一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法及装置，根据手指指尖当前位置和物体的期望接触点进行机械手自由空间中的关节角位置路径规划；获得期望笛卡尔位置；在与物体接触后由阻抗控制将期望和实际指尖接触力之差修正为笛卡尔位置补偿量；期望笛卡尔位置和笛卡尔位置补偿量求和获得新的笛卡尔位置，转化为关节力矩；关节力矩由张力分配模块转换为期望腱张力，由张力控制模块基于合适的控制律把期望腱张力和实际腱张力的偏差转化为位置偏差，把该位置偏差输送给腱驱动器进行控制。本发明专利技术通过约束腱张力，降低腱的磨损，提高系统的寿命，可应用于以腱为传动方式的多关节机械臂、灵巧手假肢和末端执行器等多关节多连杆机构中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术机器人控制
，尤其指代一种腱驱动机械手腱张力约束笛卡尔空间阻抗控制方法和装置。
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个自由度，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POSTECH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
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法及装置，以解决现有技术中只能获得粗略的腱张力控制，难以实现精确的操作，不能完全满足机械手灵巧操作和强力抓持操作的要求的问题。为达到上述目的，本专利技术的一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法，包括步骤如下：步骤1：由路径规划模块进行机械手单指自由空间中的关节角位置路径规划；输入由操作对象特性规划得到的灵巧手单指运动的期望接触力；经正运动解算模块转化为期望的指尖笛卡尔位置；并且设定腱张力约束范围和接触力阈值；步骤2：根据接触力传感器测量得到的接触力值与接触力阈值比较确定灵巧手和物体之间的接触状态，若接触力值小于接触力阈值则表示机械手位于自由空间，设置输出接触力误差Fe为0；否则由腱张力比较器比较期望指尖接触力和实际指尖接触力传感器所测接触力之间的差别得到约束空间接触力误差Fe；阻抗控制模块将接触力误差Fe修正为笛卡尔位置Xf，对期望的位置Xd进行补偿得到期望的笛卡尔位置Xr＝Xd+Xf；期望笛卡尔位置经过逆运动学解算模块转换为期望关节角位置θr，与手指的实际关节角位置θa进行比较得到关节角位置偏差θe＝θr-θa；然后通过关节刚度比例模块将关节角位置偏差转化为关节力矩，该关节力矩由张力分配模块转换为期望腱张力；然后由腱张力比较器比较期望腱张力和实际由腱张力传感器输出的腱张力的偏差，根据该腱张力的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偏差，把该位置偏差输送给腱驱动器进行控制。优选地，上述步骤1中的机械手单指自由空间中的关节角位置路径规划采用一般多关节机械臂的关节角位置路径规划方法进行，得到期望的关节角轨迹，由路径规划模块实现；关节角位置到操作空间指尖的位置由常规的机器人正运动学方法计算即可，具体由正运动解算模块实现。优选地，上述步骤1中的接触力阈值由接触力传感器的噪声特性确定，高于该接触力阈值则表示接触物体。优选地，上述步骤2中的指尖接触力通过根据外界阻抗特性选定合适参数的阻抗控制方法将其转化为位置的修正值来保证，具体由阻抗控制模块实现。优选地，上述步骤2中的逆运动学解算模块将补偿后的期望笛卡尔位置转换为期望的关节角位置。优选地，上述步骤2中的逆运动学解算模块通过非线性函数数值解法将补偿后的期望笛卡尔位置转换为期望的关节角位置。优选地，上述步骤2中的关节角位置偏差通过关节刚度比例模块和考虑张力约束的张力分配转化了腱张力期望值。优选地，上述步骤2中的张力分配模块将关节力矩转换为腱空间的力，具体考虑了腱张力约束范围，保证腱张力处于一个根据实际需求设定的最小和最大正值之间；最小值保证腱绳处于张紧状态，最大值由具体采用腱绳的材质的张力限制决定，保护腱绳不被拉断和减小磨损。