，同步控制第一舵機和第二舵機達到目標角度值，使機械手大臂到達目標位置。優(yōu)選地，在設置機械手大臂向前轉(zhuǎn)動初始角度a之前，還包括以下步驟初始化控制器的驅(qū)動引腳；初始化第一舵機至第六舵機到90°位置； 初始化控制器中的定時器。優(yōu)選地，所述根據(jù)初始角度α設定I號舵機和2號舵機的目標角度值具體為第一舵機的目標角度值設定為90° — a，第二舵機的目標角度值設定為180° —(90。 一 a )。優(yōu)選地，所述同步控制第一舵機和第二舵機達到目標角度值具體為按照一定的周期更新第一舵機與第二舵機的當前脈寬值，使第一舵機的當前脈寬值依次增加一個單位角度值，同時第二舵機的當前脈寬值依次減少一個單位角度值，直到第一舵機與第二舵機的當前脈寬值達到相應的目標脈寬值。優(yōu)選地，所述角度單位值為舵機帶動機械手大臂運動1°所對應的脈寬值。本發(fā)明提供的五自由度機械手，通過設置舵機分別帶動機械手大臂、機械手小臂、第一手腕、第二手腕和機械手手掌運動，實現(xiàn)了機械手的五自由度。五自由度機械手與2或3自由度機械手相比，活動更加靈活，同時也增大了機械手手掌抓取物體的范圍。


圖I為本發(fā)明五自由度機械手的結構示意圖；圖2為本發(fā)明五自由度機械手的驅(qū)動電路的結構示意圖；圖3為本發(fā)明五自由度機械手的控制方法的一實施例的流程示意圖；圖4為本發(fā)明五自由度機械手的控制方法的另一實施例的流程示意圖。本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施例就本發(fā)明的技術方案做進一步的說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提出一種五自由度機械手。參照圖1，本發(fā)明五自由度機械手的結構示意圖。在本實施例中，該五自由度機械手，包括依次連接的機械手大臂、機械手小臂、第一手腕、第二手腕和機械手手掌，還包括設置在機械手大臂底端兩側(cè)并聯(lián)設置的、用于控制機械手大臂運轉(zhuǎn)的第一舵機和第二舵機；用于帶動機械手小臂運動的第三舵機；帶動第一手腕運動的第四舵機；帶動第二手腕運動的第五舵機；帶動機械手手掌運動的第六舵機。當控制機械手手掌抓取某物體時，程序計算出每個部分需要運動的角度，然后通過控制第一舵機至第六舵機運動，使機械手到達指定位置抓取物體。通過設置舵機分別帶動機械手大臂、機械手小臂、第一手腕、第二手腕和機械手手掌運動，實現(xiàn)了機械手的五自由度。五自由度機械手與2或3自由度機械手相比，活動更加靈活，同時也增大了機械手手掌抓取物體的范圍。在上述實施例中，第一舵機101和第二舵機102為180°角度舵機，同時第一舵機101與第二舵機102需要相對設置，使同一時刻第一舵機101控制機械手大臂10 —側(cè)運轉(zhuǎn)的角度與第二舵機102控制機械手大臂10另一側(cè)運轉(zhuǎn)的角度互補。設定第一舵機101與第二舵機102在0°的位置為初始位置，當需要控制機械手大臂10運動到α位置時，則控制器需發(fā)送轉(zhuǎn)動角度為α的控制信號給第一舵機101,同時發(fā)送角度180 — α的控制信號給第二舵機102，這時，第一舵機101從0°逐漸轉(zhuǎn)動到α位置，第二舵機102從O。逐漸轉(zhuǎn) 動到180 - α位置，同時要保證在同一時刻下第一舵機101與第二舵機102的轉(zhuǎn)動角度是互補的，這樣，機械手大臂10在運轉(zhuǎn)時，其左、右兩側(cè)的運動可以保持一致，從而使機械手大臂10運轉(zhuǎn)到設定位置。