[發明專利]一種模塊化觸覺感知控制裝置及方法

有效

• 申請號: 201910055945.6
• 申請日: 2019-01-22
• 公開（公告）號: CN109713946B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 石樂強;宋吉來;王羽瑾;胡俊;郭建強;張彥超
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H02P5/00
• 分類號: H02P5/00;H02P6/04;G05D15/01
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 陳曦

1.一種模塊化觸覺感知控制裝置，其特征在于，包括：觸覺信息采集模塊、主控制器模塊、多路電機驅動模塊、多個電機和多個機械傳動機構；

所述觸覺信息采集模塊，包括多個觸覺傳感器，每個觸覺傳感器用于采集對應的機械傳動機構輸出實時接觸力信號；

所述多路電機驅動模塊，包括多個功率驅動器，用于根據主控制器模塊輸出的PWM控制信號和電機正反轉控制信號，實現對多個電機的驅動；

所述電機接收相應功率驅動器輸出的控制信號，并通過相應的機械傳動機構實現對負載的運動控制；

所述電機設有編碼器模塊，用于反饋實時速度信號；所述多路電機驅動模塊，還包括多個編碼器接口模塊，編碼器接口模塊用于接收相應的編碼器模塊所反饋的實時速度信號；

所述主控制器模塊，用于接收實時接觸力信號、實時速度信號和功率驅動器輸出的實時電流信號，實現對電機的120°方波控制、電流閉環控制、速度閉環控制以及接觸力阻抗變換閉環控制；

所述觸覺傳感器用于采集三維空間的全力信息，并轉換為電壓變化信號，再通過數字變換后形成數字信號發送給主控制器模塊；

所述主控制器模塊包括：數字解耦器、阻抗變換電路、速度控制器、電流控制器和電流采樣濾波電路；

所述數字解耦器，用于將觸覺傳感器發送的數字信號轉換成實時接觸力信號；實時接觸力信號和接觸力阻抗變換閉環控制的給定力信號做差值運算獲得力偏差信號；

所述阻抗變換電路，用于對力偏差信號做阻抗變換，獲得速度偏移值；

給定速度和實時速度信號作差值運算獲得速度偏差信號，速度偏差信號和速度偏移值做疊加運算后形成速度閉環控制的給定值輸入到速度控制器；

所述速度控制器用于對速度閉環控制的給定值進行調節，形成的信號作為電流閉環控制的電流給定值；

所述電流采樣濾波電路，用于采集功率驅動器輸出的實時電流信號；

所述電流控制器，用于將實時電流信號和電流給定值做差運算所得的電流偏差轉換成PWM控制信號，并輸出給功率驅動器。

2.如權利要求1所述的模塊化觸覺感知控制裝置，其特征在于，所述主控制器模塊還包括CAN總線接口模塊，通過CAN總線接口模塊可實現多個模塊化觸覺感知控制裝置的通信。

3.如權利要求1所述的模塊化觸覺感知控制裝置，其特征在于，所述觸覺信息采集模塊和主控制器模塊都設有SPI總線接口，通過SPI總線實現高速、實時通訊。

4.如權利要求1所述的模塊化觸覺感知控制裝置，其特征在于，所述控制裝置還包括電源模塊，用于向觸覺信息采集模塊、主控制器模塊和多路電機驅動模塊供電；電源模塊包括24V直流電源模塊、24V轉15V電源模塊、15V轉5V電源模塊和5V轉3.3V電源模塊。

5.如權利要求1所述的模塊化觸覺感知控制裝置，其特征在于，所述主控制器模塊采用STM32微控制器。

6.一種模塊化觸覺感知控制方法，其特征在于，所述方法包括：

采集時接觸力信號、電機的實時速度信號和實時電流信號；

對電機進行電流閉環控制、速度閉環控制、接觸力阻抗變換閉環控制和120°方波換向控制，以實現對電機所驅動的負載的運動控制；

所述閉環控制具體為：

接觸力阻抗變換閉環控制：采集實時接觸力信號，實時接觸力信號和給定力信號做差值運算獲得力偏差信號，力偏差信號做阻抗變換獲得速度偏移值，速度偏移值作為第一疊加信號輸入到主控制回路；

速度閉環控制：采集實時速度信號，實時速度信號和速度給定值做差運算獲得速度偏差信號，速度偏差信號作為第二疊加信號輸入到主控制回路；速度偏移值和速度偏差信號做疊加運算后進行速度調控，以獲得電流閉環控制的電流給定值；

電流閉環控制：采集實時電流信號，對實時電流信號和電流給定值做差運算所得的電流偏差值進行調控，獲得PWM控制信號對電機進行控制。