一種腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手腱張力約束阻抗控制方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其指代一種腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手腫張力約束笛卡爾空間 阻抗控制方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械手為模仿手、臂的特定功能的一種自動(dòng)機(jī)械，因此泛指機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、 靈巧手指等多關(guān)節(jié)多連桿操作機(jī)構(gòu)。腫驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手是利用腫繩進(jìn)行傳動(dòng)的機(jī)械手，允許 驅(qū)動(dòng)器放置于機(jī)械手結(jié)構(gòu)體的外部，可W減小機(jī)械手體積和重量，從而提高了機(jī)械手的靈 巧性，同時(shí)也在驅(qū)動(dòng)器選型方面給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者提供了更多靈活性。
[0003] 由于腫只可W傳遞張力，因此為了獲得完全獨(dú)立的自由度控制，必須要保證驅(qū)動(dòng) 器的數(shù)量多于自由度的個(gè)數(shù)。有多種腫配置方式，在配置合理的情況下，N+1型腫能夠獨(dú)立 控制N個(gè)自由度，同時(shí)保證腫具有正張力。該腫配置方式簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)，但由于運(yùn)種方式在減 少腫繩數(shù)量的同時(shí)引入了關(guān)節(jié)位置和腫繩的禪合問(wèn)題，因此控制器的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。在裝 配應(yīng)用中機(jī)械手需要與非結(jié)構(gòu)環(huán)境物理接觸，因此機(jī)械手的力矩控制能力非常重要。研究 者們提出多種控制策略來(lái)解決禪合腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的力矩控制問(wèn)題。運(yùn)些控制策略由張力分 配算法和控制律兩部分組成。張力分配算法是確定一組腫張力的過(guò)程，目的是產(chǎn)生期望的 一組關(guān)節(jié)力矩，同時(shí)解決驅(qū)動(dòng)的冗余問(wèn)題。該冗余可W生成張力的零空間，用來(lái)保證所有腫 具有正張力。
[0004] 目前已有的控制律根據(jù)是否使用腫張力反饋進(jìn)行分類。無(wú)腫張力反饋的控制方法 包括計(jì)算力矩法、其它能夠預(yù)測(cè)或估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的智能方法，運(yùn)些方法對(duì)于能夠精確建模 運(yùn)動(dòng)和力矩關(guān)系的系統(tǒng)是可行的，但機(jī)械手需要抓握或操作的是各種可能的物體，其接觸 表面特性差別很大，因此運(yùn)些方法只能獲得粗略的腫張力控制，經(jīng)常產(chǎn)生更高的內(nèi)張力，導(dǎo) 致腫的磨損，增加摩擦力降低性能，因此運(yùn)些方法難W實(shí)現(xiàn)精確的操作。采用張力反饋的腫 空間控制器忽略腫的動(dòng)力學(xué)，利用張力分配算法將期望的關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換為期望的腫張力， 然后為每根腫使用獨(dú)立的張力調(diào)節(jié)器。例如Sal isbuiT和化aig在Stanford/肝L手上實(shí)現(xiàn)了 腫空間控制律，Starr在Stanford/肝L手通過(guò)采用腫-導(dǎo)管間歇模型實(shí)現(xiàn)了類似算法，2N型 P0STECH手和化ah/MIT手等靈巧手也采用了該算法。然而采用該種方式的控制器在手指動(dòng) 力學(xué)中引入了瞬態(tài)禪合，即某個(gè)關(guān)節(jié)的控制或擾動(dòng)可能導(dǎo)致另一個(gè)關(guān)節(jié)的不期望的響應(yīng)。
[0005] 為了穩(wěn)定可靠地抓握物體，腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的控制應(yīng)能合理的調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的柔順性和 力矩。相對(duì)于傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)，腫驅(qū)動(dòng)的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)一個(gè)控制器使其能夠按照期望的位 置運(yùn)動(dòng)同時(shí)保證腫的張力保持在期望的范圍之內(nèi)。腫只能傳遞張力，而且有一定的延遲，W 及機(jī)構(gòu)對(duì)腫的摩擦W及腫的其它未建模動(dòng)力學(xué)等因素也都影響著腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手操作控制 算法的設(shè)計(jì)?？偟膩?lái)說(shuō)，現(xiàn)有的控制算法，仍不能完全滿足機(jī)械手靈巧操作和強(qiáng)力抓持操作 的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手腫張力約 束阻抗控制方法及裝置，W解決現(xiàn)有技術(shù)中只能獲得粗略的腫張力控制，難W實(shí)現(xiàn)精確的 操作，不能完全滿足機(jī)械手靈巧操作和強(qiáng)力抓持操作的要求的問(wèn)題。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手腫張力約束阻抗控制方法，包括步 驟如下：