通過設置180°角度舵機，同時第一舵機101與第二舵機102同一時刻的運轉(zhuǎn)的角度為互補，實現(xiàn)了機械手大臂10左、右兩側(cè)同步運動。此外，優(yōu)選將第三舵機201和第四舵機301設置在機械手小臂20的內(nèi)側(cè)；第五舵機401設置在第一手腕30與第二手腕40之間，并連接第一手腕30與第二手腕40 ;第六舵機501設置在第二手腕40上。當機械手抓取某一個物體時，通過程序的計算后，通過第一舵機101至第六舵機分別驅(qū)動相應的機械手大臂10、機械手小臂20、第一手腕30、第二手腕40和機械手手掌50做相應的運動，從而到達指定位置上抓取該物體。通過設置單個舵機單獨控制機械手的一部分運動，使機械手大臂10、機械手小臂20、第一手腕30、第二手腕40和機械手手掌50可以單獨運動而不受其它部分的影響，從而使該五自由度機械手的性能更為可靠。在上述實施例中，機械手手掌50包括左手指與右手指，左手指與右手指上分別設置有用于帶動該左手指與右手指運動的主動齒輪與從動齒輪，主動齒輪與第六舵機501連接。左手指與右手指優(yōu)選用可拆連接螺釘，并相應的可以設計不同的手爪，配合抓取不同形狀的物體，只用更換不同形狀的左手指與右手指即可。當機械手手掌50抓取物體時，第六舵機501工作帶動與左手指連接的主動齒輪運動，主動齒輪運動從而帶動與之配合的從動齒輪運動，進而使右手指也做相應的運動，左手指與右手指配合，實現(xiàn)抓取物體。通過主動齒輪與從動齒輪的配合來控制機械手手掌50的運動，不僅不用單獨對左、右手指單獨設置相應的舵機，這樣，整個五自由度機械手構造簡單，同時，使用同一舵機控制左、右手指同步運動，而不需要使用單獨程序進行左、右手指的運動進行控制。在上述實施例中，可以設置主動齒輪與從動齒輪的規(guī)格相同。當主動齒輪與從動齒輪型號相同，這樣當?shù)诹鏅C501將驅(qū)動力給到主動齒輪時，因主動齒輪與從動齒輪的傳動比為1，當抓取一個物體時，左手指與右手指所接收到的舵機的驅(qū)動力相同，使機械手手掌50抓取物體時左、右手指的受力均勻。通過將主動齒輪與從動齒輪的型號設置為相同，使該五自由度機械手抓取物體時更穩(wěn)定、物體不易掉落。本發(fā)明進一步還提出一種五自由度機械手的驅(qū)動電路，用于控制上述實施例的五自由度機械手。
參照圖2，本發(fā)明五自由度機械手的驅(qū)動電路的結構示意圖。本實施例中的五自由度機械手的驅(qū)動電路，包括控制器60，以及與該控制器60連接的驅(qū)動電路芯片70，其中，驅(qū)動電路芯片70的移位時鐘輸入端與鎖存時鐘輸入端連接控制器60的同一輸出端，驅(qū)動電路芯片70的串行數(shù)據(jù)引腳輸入端連接控制器60的另一輸出端，驅(qū)動電路芯片70的并行數(shù)據(jù)輸出端的六個輸出端依次連接第一舵機101至第六舵機501。本發(fā)明提供的驅(qū)動電路芯片70的并行數(shù)據(jù)輸出端有八個引腳，可分別控制八個舵機運轉(zhuǎn)，在本實施例中只用到其中六個引腳，連接六個舵機。當五自由度機械手需要增加額外的舵機驅(qū)動時，將增加的舵機連接該驅(qū)動電路芯片70剩余的兩個引腳即可。當五自由度機械手抓取物體時，控制器60計算出各個舵機需要運轉(zhuǎn)的角度后，向驅(qū)動電路芯片70中的移位時鐘與鎖存時鐘發(fā)送數(shù)據(jù)信號，該數(shù)據(jù)信號通過驅(qū)動電路芯片70中的串行數(shù)據(jù)輸入端傳送至驅(qū)動電路芯片70，驅(qū)動電路芯片70再將接收到的控制器60發(fā)送的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為PWM (Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)信號，該PWM信號從驅(qū)動電路的并行數(shù)據(jù)輸出端輸出，從而控制相應舵機的運轉(zhuǎn)。