一种力/位混合柔顺控制的夹持装置、手操设备以及夹持装置和手操设备的控制方法

摘要

一种力/位混合柔顺控制的夹持装置、手操设备以及夹持装置和手操设备的控制方法，涉及具有遥控力反馈手操的力/位混合柔顺控制夹持技术。目的是为了适应工业机器人的发展需求。操作人员转动手操设备的手轮时，二号编码器记录手轮的转动位移，转动位移信号作为夹持位置指令通过现场总线传送到夹持装置的一号处理器中。一号处理器控制V型定位夹持臂移动到指令位置。同时，一号处理器还将压力信息通过现场总线传送到手动操作设备的二号处理器中。二号处理器根据压力信息调整磁粉制动器的驱动电流，进而调整操作手轮上的阻尼力矩。本发明具有远程操作功能，且遥控操作者能够感知夹持力的大小，适用于绝大多数需要远程控制的精确柔性夹持的应用场合。

说明书

技术领域

本发明涉及具有遥控力反馈手操的力/位混合柔顺控制夹持技术，属于智能机器人自 动化领域。

背景技术

夹持装置是工业机器人在抓取物体时的重要末端执行机构。许多工业现场需要夹持器 抓取物体时，涉及夹持器和被抓物体间的相互作用，夹持臂的位移以及夹持臂与被抓物质 间的接触力是夹持过程控制的重要指标，它决定了机器人是否能在不对被抓物破坏的前提 下有效抓取物体。由于特殊工况及操作安全的考虑，某些场合需要夹持装置具有远程操作 功能，同时需要遥控操作者能够感知夹持力的大小。

发明内容

本发明的目的是为了适应工业机器人的发展需求，提供一种力/位混合柔顺控制的夹 持装置、手操设备以及夹持装置和手操设备的控制方法。

本发明所述的一种力/位混合柔顺控制的夹持装置包括底板1、电机支架2、电机3、 一号编码器4、减速器5、滑台6、双向螺杆7、两个V型定位夹持臂8、螺杆支架10、 一号处理器、驱动电路12、一号差分/TTL电平转换电路和信号调理电路；

电机支架2用于将电机3固定在底板1上，螺杆支架10用于将双向螺杆7固定在底 板1上，且双向螺杆7能够绕其轴线转动，电机3用于通过减速器5带动双向螺杆7转动；

滑台6固定在底板1上，且滑台6的上表面设置有凹槽，该凹槽的长度方向与双向螺 杆7的轴线平行；两个V型定位夹持臂8相对设置，每个V型定位夹持臂8的夹持面均 设置有硅橡胶贴装层9，且其中一个硅橡胶贴装层9内埋有压力传感器；两个V型定位夹 持臂8分别与双向螺杆7的两端螺纹连接，两个V型定位夹持臂8的底部均位于滑台6 上的凹槽内，并能够沿该凹槽的长度方向移动；

一号处理器的控制信号输出端通过驱动电路12连接电机3的控制信号输入端，一号 编码器4用于检测电机3输出轴的角位移，一号编码器4的信号输出端通过一号差分/TTL 电平转换电路连接一号处理器的电机角位移信号输入端，一号处理器的CAN总线接口用 于接收位置指令以及发送力反馈信号，压力传感器的检测信号输出端通过信号调理电路连 接一号处理器的夹持力反馈信号输入端。

与上述夹持装置相配合的手操设备包括手轮15、二号编码器16、磁粉制动器19、齿 形带20、三号齿轮21、四号齿轮22、二号处理器、二号差分/TTL电平转换电路、H桥 驱动器25和霍尔电流传感器；

