一种腱驱动机械手位置和腱张力的混合控制方法及控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种腱驱动机械手位置和腱张力的混合控制方法及控制装置，方法包括：进行机械手自由空间中的关节角位置路径规划，由手指指尖当前位置和物体期望接触点确定运动轨迹，设定期望关节角位置；由操作对象特性设定期望接触力及腱张力阈值；将腱张力值与阈值比较，小于力阈值时机械手位于自由空间，比较期望角位置和实际测量关节角位置之间偏差，采用位置控制律得到位置补偿量，把补偿量输入到腱驱动器进行控制；腱张力大于阈值时机械手位于约束空间，对规划的关节力矩进行腱张力分配，比较期望腱张力和实际腱张力差别，根据两者差值由张力控制器把力的误差转化为位置补偿量，把该补偿量与位置通道的位置补偿量求和后输入到腱驱动器进行控制。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开一种腱驱动机械手位置和腱张力的混合控制方法及控制装置，方法包括：进行机械手自由空间中的关节角位置路径规划，由手指指尖当前位置和物体期望接触点确定运动轨迹，设定期望关节角位置；由操作对象特性设定期望接触力及腱张力阈值；将腱张力值与阈值比较，小于力阈值时机械手位于自由空间，比较期望角位置和实际测量关节角位置之间偏差，采用位置控制律得到位置补偿量，把补偿量输入到腱驱动器进行控制；腱张力大于阈值时机械手位于约束空间，对规划的关节力矩进行腱张力分配，比较期望腱张力和实际腱张力差别，根据两者差值由张力控制器把力的误差转化为位置补偿量，把该补偿量与位置通道的位置补偿量求和后输入到腱驱动器进行控制。【专利说明】一种腱驱动机械手位置和腱张力的混合控制方法及控制装
: 本专利技术涉及一种腱驱动机械手位置和腱张力的混合控制方法及控制装置，其属于机器人控制领域。
技术介绍
: 机械手为模仿手、臂的特定功能的一种自动机械，因此泛指机械臂、末端执行器、灵巧手手指等多关节多连杆操作机构。腱驱动型机械手是利用腱绳进行传动的机械手，允许驱动器放置于机械手结构体的外部，可以减小机械手体积和重量，从而提高了机械手的灵巧性，同时也在驱动器选型方面给机构设计者提供了更多灵活性。 由于腱只可以传递张力，因此为了获得完全独立的自由度控制，必须要保证驱动器的数量多于自由度的个数。有多种腱配置方式，在配置合理的情况下，N+1型腱能够独立控制N个D0F，同时保证腱具有正张力。该腱配置方式简化了机构，但由于这种方式在减少腱绳数量的同时引入了关节位置和腱绳的耦合问题，因此控制器的设计非常复杂。在装配应用中机械手需要与非结构环境物理接触，因此机械手的力矩控制能力非常重要。研究者们提出多种控制策略来解决耦合腱驱动机械手的力矩控制问题。这些控制策略由张力分配算法和控制律两部分组成。张力分配算法是确定一组腱张力的过程，目的是产生期望的一组关节力矩，同时解决驱动的冗余问题。该冗余可以生成张力的零空间，用来保证所有腱具有正张力。 目前已有的控制律根据是否使用腱张力反馈进行分类。无腱张力反馈的控制方法包括计算力矩法、其它能够预测或估计系统参数的智能方法，这些方法对于能够精确建模运动和力矩关系的系统是可行的，但机械手需要抓握或操作的是各种可能的物体，其接触表面特性差别很大，因此这些方法只能获得粗略的腱张力控制，经常产生更高的内张力，导致腱的磨损，增加摩擦力降低性能，因此这些方法难以实现精确的操作。采用张力反馈的腱空间控制器忽略腱的动力学，利用张力分配算法将期望的关节力矩转换为期望的腱张力，然后为每根腱使用独立的张力调节器。例如Salisbury和Craig在Stanford/JPL手上实现了腱空间控制律，Starr在Stanford/JPL手通过采用腱-导管间歇模型实现了类似算法，2N型P0STECH手和Utah/MIT手等灵巧手也采用了该算法。然而采用该种方式的控制器在手指动力学中引入了瞬态耦合，即某个关节的控制或扰动可能导致另一个关节的不期望的响应。 为了稳定可靠地抓握物体，腱驱动机械手的控制应能合理的调节关节的柔顺性和力矩。相对于传统的齿轮传动，腱驱动的难点在于设计一个控制器使其能够按照期望的位置运动同时保证腱的张力保持在期望的范围之内。腱只能传递张力，而且有一定的延迟，以及机构对腱的摩擦以及腱的其它未建模动力学等因素也都影响着腱驱动机械手操作控制算法的设计。总的来说，现有的控制算法，仍不能完全满足机械手灵巧操作和强力抓持操作的要求。
技术实现思路