[0008] 步驟1:由路徑規(guī)劃模塊進(jìn)行機(jī)械手單指自由空間中的關(guān)節(jié)角位置路徑規(guī)劃;輸入 由操作對(duì)象特性規(guī)劃得到的靈巧手單指運(yùn)動(dòng)的期望接觸力;經(jīng)正運(yùn)動(dòng)解算模塊轉(zhuǎn)化為期望 的指尖笛卡爾位置;并且設(shè)定腫張力約束范圍和接觸力闊值；
[0009] 步驟2:根據(jù)接觸力傳感器測(cè)量得到的接觸力值與接觸力闊值比較確定靈巧手和 物體之間的接觸狀態(tài)，若接觸力值小于接觸力闊值則表示機(jī)械手位于自由空間，設(shè)置輸出 接觸力誤差Fe為0;否則由腫張力比較器比較期望指尖接觸力和實(shí)際指尖接觸力傳感器所 測(cè)接觸力之間的差別得到約束空間接觸力誤差Fe;阻抗控制模塊將接觸力誤差Fe修正為笛 卡爾位置Xf，對(duì)期望的位置Xd進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫狡谕牡芽栁恢肵r = Xd巧f;期望笛卡爾位置經(jīng) 過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算模塊轉(zhuǎn)換為期望關(guān)節(jié)角位置θτ，與手指的實(shí)際關(guān)節(jié)角位置03進(jìn)行比較得到 關(guān)節(jié)角位置偏差θβ=θτ-θ3;然后通過(guò)關(guān)節(jié)剛度比例模塊將關(guān)節(jié)角位置偏差轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)力 矩，該關(guān)節(jié)力矩由張力分配模塊轉(zhuǎn)換為期望腫張力;然后由腫張力比較器比較期望腫張力 和實(shí)際由腫張力傳感器輸出的腫張力的偏差，根據(jù)該腫張力的偏差由張力控制模炔基于合 適的控制律把張力的偏差轉(zhuǎn)化為位置偏差，把該位置偏差輸送給腫驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。
[0010] 優(yōu)選地，上述步驟1中的機(jī)械手單指自由空間中的關(guān)節(jié)角位置路徑規(guī)劃采用一般 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角位置路徑規(guī)劃方法進(jìn)行，得到期望的關(guān)節(jié)角軌跡，由路徑規(guī)劃模塊 實(shí)現(xiàn);關(guān)節(jié)角位置到操作空間指尖的位置由常規(guī)的機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方法計(jì)算即可，具體由 正運(yùn)動(dòng)解算模塊實(shí)現(xiàn)。
[0011] 優(yōu)選地，上述步驟1中的接觸力闊值由接觸力傳感器的噪聲特性確定，高于該接觸 力闊值則表示接觸物體。
[0012] 優(yōu)選地，上述步驟2中的指尖接觸力通過(guò)根據(jù)外界阻抗特性選定合適參數(shù)的阻抗 控制方法將其轉(zhuǎn)化為位置的修正值來(lái)保證，具體由阻抗控制模塊實(shí)現(xiàn)。
[0013] 優(yōu)選地，上述步驟2中的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算模塊將補(bǔ)償后的期望笛卡爾位置轉(zhuǎn)換為期 望的關(guān)節(jié)角位置。
[0014] 優(yōu)選地，上述步驟2中的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算模塊通過(guò)非線性函數(shù)數(shù)值解法將補(bǔ)償后的 期望笛卡爾位置轉(zhuǎn)換為期望的關(guān)節(jié)角位置。
[0015] 優(yōu)選地，上述步驟2中的關(guān)節(jié)角位置偏差通過(guò)關(guān)節(jié)剛度比例模塊和考慮張力約束 的張力分配轉(zhuǎn)化了腫張力期望值。
[0016] 優(yōu)選地，上述步驟2中的張力分配模塊將關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換為腫空間的力，具體考慮了 腫張力約束范圍，保證腫張力處于一個(gè)根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定的最小和最大正值之間；最小值 保證腫繩處于張緊狀態(tài)，最大值由具體采用腫繩的材質(zhì)的張力限制決定，保護(hù)腫繩不被拉 斷和減小磨損。
[0017] 本發(fā)明還提供一種腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手腫張力約束阻抗控制裝置，包括:控制器、腫驅(qū)動(dòng) 器、腫張力傳感器、腫繩、腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手單指機(jī)構(gòu)、指尖接觸力傳感器、對(duì)應(yīng)各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角 位置傳感器;關(guān)節(jié)角位置傳感器固定在腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)上，指尖接觸力傳感 器位于指尖;其中，
