機器人手爪及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種機器人手爪，包括兩個機器人手臂、布置在兩機器人手臂各自的端部的上接觸部和下接觸部。在抓握物體時，上接觸部和下接觸部與物體的頂部和底部接觸。上接觸部和下接觸部是具有預定半徑的半球形。傳感器單元安裝在上接觸部和下接觸部。在抓握物體時，傳感器單元測量施加至上接觸部或者下接觸部的垂直力或者水平力。提供控制單元，其被配置為在抓握物體時，利用手臂端部間的垂直和水平距離以及由傳感器單元測量的垂直分力，確定物體重心是否位于手臂端部間的中心位置。
【專利說明】機器人手爪及其控制方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請基于35U.S.C.§ 119(a)要求在2012年12月27日提交的韓國專利申請?zhí)?0-2012-0154474的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，該申請的全部內(nèi)容并入本文以作參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開涉及機器人手爪和控制機器人手爪的方法，當操作重心不明的未知物體時，該機器人手爪可以通過計算從待舉物體的重心到安裝在手爪上的具有2-軸傳感器的手臂的接觸點的距離，選擇新的接觸點，重復抓握物體并計算垂直分力和水平分力來確定穩(wěn)定性。
【背景技術(shù)】
[0004]機器人手爪用于抓握和移動物體。雙手臂機器人試圖抓握和舉起物體且物體重心位于兩手臂間的中心位置。然而，機器人手爪難以穩(wěn)定地保持較重或較長的物體。在工業(yè)領(lǐng)域中用于抓握物體的機器人可能由于滑落物體而引發(fā)事故。因此，需要開發(fā)一種能夠(例如通過在抓握時使用傳感器)在抓握過程中確定穩(wěn)定性的方法，從而防止此類事故。
[0005]KR10-2012-0069923A,題為“WALKING ROBOT AND METHOD FOR CONTROLLINGBALANCING THE SAME (步行機器人和控制其平衡的方法)”公開了步行機器人和用于控制機器人平衡的方法，用于控制通過扭矩伺服操作關(guān)節(jié)的步行機器人的穩(wěn)定平衡。通過計算虛擬重力加速度、利 用機器人的重心并計算重力補償扭矩，從而根據(jù)所計算的虛擬重力加速度將力從施加至連桿(link)，即使在有外部變化包括來自外部的任何力和地面傾斜度的情況下，其也能夠保持直立姿勢和期望的上體角。此外，即使在沒有關(guān)于地面傾斜方向和傾斜度的信息的條件下，機器人也能夠保持相對于重力方向的直立姿勢，并且即使機器人所站立的地面逐漸傾斜，也能在改變踝關(guān)節(jié)角度的同時保持上體姿勢和腿部穩(wěn)定。然而，即使使用本方法，也難以估計未知物體抓握中的穩(wěn)定性，因此，這種技術(shù)對于本工業(yè)領(lǐng)域中的機器人是必然需要的。
[0006]以上提供的描述是本公開的現(xiàn)有技術(shù)，用于幫助理解本公開的背景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本公開的實施方式，提供如下的機器人手爪，其包含兩個機器人手臂、布置在兩個機器人手臂各自的端部的上接觸部和下接觸部。在抓握物體時，上接觸部和下接觸部與物體的頂部和底部接觸。上接觸部和下接觸部形成具有預定半徑的半球形。上接觸部和下接觸部上安裝有傳感器單元。在抓握物體時，傳感器單元測量施加至上接觸部或者下接觸部的垂直力或者水平力。提供控制單元，其被配置為在抓握物體時，利用手臂端部間的垂直和水平距離以及由傳感器單元測得的垂直分力，確定物體重心是否位于手臂端部間的中心位置。
[0008]根據(jù)本公開的另一個實施方式，提供控制機器人手爪的方法。機器人手爪包含兩個機器人手臂、布置在兩個機器人手臂各自的端部的上接觸部和下接觸部。在抓握時，上接觸部和下接觸部與物體的頂部和底部接觸。上接觸部和下接觸部形成具有預定半徑的半球形。上接觸部和下接觸部上安裝有傳感器單元。在抓握物體時，傳感器單元測量施加至上接觸部或者下接觸部的垂直力或者水平力。提供控制單元，其被配置為在抓握物體時，利用手臂端部間的垂直和水平距離以及由傳感器單元測得的垂直分力，確定物體重心是否位于手臂端部間的中心位置。該方法包括抓握物體和根據(jù)手臂端部的垂直和水平距離測量物體的傾斜角。利用物體傾斜角以及由傳感器單元所測量的垂直分力，計算從物體重心到手臂端部的水平距離。