三号齿轮21套固在手轮15的转轴上，四号齿轮22套固在磁粉制动器19上，四号齿 轮22用于通过齿形带20带动三号齿轮21转动；

二号处理器的二号编码器16用于检测手轮15转轴的角位移，二号编码器16的信号 输出端通过二号差分/TTL电平转换电路连接二号处理器的手轮角位移信号输入端，二号 处理器的控制信号输出端通过H桥驱动器25连接磁粉制动器19的控制信号输入端，霍 尔电流传感器用于检测磁粉制动器19的驱动电流，霍尔电流传感器的电流检测信号输出 端连接二号处理器的电流反馈信号输入端，二号处理器的CAN总线接口用于发送位置指 令以及接收力反馈信号。

上述夹持装置的控制方法由嵌入在一号处理器内的软件实现，所述方法包括以下步 骤：

位置指令接收步骤：接收位置指令；

压力采集步骤：采集压力传感器发来的压力信号；

压力信号发送步骤：将压力传感器发来的压力信号发送给手操设备；

力反馈等效位移获得步骤：利用力/位移转换函数将采集到的压力信号转换为力反馈 等效位移；

夹持臂当前位置获得步骤：将一号编码器4发来的信号转换为夹持臂当前位置信息；

位移偏差计算步骤：计算位移偏差，所述位移偏差＝位置指令－力反馈等效位移－夹 持臂当前位置；

电机控制信号发送步骤：利用闭环控制算法(如PID控制算法)将所述位移偏差转 换为电机控制信号，并将该电机控制信号发送给驱动电路12。

上述手操设备的控制方法由嵌入在二号处理器内的软件实现，所述方法包括以下步 骤：

位置指令发送步骤：将二号编码器16发来的信号转换为两个V型定位夹持臂8的位 置指令，并向夹持装置发送该位置指令；

压力信号接收步骤：接收夹持装置发来的压力信号，所述压力信号即为阻尼力矩指令；

等效阻尼力矩获得步骤：采集霍尔电流传感器发来的电流信号，并根据磁粉制动器 19的电流-阻尼力矩关系曲线将所述电流信号转换为等效阻尼力矩；

力矩偏差计算步骤：计算力矩偏差计，所述力矩偏差计＝阻尼力矩指令－等效阻尼力 矩；

磁粉制动器控制信号发送步骤：利用闭环控制算法(如PID控制算法)将所述力矩 偏差转换为磁粉制动器控制信号，并将该磁粉制动器控制信号发送给H桥驱动器25。

本发明所述的夹持装置与手动操作设备所构成的系统，能够在远程夹持物体过程中模 仿人手的功能，实现夹持过程的柔顺控制。

上述夹持装置具有简单紧凑的机械结构，V型定位柔性夹持臂从结构角度完成柔性夹 持和无预应力的压力反馈；双向螺杆驱动使驱动具有自锁功能；压力传感器信号除了给夹 持控制端提供力反馈信号外，还通过现场总线传输到远程操作端，作为操控装置阻尼控制 指令。夹持装置的控制方法利用闭环控制算法实现V型定位柔性夹持臂精确柔顺控制。

上述手操设备采用磁粉制动器作为产生可变阻尼的执行机构，为防止阻尼力过大以及 滑差速率过低对造成的力矩不连续，本发明在手轮与磁粉制动器输入轴之间采用齿轮皮带 传动结构，通过调整传动比改善磁粉制动器的输出阻尼力矩的平滑性。与电机类力反馈执 行装置相比，磁粉制动器是阻尼器件，不会产生反向力矩，通过调节激磁电流可实现阻尼 力矩的连续可调；手操设备的控制方法根据现场压力信号，闭环调节磁粉制动器的输出电 流，进而控制阻尼力矩，使操作者能在远程控制端感知现场的夹持压力状态。

本发明具有操作、控制简单方便，无需提供丝筒、钢丝、转盘、弹簧等辅助机构等优 点，具有远程操作功能，且遥控操作者能够感知夹持力的大小，适用于绝大多数需要远程 控制的精确柔性夹持的应用场合。

