[發(fā)明專利]一種機(jī)器人控制裝置及控制模塊

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710489265.6
• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107414824A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孟強(qiáng);姜洪洲;侯偉欽;何景峰;張振濤;佟志忠;張輝;葉正茂;黃其濤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京若貝特智能機(jī)器人科技有限公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J9/10
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種機(jī)器人控制裝置及控制模塊，屬于機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的并聯(lián)機(jī)器人大多采用液壓缸、氣缸或者電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，但是這些驅(qū)動器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 功耗大、缺乏柔性。而氣動肌肉是模擬生物體肌肉設(shè)計制造出來的，其結(jié)構(gòu)簡單、功率密度 大、質(zhì)量小、效率高、響應(yīng)快，并像生物體肌肉一樣具有良好的柔順性，這種天然的人機(jī)友 好性使得氣動肌肉在駕駛模擬器、仿人機(jī)器人、康復(fù)理療機(jī)器人等人機(jī)交互領(lǐng)域得到了廣泛 應(yīng)用。由于氣體具有很強(qiáng)的可壓縮性以及受到氣動肌肉橡膠筒彈性和內(nèi)外摩擦等的影響，氣 動肌肉存在很強(qiáng)的非線性特征，對其進(jìn)行精確控制比較難。為能將其成功地應(yīng)用于冗余并聯(lián) 機(jī)器人，本發(fā)明針對氣動肌肉與并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)，提出了一種機(jī)器人控制裝置及控制模塊， 該控制裝置及控制模塊能夠大幅提高氣動肌肉驅(qū)動的并聯(lián)機(jī)器人的控制精度、響應(yīng)特性、穩(wěn) 定性。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)對氣動肌肉伸縮量難于精確控制的缺陷，本發(fā)明采用一種控制裝置及控 制模塊提高氣動肌肉驅(qū)動的機(jī)器人的控制精度、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種機(jī)器人控制裝置及控制模塊，該機(jī)器人控制裝置包括動平臺、靜平臺、彈簧支撐裝 置、氣動肌肉、力傳感器、壓力傳感器、球鉸、轉(zhuǎn)動副、比例壓力閥；

所述動平臺安裝于所述靜平臺上面的彈簧支撐裝置上；

所述彈簧支撐裝置與所述動平臺采用帶三個自由度的所述轉(zhuǎn)動副連接；

所述氣動肌肉采用所述球鉸并聯(lián)于所述動平臺與所述靜平臺之間；

所述力傳感器與所述氣動肌肉串聯(lián)安裝于所述動平臺與所述靜平臺之間；

所述機(jī)器人控制模塊包括：基于逆動力學(xué)的自由度補(bǔ)償模塊、動平臺速度鎮(zhèn)定模塊、氣 動肌肉動力學(xué)模塊、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解模塊；

所述機(jī)器人控制模塊采用以下步驟對機(jī)器人進(jìn)行控制：

第一步，計算氣動肌肉期望出力、期望長度和期望伸縮率；

第二步，查得氣動肌肉充氣壓力期望值；

第三步，查得氣動肌肉實(shí)際伸縮率并計算實(shí)際長度；

第四步，計算機(jī)器人動平臺實(shí)際位姿；

第五步，計算氣動肌肉充氣壓力；

所述控制模塊安裝在控制箱內(nèi)，控制箱體固定在所述控制裝置靜平臺上。

本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述氣動肌肉的充氣壓力由比例壓力閥控制，所述比例壓力 閥配有壓力傳感器，可實(shí)時向所述控制模塊反饋氣動肌肉工作壓力。

本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案中，基于逆動力學(xué)的自由度補(bǔ)償模塊中，逆動力學(xué)的計算方法可 采用牛頓—?dú)W拉法、拉格朗日法、凱恩法、虛功原理法、微分幾何原理法、旋量對偶數(shù)法、 高斯方法。

本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述逆動力學(xué)的自由度補(bǔ)償模塊中的逆動力學(xué)計算方法使用 的機(jī)器人位姿參數(shù)，可選用實(shí)際位姿數(shù)據(jù)或期望位姿數(shù)據(jù)；逆動力學(xué)計算時需要分析彈簧支 撐對抗力；在不考慮慣性力與科氏力的情況下，逆動力學(xué)可以簡化為只考慮重力與彈性力的 逆靜力學(xué)模塊。

本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述動平臺速度鎮(zhèn)定模塊，通過對氣動肌肉實(shí)際長度進(jìn)行一 階高通濾波，再乘以比例因子，作為氣動肌肉的附加充氣壓力。

本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述氣動肌肉動力學(xué)模塊中力、氣壓與伸縮量的關(guān)系采用動 態(tài)表格查詢的方式取得；在已知力、氣壓與伸縮量三個量中的任意兩個量查表獲得第三個量； 在充分考慮氣動肌肉非線性特征的情況下，氣動肌肉的充氣壓力根據(jù)預(yù)估的伸縮量與出力動 態(tài)查表獲得；氣動肌肉的實(shí)際伸縮量根據(jù)氣動肌肉的實(shí)際出力與工作壓力動態(tài)查表獲得；動 態(tài)表格中的數(shù)據(jù)來自氣動肌肉的特性試驗。

本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案中，機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解模塊采用牛頓拉夫遜方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù) 映射方法實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述控制模塊的具體實(shí)現(xiàn)過程包括如下幾個步驟：

第一步，計算氣動肌肉期望出力、期望長度和期望伸縮率：

根據(jù)并聯(lián)機(jī)器人動平臺的期望位姿q、速度加速度采用機(jī)器人逆動力學(xué)計算氣 動肌肉期望出力f_p,d：

式中，f_p,d為并聯(lián)機(jī)器人氣動肌肉期望出力；M_p(q)為并聯(lián)機(jī)器人的質(zhì)量矩陣；為哥氏/向心力；G_p(q)為重力項；F_p(q)為彈性力項；J_pq(q)為并聯(lián)機(jī)器人雅克比矩陣； q，分別為動平臺相對靜平臺的期望位姿、速度、加速度矢量；為矩陣J_pq(q) 的逆轉(zhuǎn)置矩陣；