舵機的工作原理為根據(jù)驅(qū)動電路的并行數(shù)據(jù)輸出端所輸出的PWM信號的變化進行運轉(zhuǎn)。 通過設置這種結構的驅(qū)動電路，不僅控制算法很巧妙，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的串行輸入、并行輸出，同時也節(jié)省了控制器的端口資源。本發(fā)明進一步還提出一種五自由度機械手的控制方法，應用于上述實施例的五自由度機械手。參照圖3，圖3為本發(fā)明五自由度機械手的控制方法的一實施例的流程示意圖。在本實施例中，五自由度機械手的控制方法包括以下步驟步驟S10，設置機械手大臂向前轉(zhuǎn)動初始角度α，根據(jù)初始角度α設定第一舵機和第二舵機的目標角度值；首先設置機械手大臂需要運轉(zhuǎn)的初始角度值α，驅(qū)動電路根據(jù)初始角度值α設定第一舵機和第二舵機的目標角度值，設定了第一舵機與第二舵機的目標角度值后，驅(qū)動電路根據(jù)目標角度值進一步驅(qū)動第一舵機與第二舵機逐步移動。步驟S20，根據(jù)第一舵機和第二舵機的目標角度值生成目標脈寬值；設定了第一舵機與第二舵機的目標角度值后，因舵機的移動是PWM信號控制的，即通過脈寬值來控制舵機的運轉(zhuǎn)。因此，控制器先根據(jù)目標角度值，通過計算機程序計算得出目標脈寬值，再使控制舵機的當前脈寬值逐步達到目標脈寬值，進而對舵機的運轉(zhuǎn)進行控制。步驟S30，根據(jù)目標脈寬值，同步控制第一舵機和第二舵機達到目標角度值，使機械手大臂到達目標位置。將目標角度值轉(zhuǎn)化為目標脈寬值后，根據(jù)該目標脈寬值，在驅(qū)動電路控制第一舵機和第二舵機、其當前脈寬值逐漸達到目標脈寬值的過程中，同步控制第一舵機和第二舵機達到目標角度值，從而控制機械手大臂到達目標位置。本發(fā)明實施例，通過設置機械手大臂向前轉(zhuǎn)動的初始角度α，再根據(jù)該初始角度α計算出第一舵機和第二舵機的目標角度值，根據(jù)第一舵機和第二舵機的目標角度值生成目標脈寬值，進而根據(jù)該目標脈寬值，同步控制第一舵機和第二舵機達到目標角度值，使機械手大臂到達目標位置。采用這種方法，實現(xiàn)了通過第一舵機與第二舵機的并聯(lián)，同步驅(qū)動機械手大臂。參照圖4，圖4為本發(fā)明五自由度機械手的控制方法的另一實施例的流程示意圖。在本發(fā)明五自由度機械手的控制方法一實施例的基礎上，在步驟SlO之前，還包括步驟S40，初始化控制器的驅(qū)動引腳；初始化控制器的驅(qū)動引腳，即對控制器發(fā)送到驅(qū)動電路芯片中的信號進行初始化。步驟S50，初始化第一舵機至第六舵機到90°位置；通過驅(qū)動電路中的控制器將第一舵機至第六舵機初始化到90°位置，當驅(qū)動電路控制舵機運轉(zhuǎn)時，舵機以90°位置作為起點位置，從該起點位置起步再運轉(zhuǎn)到程序計算出 的指定位置。步驟S60，初始化控制器中的定時器。將控制器中的定時器進行初始化，當驅(qū)動電路準備控制舵機運動時，通過定時器開始計數(shù)。本發(fā)明實施例，通過初始化驅(qū)動電路驅(qū)動引腳，初始化第一舵機至第六舵機到90°位置，同時初始化控制器中的定時器，定時器以O. 5μ s為一個時間單位來計數(shù)，并且將計數(shù)的結果加I。