附图说明

图1为实施方式一中的夹持装置与手动操作设备构成的系统的总体结构示意图，其中 夹持控制电路为夹持装置中的电气部分，手操控制电路为手操设备中的电气部分；

图2为实施方式一所述的夹持装置的机械结构示意图；

图3为实施方式一中的两个V型定位夹持臂的结构示意图，图中黑色填充部分为压 力传感器；

图4为实施方式一中所述的夹持装置的电气结构示意图；

图5为实施方式二中的控制模块的工作原理示意图；

图6为实施方式二中的力/位混合柔顺控制原理框图；

图7为实施方式三中的力/位移转换函数关系；

图8为实施方式八所述的手操设备的机械结构示意图，该图为侧视图；

图9为实施方式八所述的手操设备的电气结构示意图；

图10为实施方式九中的控制模块的工作原理示意图；

图11为实施方式九中的控制模块的工作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种力/位混 合柔顺控制的夹持装置包括底板1、电机支架2、电机3、一号编码器4、减速器5、滑台 6、双向螺杆7、两个V型定位夹持臂8、螺杆支架10、一号处理器、驱动电路12、一号 差分/TTL电平转换电路和信号调理电路；

电机支架2用于将电机3固定在底板1上，螺杆支架10用于将双向螺杆7固定在底 板1上，且双向螺杆7能够绕其轴线转动，电机3用于通过减速器5带动双向螺杆7转动；

滑台6固定在底板1上，且滑台6的上表面设置有凹槽，该凹槽的长度方向与双向螺 杆7的轴线平行；两个V型定位夹持臂8相对设置，每个V型定位夹持臂8的夹持面均 设置有硅橡胶贴装层9，且其中一个硅橡胶贴装层9内埋有压力传感器；两个V型定位夹 持臂8分别与双向螺杆7的两端螺纹连接，两个V型定位夹持臂8的底部均位于滑台6 上的凹槽内，并能够沿该凹槽的长度方向移动；

一号处理器的控制信号输出端通过驱动电路12连接电机3的控制信号输入端，一号 编码器4用于检测电机3输出轴的角位移，一号编码器4的信号输出端通过一号差分/TTL 电平转换电路连接一号处理器的电机角位移信号输入端，一号处理器的CAN总线接口用 于接收位置指令以及发送力反馈信号，压力传感器的检测信号输出端通过信号调理电路连 接一号处理器的夹持力反馈信号输入端。

本实施方式所述的夹持装置需要配合手动操作设备(简称手操设备)来完成夹持动作， 如图1所示，夹持装置安装在工作现场区，手动操作设备安装在远程操作区，夹持装置和 手动操作设备通过现场总线连接。手动操作设备包括手轮15、二号编码器16、磁粉制动 器19和齿形带20等。操作者转动手轮15，二号编码器16记录了手轮15的转动位移， 转动位移信号作为夹持位置指令通过现场总线传送到夹持装置的一号处理器中。一号处理 器的功能是控制V型定位夹持臂8移动到指令位置，在此过程中须考虑夹持力反馈信息， 实现柔顺夹持。同时，一号处理器还要将压力传感器检测到的压力信息通过现场总线传送 到手动操作设备中。手轮15转轴、整磁粉制动器19以及齿形带20构成传动机构，手动 操作设备根据压力信息调整磁粉制动器19的驱动电流，进而调整操作手轮15上的阻尼力 矩，操作者通过手轮上的阻尼力矩就能感知夹持装置的受力情况。

夹持装置中的双向螺杆是在一根有两段旋向不同的螺纹的螺杆，一段右旋螺纹，一段 左旋螺纹。在本实施方式中，左右螺母分别连接左右两个夹持臂。当螺杆旋转时，两个夹 持臂随螺母快速趋近或分离，从而完成需要的夹持动作。与滚珠丝杠传动方式相比，螺杆 传动的最大优点是能自锁。这样可以一方面可以防止在夹持时突然断电造成被夹持物的脱 落，另一方面在夹持装置姿态发生变化时，无需考虑夹持臂重力对夹持的影响。