[0009]致力于解決所述問題而做出本公開，本公開的目的是提供這樣的機器人手爪，當操作重心不明的物體時，其能夠通過計算從物體重心到手爪上安裝有2-軸傳感器的接觸點的距離，選擇新的接觸點，重復抓握和計算與重心的距離，并計算垂直分力和水平分力，由此確定穩(wěn)定性。本公開的另一個目的是控制機器人手爪的方法。
[0010]在本公開的某些實施方式中，當重心并不位于手臂端部間的中心位置時，控制單元確定物體與上接觸部或者下接觸部之間的摩擦力并比較摩擦力和水平分力。
[0011]在本公開的某些實施方式中，本公開的控制機器人手爪的方法包括:抓握物體；根據(jù)手臂端部的垂直和水平距離，測量物體的傾斜角；以及利用物體傾斜角以及由傳感器單元所測量的垂直分力，計算從物體重心到手臂端部的水平距離。
[0012]在某些實施方式中，計算處理還包括確定水平力是否相等。
[0013]在某些實施方式中，確定過程還包括當水平距離不相等時，計算物體與上接觸部或者下接觸部之間所產(chǎn)生的摩擦力。
[0014]在某些實施方式中，計算處理利用物體的傾斜角和由傳感器單元所測量的垂直和水平分力來確定垂直和水平分力，并利用垂直分力提取摩擦力。
[0015]在某些實施方式中，計算處理還包括將所提取的摩擦力與水平分力進行比較。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]根據(jù)對本公開實施方式的更詳細描述，本公開的上述和其他特征將更加顯而易見，如附圖所圖解說明，其中貫穿不同視圖，相似的附圖標記可指代相同或者相似部分。附圖并非必然是按比例的，而是將重點放在說明本公開實施方式的原理上。
[0017]圖1是示出根據(jù)本公開實施方式的機器人手爪的構(gòu)造的視圖；
[0018]圖2至圖3是示出根據(jù)本公開實施方式的控制機器人手爪的方法的視圖；且
[0019]圖4是示出根據(jù)本公開實施方式的控制機器人手爪的方法的流程圖。
[0020]應(yīng)當理解，所附的附圖并非必然是按比例的，而只是呈現(xiàn)說明本發(fā)明的基本原理的各種優(yōu)選特征的一定程度的簡化表示。本文公開的本發(fā)明的具體設(shè)計特征，包括，例如，具體尺寸、方向、位置和形狀將部分取決于特定的既定用途和使用環(huán)境。
【具體實施方式】
[0021]以下參考附圖描述根據(jù)本公開實施方式的機器人手爪和控制機器人手爪的方法。
[0022]圖1是示出根據(jù)本公開實施方式的機器人手爪的構(gòu)造的視圖；圖2至圖3是示出根據(jù)本公開實施方式的控制機器人手爪的方法的視圖；且圖4是示出根據(jù)本公開實施方式的控制機器人手爪的方法的流程圖。
[0023]如圖2所示，根據(jù)本公開實施方式的機器人手爪包括:布置在兩個機器人手臂100,200的端部100’、200’的上接觸部300和下接觸部400 (參見圖1)。當抓握時，上接觸部和下接觸部300、400開始接觸物體10的頂部和底部。上接觸部和下接觸部300、400為具有預定半徑的大致半球形。傳感器單元500安裝在上接觸部300和下接觸部400上，并且在抓握物體10時，測量施加至上接觸部300或者下接觸部400的垂直力或者水平力?？刂茊卧?00被配置為在抓握物體10時，利用手臂端部100’和200’間的垂直和水平距離dx和dy以及由傳感器單元500所測量的垂直分力，確定物體10的重心C是否位于手臂端部100，和200，間的中心位置。
[0024]圖1示出根據(jù)本公開實施方式的機器人手爪1000。本公開的機器人手爪1000可用于使用兩手臂抓握和舉起重物。此外，機器人手爪1000可用于可穿戴式機器人。
[0025]在本公開的某些實施方式中，手爪安裝在機器人手臂100和200的端部100’和200’上(未示出)。手爪從上方和下方同時抓握和保持物體10的頂部和底部，并舉起物體
10。然而，如果物體10不在手臂100、200之間的中心位置或者在舉起過程中變斜，物體可能滑動和掉落或者其在被舉起后將會易被外力分開，這樣可能會導致事故。
