[發明專利]肌腱驅動型單指靈巧手及其控制系統和控制方法

在審

• 申請號: 201711234132.0
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107825449A
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發明（設計）人: 王邢波;孟敏銳;葛勝
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: B25J15/00
• 分類號: B25J15/00;B25J9/16
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 張艷

技術領域

本發明涉及肌腱驅動型單指靈巧手及其控制系統和控制方法，屬于機器人靈巧手技術領域。

背景技術

驅動器內置式多指靈巧手，廣泛采用模塊化的驅動內置的思想，結構復雜、體積龐大、制造困難，如小體積、大扭矩電機。為了應對內置式靈巧手可能帶來的不便，目前越來越多的采用外置式的腱驅動方式。由于腱的機械特性、數量以及傳輸路徑對于靈巧手的系統的性能有很大的影響。在n+1型腱驅動系統中，腱位移和關節位移之間存在著耦合關系，并且肌腱只能傳遞張力，每根肌腱耦合的關節大于1個，因此研究肌腱驅動型靈巧手相比于傳統的齒輪驅動，控制器的設計非常復雜。

現有的腱驅動型靈巧手大多工作在肌腱空間，通過獨立的張力控制器驅動獨立的關節運動，然而肌腱之間存在的動力學耦合，使得靈巧手動作時肌腱與關節之間存在短暫耦合，當然，如果控制器工作與關節空間，就可以解決肌腱和關節位置的耦合問題。另外，多指靈巧手在執行復雜任務的時候，通常要有一定的柔順性，目前主動柔順主要采用阻抗控制，阻抗控制的優點是結合力控制和位置控制，設計簡單，可以實現精確的位置跟蹤，但是很難達到精確的力跟蹤。

傳統的方式具有以下缺點：

一、肌腱之間存在的動力學耦合，使得靈巧手動作時肌腱與關節之間存在短暫耦合。

二、阻抗控制的優點是結合力控制和位置控制，設計簡單，可以實現精確的位置跟蹤，但是很難達到精確的力跟蹤。

三、傳統控制算法不夠先進，魯棒性差，位置控制的精確度不足。

發明內容

為了解決上述存在的問題，本發明公開了肌腱驅動型單指靈巧手及其控制系統和控制方法，其具體技術方案如下：

肌腱驅動型單指靈巧手，該單指靈巧手安裝在機械手前臂末端，且前臂內安裝有驅動器，該單指靈巧手包括底座、側擺、近指節、中指節，所述底座固定在機械手前臂末端，側擺、近指節、中指節均通過肌腱與驅動器連接，

肌腱驅動型單指靈巧手的控制系統，包括張力控制單元和位置控制單元。

所述的張力控制單元包括：角度控制器、位置解算器、PID控制器和單指靈巧手；通過位置解算器將角度控制器得到的關節位置轉換為肌腱位置，經過PID控制器轉化為驅動器位置的一部分，控制單指靈巧手移動；

所述的位置控制單元包括：角度控制器、阻抗控制器、P^-1轉移矩陣和自適應模糊PID控制器；通過阻抗控制器和轉移矩陣P^-1將單指靈巧手的關節位置轉換得到肌腱張力，經過自適應模糊PID控制器轉換為驅動器位置的另一部分，控制單指靈巧手移動；

所述位置解算器和PID控制器共同構成位置控制器，位置解算器采用數學建模的方法，將單指靈巧手實際的關節轉角與期望的關節轉角之間的誤差轉化為肌腱空間的位移變化，作為位置控制器的輸入，即Δx_1,2,3,4＝Δx(Δq_1,2,3)。

所述PID控制器，設計為：

k_p1,k_i1,k_d1分別為PID控制器的比例、積分、微分系數，x1是PID控制器的輸出，將作為位移量的一部分輸入到單指靈巧手。

由于肌腱之間以及肌腱與關節存在耦合，在單指靈巧手的關節空間規劃期望的關節力矩，并轉化為對應的肌腱張力，期望的關節力矩τ_d與期望的關節轉角和實際的關節轉角之間的誤差Δq成正比例關系，即：

τ_d＝KΔq

其中，K為正比例系數，期望的關節力矩經過轉移矩陣P^-1轉化為期望的肌腱張力，由于肌腱只能傳遞張力，所以在保證肌腱不會松弛的同時，引入肌腱的內部張力t，t>0，保證肌腱張力的正定性，

n個關節力矩與n+1個肌腱之間的關系可以表示為：

P為4×4滿秩矩陣，R為肌腱張力與關節力矩的轉移矩陣，并且有τ_d＝Rf_d，W是矩陣R的正交陣，

f_d由τ_d表示為：

f_d＝R^-1τ_d+W^-1t

自適應模糊PID控制器的兩個輸入，分別為：

Δf＝f_d-f_out