如控制器需要每間隔一定時間發(fā)送數(shù)據(jù)信號來改變舵機的脈寬值，比如每隔Ims更新一次舵機脈寬值，此時，待計數(shù)器的計數(shù)結果從I累加到2000時，控制器才會發(fā)送數(shù)據(jù)信號至驅(qū)動電路芯片，以供更新舵機的當前脈寬值。通過對驅(qū)動電路進行初始化，使驅(qū)動電路回到原始狀態(tài)，從而為驅(qū)動電路驅(qū)動舵機提供了前提條件。在本發(fā)明五自由度機械手的控制方法一實施例的基礎上，步驟SlO中根據(jù)初始角度α設定第一舵機和第二舵機的目標角度值具體為第一舵機的目標角度值設定為90° — α，第二舵機的目標角度值設定為180° —(90。 一 α )。因第一舵機與第二舵機在初始化時都回到了 90°位置，當機械手大臂的初始角度值為α時，此時將第一舵機的目標角度值設定為90° — α，由于第一舵機與第二舵機的目標角度值必須互補，因此，第二舵機的目標角度值設定為180° —(90° - α);并且，當?shù)谝欢鏅C與第二舵機同時達到目標角度值時，才能使機械手大臂到達指定位置。通過設定第一舵機的目標角度值為90° — a，第二舵機的目標角度值為180° —(90° — a)，實現(xiàn)了通過第一舵機與第二舵機的并聯(lián)來驅(qū)動五自由度機械手。在本發(fā)明五自由度機械手的控制方法一實施例的基礎上，步驟S30具體為按照一定周期更新第一舵機與第二舵機的當前脈寬值，使第一舵機的當前脈寬值依次增加一個角度單位值，同時第二舵機的當前脈寬值依次減少一個角度單位值，直到第一舵機與第二舵機的當前脈寬值達到相應的目標脈寬值，達到同步控制第一舵機與第二舵機的運轉(zhuǎn)。通過計算機程序計算出舵機每運轉(zhuǎn)一個角度單位值所需要的時間間隔，再通過驅(qū)動電路按此時間間隔輸出連續(xù)的脈寬值不斷改變的PWM信號，達到逐步控制舵機運轉(zhuǎn)的角度。具體為按照舵機每運轉(zhuǎn)一個角度單位值所需要的時間間隔，更新第一舵機與第二舵機的當前脈寬值，使第一舵機的當前脈寬值依次增加一個角度單位值，同時使第二舵機的當前脈寬值依次減少一個角度單位值，直到第一舵機與第二舵機的當前脈寬值都達到相應的目標脈寬值。通過根據(jù)舵機每運轉(zhuǎn)一個角度單位值所需要的時間間隔，來逐步增加或減少第一舵機與第二舵機的當前脈寬值，使其當前脈寬值逐步達到目標脈寬值，這樣就進一步保證了能夠使第一舵機與第二舵機實現(xiàn)并聯(lián)同步控制機械手大臂運轉(zhuǎn)。在本發(fā)明五自由度機械手的控制方法一實施例的基礎上，角度單位值為舵機帶動機械手大臂運動1°所對應的脈寬值。通過計算機程序計算出舵機每運轉(zhuǎn)1°所對應的時間間隔，并通過驅(qū)動電路按此時間間隔連續(xù)的輸出不斷改變的脈寬值，從而控制舵機運轉(zhuǎn)的角度。通過將角度單位值設置為舵機帶動機械手大臂運動1°所對應的脈寬值，實現(xiàn)了對第一舵機與第二舵機運轉(zhuǎn)的精確控制。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用·本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結構變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種五自由度機械手，其特征在于，包括依次連接的機械手大臂、機械手小臂、第一手腕、第二手腕和機械手手掌，所述五自由度機械手還包括設置在所述機械手大臂底端兩側(cè)并聯(lián)設置的、用于控制所述機械手大臂運轉(zhuǎn)的第一舵機和第二舵機；用于帶動所述機械手小臂運動的第三舵機；帶動所述第一手腕運動的第四舵機；帶動所述第二手腕運動的第五舵機；帶動所述機械手手掌運動的第六舵機。