[0026]根據(jù)本公開的實施方式，當通過在舉起物體之前確定物體穩(wěn)定性而確定物體未處于安全位置時，可引導手爪再次抓握物體。此外，還可以執(zhí)行能夠確定未知物體重量的邏輯。
[0027]為實現(xiàn)這些目的，根據(jù)本公開實施方式的機器人手爪包括分別安裝在機器人手臂(100,200)的端部(100’、200’)上的接觸部300和下接觸部400，其在抓握時與物體10的頂部和底部接觸，并且具有預定半徑的半球形狀。
[0028]根據(jù)某些實施方式，手爪的上接觸部300和下接觸部400分別與物體10的頂部和底部相接觸。此外，傳感器單元500安裝在上接觸部300和下接觸部400上，并且在抓握物體10時，測量施加至上接觸部300或下接觸部400的垂直力或水平力。傳感器單元500主要測量由物體10施加至上接觸部300或者下接觸部400的垂直力或水平力。在某些實施方式中，傳感器單元由水平傳感器520和垂直傳感器540組成。
[0029]在本公開的某些實施方式中，在抓握物體10時，控制單元700利用手臂端部100’與200’間的垂直和水平距離dx和dy以及由傳感器單元500測得的垂直分力，來確定物體10的重心C是否位于手臂端部100’和200’間的中心，從而確定穩(wěn)定性。
[0030]在某些實施方式中，當重心不在手臂端部100’和200’之間的中心時，控制單元700其次還通過確定物體10與上接觸部300或者與下接觸部400之間的摩擦力并比較摩擦力和水平分力,來確定穩(wěn)定性。
[0031]圖4是示出圖2和圖3所示的根據(jù)本公開實施方式的控制機器人手爪的方法的流程圖。
[0032]本公開的控制機器人手爪的方法包括:抓握物體SlOO ;根據(jù)手臂端部的垂直和水平距離，測量物體的傾斜角S200 ;利用物體傾斜角和由傳感器單元所測量的垂直分力，計算從物體重心到手臂端部的水平距離S300。如圖2所示，確定出物體的中心位置。根據(jù)本公開的實施方式，方法執(zhí)行物體抓握S100，然后根據(jù)手臂端部的垂直和水平距離，執(zhí)行物體的傾斜角測量S200。[0033]如果物體傾斜，機器人手臂的端部同樣傾斜與該傾斜角相同的角度，這是因為上接觸部300和下接觸部400具有半徑Rs的半球形表面，如上所述。
[0034]根據(jù)某些實施方式，可以通過手臂端部的垂直距離dy和水平距離dx的三角函數(shù)，來確定物體傾斜角，如以下等式:
[0035]【等式I】
[0036]Θ=tan_l(dy/dx)
[0037]此外，方法利用物體的傾斜角和由傳感器單元所測量的垂直分力，執(zhí)行物體重心與手臂端部的水平距離的計算S300。[0038]通過以下等式，可確定物體重心C到手臂端部的水平距離r1和r2。
[0039]【等式2】
[0040]SMg=Cr1-Rsin Θ ) F11- (r^Rsin Θ ) F12- (r2+Rsin Θ ) F21+Cr2-Rsin Θ ) F22=O
[0041]r1+r2=dx
[0042]從等式2可見，通過得到兩等式的兩變量，計算物體重心C到手臂端部的水平距離rjPr2。即，使用三角函數(shù)根據(jù)傳感器單元所測量的垂直分力(Fn、F12, F21和F22)、上接觸部300和下接觸部400的半徑Rs以及變量r1和r2提取顯示物體重心C處的力矩總和是O的等式，然后使用顯示水平距離dx在手臂端部相等的兩個等式計算ri+r2。傾斜角Θ預先確定。在確定A和r2后，執(zhí)行水平距離是否相等的確定步驟S400。當水平距離&與r2相等時，確定物體被穩(wěn)定地放置在中心處。
[0043]然而，當r1與r2不相等時，即，當水平距離不相等，物體重心并不位于手臂間的中心位置處時，計算物體與上接觸部或者下接觸部之間的摩擦力S500。
[0044]另外，計算步驟S500利用物體傾斜角和由傳感器單元所測量的垂直和水平分力，確定垂直和水平分力，并利用垂直分力提取摩擦力，然后執(zhí)行所提取摩擦力與水平分力的比較S600。
[0045]圖3示出第二確定過程，其參考以下等式描述。
[0046]【等式3】
[0047]Ft= (Fx-Fytan θ ) *cos θ
[0048]Fn= (Fy+Ftsin θ )/cosθ
[0049]Ft≤ μ *Fn