V型定位夹持臂的结构如图3所示。V型定位夹持臂由刚体和硅橡胶贴装层两部分构 成。在硅橡胶贴装层中埋置压力传感器。V型定位夹持具有夹持牢靠、定位准确的优点。 硅橡胶贴装层保证了V型定位夹持臂与工件的柔性接触，并且可以消除压力传感器安装 过程中的预应力。

夹持装置的电机可以选择直流有刷电机、直流无刷电机或交流伺服电机等。电气部分 以一号处理器为核心，如图4所示，一号处理器可采用单片机、DSP、ARM、FPGA等实 现，一号处理器的内置PWM单元通过驱动电路12连接电机3的控制信号输入端，一号 编码器4的信号输出端通过一号差分/TTL电平转换电路连接一号处理器的内置计数器， 各部分功能如下：

定时器：定时器在系统复位后启动，定时器工作周期设定为1ms。在定时中断服务程 序中，完成闭环控制算法；

PWM单元：主要完成脉宽调制信号的发生，PWM信号用以驱动电机主回路的功率 器件，进而改变加在电机电枢的平均电压，从而驱动电机运行；

计数器：用于读取编码器发来的信号，一号处理器根据该信号和系统机械传动比例关 系，即可获得两个夹持臂之间的距离；

CAN总线接口：通过CAN总线接口，可实现夹持装置的参数设置、外部操作指令下 达、以及现场力反馈的回传等；设置的参数包括力/位移转换参数、夹持力极限参数、夹 持臂位置极限参数、期望夹持力参数设定等，外部下达的操作指令是夹持位置指令；

A/D转换接口：通过A/D转换接口，夹持臂上的压力传感器信号经过信号调理单元 将夹持力信息传入处理器；

GPIO单元(通用输入输出单元)：该单元主要完成夹持臂左右限位和系统机械零位 的读取。

具体实施方式二：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述 的一种力/位混合柔顺控制的夹持装置的进一步限定，本实施方式中，一号处理器内嵌入 夹持控制模块，所述夹持控制模块包括以下单元：

位置指令接收单元：接收位置指令；

压力采集单元：采集压力传感器发来的压力信号；

压力信号发送单元：将压力传感器发来的压力信号发送给手操设备；

力反馈等效位移获得单元：利用力/位移转换函数将采集到的压力信号转换为力反馈 等效位移；

夹持臂当前位置获得单元：将一号编码器4发来的信号转换为夹持臂当前位置信息；

位移偏差计算单元：计算位移偏差，所述位移偏差＝位置指令－力反馈等效位移－夹 持臂当前位置；

电机控制信号发送单元：利用闭环控制算法(如PID控制算法)将所述位移偏差转 换为电机控制信号，并将该电机控制信号发送给驱动电路12。

夹持装置的工作流程和原理如图5和图6所示。压力传感器的信号经过力/位置转换 函数变为力反馈等效位移后，对位置设定进行修正，修正后的位置设定再对夹持臂进行位 置调整，最终达到新的平衡状态。当压力信号较大时，相应的力反馈等效位移也较大，夹 持臂之间的宽度会增加，从而实现了柔顺控制。其中，力/位移转换函数可根据经验设定。

具体实施方式三：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的一种 力/位混合柔顺控制的夹持装置的进一步限定，本实施方式中，力反馈等效位移获得单元 中的力/位移转换函数为：

$\left(\begin{array}{c}d=k_{1}f,0\le f<f_0\\ d=k_1{f}_0+k_2(f-f_0),f_0\le f<f_1\\ d=k_1{f}_0+k_2(f_1-f_0)+k_3(f-f_1),f\ge f_1\end{array}\right)$