2.如權利要求I所述的機械手大臂裝置，其特征在于，所述第一舵機與第二舵機相對設置，使同一時刻所述第一舵機控制所述機械手大臂一側(cè)運轉(zhuǎn)的角度與所述第二舵機控制所述機械手大臂另一側(cè)運轉(zhuǎn)的角度互補。
3.如權利要求2所述的五自由度機械手，其特征在于，所述機械手手掌包括左手指與右手指，所述左手指與右手指上分別設置有用于帶動該左手指與右手指運動的主動齒輪與從動齒輪，所述主動齒輪與所述第六舵機連接。
4.如權利要求I至3任意一項中所述的五自由度機械手，其特征在于，所述主動齒輪與從動齒輪的規(guī)格相同。
5.一種五自由度機械手的驅(qū)動電路，用于控制上述五自由度機械手，其特征在于，包括控制器，與該控制器連接的驅(qū)動電路芯片，所述驅(qū)動電路芯片的移位時鐘輸入端與鎖存時鐘輸入端連接所述控制器的同一輸出端，所述驅(qū)動電路芯片的串行數(shù)據(jù)引腳輸入端連接所述控制器的另一輸出端，所述驅(qū)動電路芯片并行數(shù)據(jù)輸出端的六個輸出端依次連接所述第一舵機至第六舵機。
6.一種五自由度機械手的控制方法，基于上述驅(qū)動電路控制五自由度機械手，其特征在于，包括以下步驟 設置機械手大臂向前轉(zhuǎn)動初始角度α，根據(jù)所述初始角度α設定所述第一舵機和第二舵機的目標角度值； 根據(jù)所述第一舵機和第二舵機的目標角度值生成目標脈寬值； 根據(jù)所述目標脈寬值，同步控制第一舵機和第二舵機達到目標角度值，使機械手大臂到達目標位置。
7.如權利要求6所述的五自由度機械手的控制方法，其特征在于，在設置機械手大臂向前轉(zhuǎn)動初始角度α之前，還包括 初始化控制器的驅(qū)動引腳； 初始化第一舵機至第六舵機到90°位置； 初始化控制器中的定時器。
8.如權利要求7所述的五自由度機械手的控制方法，其特征在于，所述根據(jù)初始角度α設定I號舵機和2號舵機的目標角度值具體為 第一舵機的目標角度值設定為90° — α，第二舵機的目標角度值設定為180° -(90。 一 α )。
9.如權利要求8所述的五自由度機械手的控制方法，其特征在于，所述同步控制第一舵機和第二舵機達到目標角度值具體為 按照一定的周期更新第一舵機與第二舵機的當前脈寬值，使第一舵機的當前脈寬值依次增加一個單位角度值，同時第二舵機的當前脈寬值依次減少一個單位角度值，直到第一舵機與第二舵機的當前脈寬值達到相應的目標脈寬值。
10.如權利要求6至9中任意一項所述的五自由度機械手的控制方法，其特征在于，所述角度單位值為舵機帶動機械手大臂運動1°所對應的脈寬值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種五自由度機械手，包括依次連接的機械手大臂、機械手小臂、第一手腕、第二手腕和機械手手掌，五自由度機械手還包括設置在機械手大臂底端兩側(cè)并聯(lián)設置的、用于控制機械手大臂運轉(zhuǎn)的第一舵機和第二舵機；用于帶動機械手小臂運動的第三舵機；帶動第一手腕運動的第四舵機；帶動第二手腕運動的第五舵機；帶動機械手手掌運動的第六舵機。本發(fā)明進一步還公開了一種五自由度機械手的驅(qū)動電路和控制方法。本發(fā)明公開的五自由度機械手相比2或3自由度機械手，活動更加靈活，同時也增大了機械手手掌抓取物體的范圍。
文檔編號B25J9/16GK102873684SQ20121034917
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權日2012年9月19日
發(fā)明者秦志強 申請人:深圳市中科鷗鵬智能科技有限公司