本专利技术还提供一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制装置，包括：控制器、腱驱动器、腱张力传感器、腱绳、腱驱动机械手单指机构、指尖接触力传感器、对应各关节的关节角位置传感器；关节角位置传感器固定在腱驱动机械手机构的各个关节上，指尖接触力传感器位于指尖；其中，控制器接收来自关节角位置传感器、腱张力传感器、指尖接触力传感器的信息；然后进行调度运行，通过操作处理把张力控制器的输出作为腱位置偏差输入到腱驱动器；腱驱动器包括无刷直流电机和把旋转运动转换为直线运动的滚珠丝杠、螺母，根据控制器输入的位置偏差驱动腱绳拉伸，导致腱驱动机械手单指机构相应运动，实现所需的位置和力的调整。本专利技术的有益效果：本专利技术可有效减轻的机械手接触物体时的冲击，并且能够实现稳定的抓取，通过约束腱张力，降低腱的磨损，提高系统的寿命；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，具有广本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1：由路径规划模块进行机械手单指自由空间中的关节角位置路径规划；输入由操作对象特性规划得到的灵巧手单指运动的期望接触力；经正运动解算模块转化为期望的指尖笛卡尔位置；并且设定腱张力约束范围和接触力阈值；步骤2：根据接触力传感器测量得到的接触力值与接触力阈值比较确定灵巧手和物体之间的接触状态，若接触力值小于接触力阈值则表示机械手位于自由空间，设置输出接触力误差Fe为0；否则由腱张力比较器比较期望指尖接触力和实际指尖接触力传感器所测接触力之间的差别得到约束空间接触力误差Fe；阻抗控制模块将接触力误差Fe修正为笛卡尔位置Xf，对期望的位置Xd进行补偿得到期望的笛卡尔位置Xr＝Xd+Xf；期望笛卡尔位置经过逆运动学解算模块转换为期望关节角位置θr，与手指的实际关节角位置θa进行比较得到关节角位置偏差θe＝θr‑θa；然后通过关节刚度比例模块将关节角位置偏差转化为关节力矩，该关节力矩由张力分配模块转换为期望腱张力；然后由腱张力比较器比较期望腱张力和实际由腱张力传感器输出的腱张力的偏差，根据该腱张力的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偏差，把该位置偏差输送给腱驱动器进行控制。...

【技术特征摘要】
1.一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1：由路径规划模块进行机械手单指自由空间中的关节角位置路径规划；输入由操
作对象特性规划得到的灵巧手单指运动的期望接触力；经正运动解算模块转化为期望的指
尖笛卡尔位置；并且设定腱张力约束范围和接触力阈值；
步骤2：根据接触力传感器测量得到的接触力值与接触力阈值比较确定灵巧手和物体
之间的接触状态，若接触力值小于接触力阈值则表示机械手位于自由空间，设置输出接触
力误差Fe为0；否则由腱张力比较器比较期望指尖接触力和实际指尖接触力传感器所测接
触力之间的差别得到约束空间接触力误差Fe；阻抗控制模块将接触力误差Fe修正为笛卡尔
位置Xf，对期望的位置Xd进行补偿得到期望的笛卡尔位置Xr＝Xd+Xf；期望笛卡尔位置经过逆
运动学解算模块转换为期望关节角位置θr，与手指的实际关节角位置θa进行比较得到关节
角位置偏差θe＝θr-θa；然后通过关节刚度比例模块将关节角位置偏差转化为关节力矩，该
关节力矩由张力分配模块转换为期望腱张力；然后由腱张力比较器比较期望腱张力和实际
由腱张力传感器输出的腱张力的偏差，根据该腱张力的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偏差，把该位置偏差输送给腱驱动器进行控制。
2.根据权利要求1所述的腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法，其特征在于，上述步
骤1中的机械手单指自由空间中的关节角位置路径规划采用一般多关节机械臂的关节角位
置路径规划方法进行，得到期望的关节角轨迹，由路径规划模块实现；关节角位置到操作空
间指尖的位置由常规的机器人正运动学方法计算即可，具体由正运动解算模块实现。
3.根据权利要求1所述的腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法，其特征在于，上述步
骤1中的接触力阈值由接触力传感器的噪声特性确定，高于该接触力阈值则表示接触物体。
4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小涛，王邢波，陈佳辉，韩运峥，韩如雪，夏颖，徐彤彤，
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