其中，d为力反馈等效位移，f为V型定位夹持臂8所承受的压力，k₁、k₂和k₃分别 为欠压力夹持区、压力夹持区和过压力夹持区的增益系数，f₀为欠压力夹持区的压力上 限，f₁为过压力夹持区的压力下限。柔顺控制过程中最重要的是基于压力分区处理的增益 分段式力反馈等效位移法，原理如图7所示。力/位移转换函数通常与被夹持物的性状有 关。为简单起见，我们将力/位移转换函数设置为如图7所示的分段线性的形式。其中，f 由处理器通过压力传感器获得。如图7可知力/位移转换函数关系分为3段：

1、0≤f≤f₀属于欠压力夹持区，这一范围的增益为k₁，增益较低，在此区域内的压 力反馈等效位移是：

d＝k₁f,0≤f≤f₀

在此区域，由于夹持压力较小，相应的力反馈等效位移也较小，此时反馈主要由编码 器位移决定。

2、f₀≤f≤f₁属于压力夹持区，这个范围的增益为k₂，属于中等增益，夹持装置能 够正常夹持物体的工作夹持力(即标称夹持力)即分布在这一区域：

d＝k₁f₀+k₂(f-f₀),f₀≤f≤f1

此时系统的编码器位移与力反馈等效位移在反馈中所占的权重相当，反馈由这两个因 素共同决定。

3、f≥f₁属于过压力夹持区(或称为破坏性夹持区)，这个范围的增益为k₃，为高增 益。若夹持装置以这个范围的力进行夹持操作，被夹工件会因夹持力过大而受到破坏。为 此，我们将该增益设置为最高：

d＝k₁f₀+k₂(f₁-f₀)+k₃(f-f₁),f≥f₂

此时系统反馈主要由力反馈等效位移决定。

为使夹持装置具有更好的适应性，力/位移转换函数的关键参数即增益切换点f₀、f₁， 以及增益系数k₁、k₂、k₃可通过串口输入到一号处理器中。

本实施方式采用基于压力分区处理的增益分段式力反馈等效位移法，对力反馈进行处 理，使力/位混合反馈型柔顺控制得以实现，从自动控制角度保证了柔性夹持，并具有较 好的可操作性。

具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的一种 力/位混合柔顺控制的夹持装置的进一步限定，本实施方式中，所述夹持控制模块还包括：

压力阈值比较单元：判断采集到的压力信号是否超出阈值，并在判断结果为是时结束 所述夹持控制模块的运行，在判断结果为否时重新启动压力阈值比较单元。

压力阈值可通过串口输入到一号处理器中。压力阈值比较单元能够避免夹持装置因夹 持力过大而损坏。

具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的一种 力/位混合柔顺控制的夹持装置的进一步限定，本实施方式中，所述夹持控制模块还包括：

位置阈值比较单元：根据夹持臂当前位置信息判断夹持臂当前位置是否超出夹持臂的 位置限制，并在判断结果为是时结束所述夹持控制模块的运行，在判断结果为否时重新启 动位置阈值比较单元。

位置阈值可通过串口输入到一号处理器中。位置阈值比较单元能够避免夹持装置因位 移过大而损坏。

具体实施方式六：本实施方式是对实施方式一所述的一种力/位混合柔顺控制的夹持 装置的进一步限定，本实施方式中，滑台6上表面设置的凹槽为燕尾槽。

燕尾槽导轨对夹持臂具有导向和支撑作用，与直线导轨相比，燕尾槽导轨具有更大的 承重力，可以保证夹持机构能承受较大的载荷；

具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种 力/位混合柔顺控制的夹持装置的进一步限定，本实施方式中，双向螺杆7的一端和减速 器5的输出轴上分别设置有一号齿轮17和二号齿轮18，一号齿轮17和二号齿轮18啮合， 且传动比为1。

本实施方式中，减速器5通过两个齿轮带动双向螺杆7转动。齿轮传动机构能够保证 夹持装置的位置控制精度。

具体实施方式八：结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式是与实施方式一所述 的一种力/位混合柔顺控制的夹持装置相配合的手操设备，该手操设备包括手轮15、二号 编码器16、磁粉制动器19、齿形带20、三号齿轮21、四号齿轮22、二号处理器、二号 差分/TTL电平转换电路、H桥驱动器25和霍尔电流传感器；