[0050]預先確定這些等式中的傾斜角θ。此外，通過傳感器單元500測量上接觸部與物體之間所產(chǎn)生的力Fx和Fy，并由這些力得到合力F.。利用傾斜角θ，再將合力分解成相對于物體的垂直分力Fn和水平分力Ft。此外，由垂直分力得到摩擦力μ *Fn，當水平分力Ft小于摩擦力時，認為物體不滑動，由此確定物體處于穩(wěn)定的抓握狀態(tài)。
[0051]因此，當在過程中的初次和二次測試中確定物體穩(wěn)定時，引導手爪在新位置抓握物體，以便可以穩(wěn)定地舉起物體。
[0052]根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的機器人手爪和控制機器人手爪的方法，可以計算未知物體的重量和計算接觸點與重心的距離。
[0053]因此，能夠反復放置物體直至物體重心位于手臂間的中心位置，以及通過計算接觸點處的垂直/水平反作用力來確定物體抓握穩(wěn)定性。
[0054]根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的機器人手爪和控制機器人手爪的方法，可以計算未知物體的重量和計算接觸點與重心的距離。
[0055]因此，能夠通過反復放置物體使得物體的重心位于手臂間的中心，從而安全地操作，并可以通過計算接觸點處的垂直/水平反作用力來確定物體抓握穩(wěn)定性。
[0056]已經(jīng)參考本發(fā)明的優(yōu)選實施方式詳細描述本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，可以在不偏離本發(fā)明的原理和精神的情況下對這些實施方式做出改變，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求及其等同方式限定。
【權(quán)利要求】
1.一種機器人手爪,包括: 兩個機器人手臂； 上接觸部和下接觸部，布置在所述兩個機器人手臂各自的端部，其中在抓握物體時，所述上接觸部和所述下接觸部與所述物體的頂部和底部接觸，且 所述上接觸部和所述下接觸部形成具有預定半徑的半球形； 傳感器單元，安裝在所述上接觸部和所述下接觸部上，其中在抓握所述物體時，所述傳感器單元測量施加至所述上接觸部或者所述下接觸部的垂直力或者水平力；以及 控制單元，被配置為在抓握所述物體時，利用所述手臂的端部之間的垂直距離和水平距離以及由所述傳感器單元測量的垂直分力，確定所述物體的重心是否位于所述手臂的端部之間的中心位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人手爪，其中在所述重心并不位于所述手臂的端部之間的中心位置時，所述控制單元確定所述物體與所述上接觸部或所述下接觸部之間的摩擦力，并將所述摩擦力與水平分力進行比較。
3.—種控制根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人手爪的方法，所述方法包括: 抓握物體； 根據(jù)所述手臂的 端部的垂直距離和水平距離，測量所述物體的傾斜角；和 利用所述物體的傾斜角和由所述傳感器單元測量的垂直分力，計算從所述物體的重心到所述手臂的端部的水平距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述計算處理還包括確定水平力是否相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述確定處理還包括當所述水平距離不相等時，計算所述物體與所述上接觸部或者所述下接觸部之間作用的摩擦力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述計算處理利用所述物體的傾斜角以及由所述傳感器單元測量的垂直分力和水平分力，確定垂直分力和水平分力，并利用所述垂直分力提取所述摩擦力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述計算處理還包括將所提取的摩擦力與所述水平分力進行比較。
【文檔編號】B25J9/18GK103895010SQ201310455926
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】李碩遠, 梁佑誠 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社