: 本专利技术的目的:针对腱驱动机械手，提供一种力和位置控制方法和设备，该方法能够减小腱运动和关节运动之间耦合的影响，提高系统的动态特性和位置精度，减小从自由空间到约束空间的冲击，有效的实现腱驱动机械手的操作控制，提高机械手的灵巧性。 本专利技术采用如下技术方案:一种腱驱动机械手位置和腱张力的混合控制方法，其包括如下步骤: 步骤1，由路径规划模块进行机械手自由空间中的关节角位置路径规划，根据手指指尖当前位置和物体的期望接触点确定从初始点到接触点的运动轨迹，并且设定期望关节角位置；根据操作对象特性设定期望接触力，并且设置腱张力阈值； 步骤2，根据腱张力传感器测量得到的腱张力值与腱张力阈值比较确定灵巧手和物体之间的接触状态，若腱张力值小于腱张力阈值说明机械手位于自由空间，此时由位置比较模块比较期望关节角位置和实际测量关节角位置之间的偏差，并且由位置解算模块解算为腱的长度偏差，由一个位置控制模块通过合适的控制律得到腱位置偏差，把该偏差指令输送给键驱动器进行控制； 步骤3，若腱张力值大于阈值说明机械手位于约束空间，此时首先由接触力到关节力矩转换模块通过力雅可比矩阵把期望的接触力转换为关节力矩；进一步由腱张力分配模块转换为腱空间的力，同时进行腱张力分配；然后由腱张力比较器比较期望腱张力和实际腱张力的差别，根据这个偏差由张力控制模块基于合适的控制律把张力的偏差转化为位置的偏差，把该偏差与位置控制通道的位置偏差求和后输送给驱动器进行控制。 本专利技术还采用如下技术方案:一种腱驱动机械手位置和腱张力的混合控制装置，其包括控制器、与控制器相连的腱驱动器、与腱驱动器相连的腱绳、安装于腱绳上的腱张力传感器、腱驱动机械手单指机构及关节角位置传感器，所述腱张力传感器和关节角位置传感器与控制器相连进而将采集的信息发送给控制器，所述控制器发送控制指令给腱驱动器，所述控制器包括路径规划模块、期望接触力模块、位置解算模块、位置控制模块、位置比较模块、接触力到关节力矩转换模块、腱张力分配模块及张力控制模块，路径规划模块输入手指指尖当前位置和物体的期望接触点，路径规划模块输出期望关节角位置到位置比较模块和腱张力分配模块，位置比较模块的另一个输入为实际测量关节角位置，位置比较模块输出位置偏差到位置结算模块，位置解算模块输出到位置控制模块，期望接触力输入到接触力到关节力矩转换模块，转换结果输出到转换腱张力分配模块，腱张力模块输出的结果和腱张力传感器测量的结果进行比较，结果输出到张力控制模块，张力控制的输出和位置控制的输出求和然后输出到腱驱动控制器，控制机构动作。 所述腱驱动机械手单指机构包括侧摆关节、基关节、中关节、连杆机构、基座、近指节、中指节及远指节，所述基座与近指节通过基关节转动连接，近指节与中指节通过中关节转动连接，远指节通过连杆机构与中指节耦合，所述腱绳的另一端依次穿过基座、近指节、中指节、远指节并与远指节固接，所述腱张力传感器位于键绳上的键驱动器和腱驱动机械手单指机构中间的位置上，所述关节角位置传感器固定在侧摆关节、基关节及中关节上。 本专利技术具有如下有益效果:本专利技术设计了一种基于腱张力反馈的腱驱动机械手操作控制的方法，该方法可有效减轻机械手接触物体时的冲击，并且能够实现稳定的抓取。该方法可进一步应用于以腱为传动方式的多关节机械臂、灵巧手单指等多关节多连杆机构中，因此该实现方法具有广阔的应用前景。 【专利附图】【附图说明】 : 图1为膜驱动机械手单指系统组成图。 图2为腱驱动机械手单指位置和腱张力混合控制框图。 图3为腱绳运动状态简化图。 其中: 1-控制器；2_腱驱动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种腱驱动机械手位置和腱张力的混合控制方法，其特征在于：包括如下步骤步骤1，由路径规划模块进行机械手自由空间中的关节角位置路径规划，根据手指指尖当前位置和物体的期望接触点确定从初始点到接触点的运动轨迹，并且设定期望关节角位置；根据操作对象特性设定期望接触力，并且设置腱张力阈值；步骤2，根据腱张力传感器测量得到的腱张力值与腱张力阈值比较确定灵巧手和物体之间的接触状态，若腱张力值小于腱张力阈值说明机械手位于自由空间，此时由位置比较模块比较期望关节角位置和实际测量关节角位置之间的偏差，并且由位置解算模块解算为腱的长度偏差，由一个位置控制模块通过合适的控制律得到腱位置偏差，把该偏差指令输送给键驱动器进行控制；步骤3，若腱张力值大于阈值说明机械手位于约束空间，此时首先由接触力到关节力矩转换模块通过力雅可比矩阵把期望的接触力转换为关节力矩；进一步由腱张力分配模块转换为腱空间的力，同时进行腱张力分配；然后由腱张力比较器比较期望腱张力和实际腱张力的差别，根据这个偏差由张力控制模块基于合适的控制律把张力的偏差转化为位置的偏差，把该偏差与位置控制通道的位置偏差求和后输送给驱动器进行控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王小涛，王邢波，冯敦超，聂宏，韩运铮，曹雯，韩如雪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32