三号齿轮21套固在手轮15的转轴上，四号齿轮22套固在磁粉制动器19上，四号齿 轮22用于通过齿形带20带动三号齿轮21转动；

二号处理器的二号编码器16用于检测手轮15转轴的角位移，二号编码器16的信号 输出端通过二号差分/TTL电平转换电路连接二号处理器的手轮角位移信号输入端，二号 处理器的控制信号输出端通过H桥驱动器25连接磁粉制动器19的控制信号输入端，霍 尔电流传感器用于检测磁粉制动器19的驱动电流，霍尔电流传感器的电流检测信号输出 端连接二号处理器的电流反馈信号输入端，二号处理器的CAN总线接口用于发送位置指 令以及接收力反馈信号。

本实施方式所述手操设备在使用时，操作者转动手轮15，二号编码器16(二号编码 器采用光电编码器实现)记录了手轮15的转动位移，该信号作为夹持位置指令通过CAN 总线传送到夹持装置中；另一方面，二号处理器通过CAN总线接收夹持臂上的压力信息， 并将它转化成磁粉制动器19的控制量，夹持臂上压力越大，相应的磁粉制动器19的阻尼 力矩也越大。操作者在旋动手轮15时，通过感受阻尼力矩的变化，就会了解到夹持臂上 的压力情况。

该手操设备的最大特点是采用磁粉制动器作为阻尼力矩控制的执行器件。上述手动操 作设备中的磁粉制动器19是力反馈手动操作设备的核心器件，其主要功能是根据夹持装 置力反馈的情况，在手轮15的转轴上产生相应的阻尼力矩。一些被动控制型手操力反馈 机构采用弹簧作为执行器件，弹簧的缺点是不灵活，弹力范围很难改变，并且需要额外的 锁定装置；有些主动控制型手操采用电机进行力反馈控制，电机需要工作在力矩控制状态， 因此也需要额外的锁定装置提供平衡力矩使手轮处于力平衡状态。因此，磁粉制动器更加 适合于这种工况，因为磁粉制动器始终提供阻尼力矩。

磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递阻尼扭矩的，在同滑差无关的情况下能够 传递一定的转矩，具有响应速度快，结构简单，无污染，无噪音，无冲击振动等优点。其 最大的特点是其激磁电流和阻尼转矩成基本的线性关系，本实施方式利用此特点，通过调 节磁粉制动器的激磁电流，进而调整磁粉制动器的阻尼转矩。

磁粉制动器的特性曲线显示，驱动电流与输出阻尼力矩成近似的比例关系。即精确控 制磁粉制动器回路的电流可以使手轮轴上的阻尼力矩连续可调。为了使磁粉制动器上的电 流精确可调，在手动操作设备中设计了闭环力反馈控制环节。

手操设备以二号处理器为核心，二号处理器可采用单片机、DSP、ARM、FPGA等实 现，各单元具功能如下：

定时器：定时器在系统复位后启动，定时器工作周期设定为1ms，在定时中断服务程 序中，完成磁粉制动器驱动的电流闭环控制；

PWM单元：主要完成脉宽调制信号的发生，PWM信号用于驱动主回路(H桥电路) 的功率器件，进而调节加在磁粉制动器上的平均电流，从而使磁粉制动器产生需要的阻尼 力矩；

计数器：通过对手轮上的编码器信号的读取，即可获得夹持位置操作信息，即获得夹 持位置控制指令信息；

CAN总线接口：通过CAN总线接口，可实现对现场夹持装置进行参数设置、给现场 的夹持装置输入夹持位置控制指令、以及接收现场力反馈的回传等，设置的参数包括：力 /位移转换参数，夹持力极限参数，夹持臂位置极限参数等；