[0018] 控制器接收來(lái)自關(guān)節(jié)角位置傳感器、腫張力傳感器、指尖接觸力傳感器的信息;然 后進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行，通過(guò)操作處理把張力控制器的輸出作為腫位置偏差輸入到腫驅(qū)動(dòng)器;腫 驅(qū)動(dòng)器包括無(wú)刷直流電機(jī)和把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠、螺母，根據(jù)控制器輸 入的位置偏差驅(qū)動(dòng)腫繩拉伸，導(dǎo)致腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手單指機(jī)構(gòu)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所需的位置和力 的調(diào)整。
[0019] 本發(fā)明的有益效果：
[0020] 本發(fā)明可有效減輕的機(jī)械手接觸物體時(shí)的沖擊，并且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的抓取，通過(guò) 約束腫張力，降低腫的磨損，提高系統(tǒng)的壽命;可進(jìn)一步應(yīng)用于W腫為傳動(dòng)方式的多關(guān)節(jié)機(jī) 械臂、靈巧手單指等多關(guān)節(jié)多連桿機(jī)構(gòu)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手腫張力約束阻抗控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手單指腫張力約束笛卡爾空間阻抗控制框圖；
[0023] 圖3為單指坐標(biāo)系示意圖；
[0024] 其中：1，控制器；2，腫驅(qū)動(dòng)器；3，腫繩;4，腫張力傳感器;5，腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手單指機(jī) 構(gòu);6，關(guān)節(jié)角位置傳感器;7，指尖接觸力傳感器;11，側(cè)擺關(guān)節(jié)；12基關(guān)節(jié)；13，中關(guān)節(jié)；14，連 桿;15,基座;16,近指節(jié);17,中指節(jié);18,遠(yuǎn)指節(jié)。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō) 明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對(duì)本發(fā)明的限定。
[0026] 參照?qǐng)D1所示，本發(fā)明的一種腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手腫張力約束阻抗控制裝置，包括:控制 器1、腫驅(qū)動(dòng)器2、腫張力傳感器4、腫繩3、腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手單指機(jī)構(gòu)5、指尖接觸力傳感器7、對(duì) 應(yīng)各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角位置傳感器6;腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手單指機(jī)構(gòu)5由基座15、近指節(jié)16、中指節(jié)17和 遠(yuǎn)指節(jié)18組成，采用"Ν+Γ型腫驅(qū)動(dòng)方式，具有3個(gè)獨(dú)立自由度，其中遠(yuǎn)指節(jié)通過(guò)一個(gè)連桿14 機(jī)構(gòu)與中指節(jié)禪合，主要實(shí)現(xiàn)繞側(cè)擺關(guān)節(jié)11、基關(guān)節(jié)12和中關(guān)節(jié)13的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);關(guān)節(jié)角位置 傳感器6固定在腫驅(qū)動(dòng)機(jī)械手單指機(jī)構(gòu)5的各個(gè)關(guān)節(jié)上。每一根腫繩3上都裝有腫張力傳感 器4,腫繩3的一端連接在相應(yīng)指節(jié)上，另一端連接在腫驅(qū)動(dòng)器2上;指尖接觸力傳感器7固定 在遠(yuǎn)指節(jié)18上，腫張力傳感器4、關(guān)節(jié)角位置傳感器6和指尖接觸力傳感器7采集的信息發(fā)送 給控制器1，控制器1發(fā)送控制指令給腫驅(qū)動(dòng)器2。
[0027] 控制器1包括路徑規(guī)劃模塊、正運(yùn)動(dòng)學(xué)解算模塊、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算模塊、關(guān)節(jié)剛度比 例模塊、張力分配模塊、張力控制模塊、阻抗控制模塊。
[0028] 控制器1接收來(lái)自關(guān)節(jié)角位置傳感器6、腫張力傳感器4、指尖接觸力傳感器7的信 息;然后進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行，通過(guò)操作處理把張力控制器的輸出作為腫位置偏差輸入到腫驅(qū)動(dòng)