[發(fā)明專利]一種腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手張力約束末端操作控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710584862.7
• 申請(qǐng)日: 2017-07-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107414826B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王邢波;王小濤;聶宏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 石艷紅

本發(fā)明公開(kāi)了一種腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手張力約束末端操作控制方法，包括步驟為：機(jī)械手單指指尖參數(shù)設(shè)置、計(jì)算指尖接觸力誤差、計(jì)算期望指尖笛卡爾空間位置、計(jì)算關(guān)節(jié)角位置誤差、計(jì)算最佳期望關(guān)節(jié)力矩、計(jì)算期望腱張力、計(jì)算腱張力偏差、然后將腱張力偏差轉(zhuǎn)化為腱位置偏差，接著，張力控制模塊把腱位置偏差輸送給腱驅(qū)動(dòng)器，腱驅(qū)動(dòng)器控制腱繩的拉伸。本發(fā)明響應(yīng)速度快，關(guān)節(jié)角測(cè)量值與期望值之間的偏差能夠消除，從而能夠有效提高系統(tǒng)末端操作的力和位置控制的精度，減小機(jī)械手接觸物體時(shí)的沖擊，通過(guò)約束腱張力，降低腱的磨損，提高其壽命，最終能夠有效地實(shí)現(xiàn)腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的操作控制，提高機(jī)械手的靈巧性和壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手控制領(lǐng)域，特別是一種腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手張力約束末端操作控制方法。

背景技術(shù)

機(jī)械手是模仿人類的手、臂特定功能的一種自動(dòng)機(jī)械，泛指機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、靈巧手手指等多關(guān)節(jié)多連桿操作機(jī)構(gòu)。腱驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手是利用腱繩進(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)體外部，可以減小機(jī)械手的體積和重量，從而提高了機(jī)械手的靈巧性，同時(shí)也在驅(qū)動(dòng)器選型方面為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者提供了更多的靈活性。

由于腱只能傳遞張力，因此為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自由度的完全獨(dú)立控制，必須保證驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量多于自由度的數(shù)量。通過(guò)合理配置，N+1型腱能夠獨(dú)立控制N個(gè)自由度，同時(shí)保證腱具有正張力(拉力)。該腱配置方式簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)，但由于該方式在減少腱繩數(shù)量的同時(shí)引入了關(guān)節(jié)位置和腱繩的耦合問(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)解決耦合腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的力矩控制問(wèn)題。這些控制策略由張力分配算法和控制律兩部分組成，其中張力分配算法是確定一組腱張力的過(guò)程，目的是產(chǎn)生一組期望的關(guān)節(jié)力矩，同時(shí)解決驅(qū)動(dòng)的冗余問(wèn)題。該冗余可以生成張力的零空間，從而保證所有腱具有正張力。

腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的控制律根據(jù)是否使用腱張力反饋分為兩類。無(wú)腱張力反饋的控制方法包括計(jì)算力矩法以及其它能夠預(yù)測(cè)或估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的智能方法。這些方法對(duì)于能夠精確對(duì)運(yùn)動(dòng)和力矩關(guān)系進(jìn)行建模的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是可行的，但機(jī)械手抓握或操作的物體的表面特性差別很大，因此這些方法只能獲得粗略的腱張力控制，經(jīng)常產(chǎn)生較高的內(nèi)張力，導(dǎo)致腱的磨損，增加摩擦力，降低系統(tǒng)性能，因此這些方法難以實(shí)現(xiàn)精確操作。采用張力反饋的腱空間控制器忽略腱的動(dòng)力學(xué)，利用張力分配算法將期望的關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換為期望的腱張力，然后為每根腱使用獨(dú)立的張力調(diào)節(jié)器。例如Salisbury和Craig在Stanford/JPL手上實(shí)現(xiàn)了腱空間控制律，Starr在Stanford/JPL手通過(guò)采用腱-導(dǎo)管模型實(shí)現(xiàn)了類似算法，2N型POSTECH手和Utah/MIT手等靈巧手也采用了該算法。然而采用該類控制器在手指動(dòng)力學(xué)中引入了瞬態(tài)耦合，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)的不期望響應(yīng)。

腱只能傳遞張力且具有一定的傳輸延遲，機(jī)構(gòu)與腱之間的摩擦以及腱的其它未建模動(dòng)力學(xué)等因素也影響著腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手操作控制算法的設(shè)計(jì)。

另外，現(xiàn)有控制算法主要采用阻抗控制算法，響應(yīng)速度慢。加之，現(xiàn)有的關(guān)節(jié)角測(cè)量值和給定值之間存在偏差，而且這個(gè)偏差不能消除。因而，無(wú)法完全滿足腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手在精確控制接觸力和接觸位置的同時(shí)保持腱張力處于合適約束范圍的要求，從而導(dǎo)致無(wú)法很好地滿足靈巧操作和強(qiáng)力抓持操作的需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手張力約束末端操作阻抗控制裝置，該腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手張力約束末端操作阻抗控制裝置響應(yīng)速度快，關(guān)節(jié)角測(cè)量值與期望值之間的偏差能夠消除，從而能夠有效提高系統(tǒng)末端操作的力和位置控制的精度，減小機(jī)械手接觸物體時(shí)的沖擊，通過(guò)約束腱張力，降低腱的磨損，提高其壽命，最終能夠有效地實(shí)現(xiàn)腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的操作控制，提高機(jī)械手的靈巧性和壽命。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種腱驅(qū)動(dòng)機(jī)械手張力約束末端操作阻抗控制方法，包括如下步驟。