A/D转换接口：通过A/D转换接口，可以获得霍尔电流传感器信号，此信号用于磁 粉制动器的电流控制的反馈；

GPIO单元(通用输入输出单元)：该单元与拨码开关连接，主要完成远程夹持操作 的粗精调控制，具体过程如下，当拨码开关调到粗调档位时，将二号编码器的计数乘以 10，再输出给夹持装置；当拨码开关调到精调档位时，直接将二号编码器的计数值输出给 夹持装置，最大限度地方便远程操作。

具体实施方式九：结合图10和图11说明本实施方式，本实施方式是对实施方式八 所述的手操设备的进一步限定，本实施方式中，所述的二号处理器内嵌入手操控制模块， 所述手操控制模块包括以下单元：

位置指令发送单元：将二号编码器16发来的信号转换为两个V型定位夹持臂8的位 置指令，并向夹持装置发送该位置指令；

压力信号接收单元：接收夹持装置发来的压力信号，所述压力信号即为阻尼力矩指令；

等效阻尼力矩获得单元：采集霍尔电流传感器发来的电流信号，并根据磁粉制动器 19的电流-阻尼力矩关系曲线将所述电流信号转换为等效阻尼力矩；

力矩偏差计算单元：计算力矩偏差计，所述力矩偏差计＝阻尼力矩指令－等效阻尼力 矩；

磁粉制动器控制信号发送单元：利用闭环控制算法(如PID控制算法)将所述力矩 偏差转换为磁粉制动器控制信号，并将该磁粉制动器控制信号发送给H桥驱动器25。

手操设备的工作流程和原理如图10和图11所示。手操设备的力反馈是通过调整磁粉 制动器上的阻尼力矩控制实现的。阻尼力矩的调节过程如下：将现场夹持装置发来的夹持 压力信号进行比例处理，此数据与反馈回来的等效阻尼力矩(即与霍尔电流传感器检测信 号相对应阻尼力矩)作比较，偏差信号发送给PWM单元，PWM单元再向H桥驱动器发 送信号，H桥驱动器调节磁粉制动器的激磁电压，进而控制磁粉制动器的阻尼力矩。霍尔 电流传感器的值可近似等效为磁粉制动器的阻尼力矩信号，反馈给二号控制器。此处利用 了磁粉制动器激磁电流和阻尼转矩成基本的线性关系的特点。图11中，I表示激磁回路 电流，T表示磁粉制动器输出阻尼转矩，Te表示由激磁电流等效的阻尼转矩，I与Te的关 系由磁粉制动器特性曲线决定，近似为线性关系。

具体实施方式十：本实施方式是实施方式一所述的夹持装置的控制方法，所述方法由 嵌入在一号处理器内的软件实现，所述方法包括以下步骤：

位置指令接收步骤：接收位置指令；

压力采集步骤：采集压力传感器发来的压力信号；

压力信号发送步骤：将压力传感器发来的压力信号发送给手操设备；

力反馈等效位移获得步骤：利用力/位移转换函数将采集到的压力信号转换为力反馈 等效位移；

夹持臂当前位置获得步骤：将一号编码器4发来的信号转换为夹持臂当前位置信息；

位移偏差计算步骤：计算位移偏差，所述位移偏差＝位置指令－力反馈等效位移－夹 持臂当前位置；

电机控制信号发送步骤：利用闭环控制算法(如PID控制算法)将所述位移偏差转 换为电机控制信号，并将该电机控制信号发送给驱动电路12。

具体实施方式十一：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式十所述的控 制方法的进一步限定，本实施方式中，力反馈等效位移获得步骤中的力/位移转换函数为：

$\left(\begin{array}{c}d=k_{1}f,0\le f<f_0\\ d=k_1{f}_0+k_2(f-f_0),f_0\le f<f_1\\ d=k_1{f}_0+k_2(f_1-f_0)+k_3(f-f_1),f\ge f_1\end{array}\right)$

其中，d为力反馈等效位移，f为V型定位夹持臂8所承受的压力，k₁、k₂和k₃分别 为欠压力夹持区、压力夹持区和过压力夹持区的增益系数，f₀为欠压力夹持区的压力上 限，f₁为过压力夹持区的压力下限。柔顺控制过程中最重要的是基于压力分区处理的增益 分段式力反馈等效位移法，原理如图7所示。力/位移转换函数通常与被夹持物的性状有 关。为简单起见，我们将力/位移转换函数设置为如图7所示的分段线性的形式。其中，f 由处理器通过压力传感器获得。如图7可知力/位移转换函数关系分为3段：

1、0≤f≤f₀属于欠压力夹持区，这一范围的增益为k₁，增益较低，在此区域内的压 力反馈等效位移是：

d＝k₁f,0≤f≤f₀

在此区域，由于夹持压力较小，相应的力反馈等效位移也较小，此时反馈主要由编码 器位移决定。

2、f₀≤f≤f₁属于压力夹持区，这个范围的增益为k₂，属于中等增益，夹持装置能 够正常夹持物体的工作夹持力(即标称夹持力)即分布在这一区域：

d＝k₁f₀+k₂(f-f₀),f₀≤f≤f₁

此时系统的编码器位移与力反馈等效位移在反馈中所占的权重相当，反馈由这两个因 素共同决定。

3、f≥f₁属于过压力夹持区(或称为破坏性夹持区)，这个范围的增益为k₃，为高增 益。若夹持装置以这个范围的力进行夹持操作，被夹工件会因夹持力过大而受到破坏。为 此，我们将该增益设置为最高：

d＝k₁f₀+k₂(f₁-f₀)+k₃(f-f₁),f≥f₂

此时系统反馈主要由力反馈等效位移决定。

为使夹持装置具有更好的适应性，力/位移转换函数的关键参数即增益切换点f₀、f₁， 以及增益系数k₁、k₂、k₃可通过串口输入到一号处理器中。

具体实施方式十二：本实施方式是对实施方式十所述的控制方法的进一步限定，本实 施方式中，所述控制方法还包括：

压力阈值比较步骤：判断采集到的压力信号是否超出阈值，并在判断结果为是时结束 所述方法，在判断结果为否时重新执行压力阈值比较步骤。

压力阈值可通过串口输入到一号处理器中。压力阈值比较步骤能够避免夹持装置因夹 持力过大而损坏。

具体实施方式十三：本实施方式是对实施方式十所述的控制方法的进一步限定，本实 施方式中，所述控制方法还包括：

位置阈值比较步骤：根据夹持臂当前位置信息判断夹持臂当前位置是否超出夹持臂的 位置限制，并在判断结果为是时结束所述方法，在判断结果为否时重新执行位置阈值比较 步骤。

位置阈值可通过串口输入到一号处理器中。位置阈值比较单元能够避免夹持装置因位 移过大而损坏。

具体实施方式十四：本实施方式是实施方式八所述的手操设备的控制方法，所述方法 由嵌入在二号处理器内的软件实现，所述方法包括以下步骤：

位置指令发送步骤：将二号编码器16发来的信号转换为两个V型定位夹持臂8的位 置指令，并向夹持装置发送该位置指令；

压力信号接收步骤：接收夹持装置发来的压力信号，所述压力信号即为阻尼力矩指令；

等效阻尼力矩获得步骤：采集霍尔电流传感器发来的电流信号，并根据磁粉制动器 19的电流-阻尼力矩关系曲线将所述电流信号转换为等效阻尼力矩；

力矩偏差计算步骤：计算力矩偏差计，所述力矩偏差计＝阻尼力矩指令－等效阻尼力 矩；

磁粉制动器控制信号发送步骤：利用闭环控制算法(如PID控制算法)将所述力矩 偏差转换为磁粉制动器控制信号，并将该磁粉制动器控制信号发送给H桥驱动器25。