[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

本發明的一種模塊化觸覺感知控制裝置及方法，裝置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；觸覺信息采集模塊用于采集接觸力信息，實現接觸力檢測和識別的功能。主控制器模塊用與完成電機的方波控制、電流閉環控制、速度閉環控制、接觸力阻抗變換閉環控制、接收信息采集模塊的信息反饋、運算以及控制信號的發送。多路電機驅動模塊用于接收主控制器模塊發送的電機控制信號，直接對電機進行運動控制。本發明方法利用觸覺信息采集模塊反饋的實時接觸力信號和給定力信號做偏差，再經過阻抗變換后形成速度閉環反饋控制信息，同時將速度偏差與其進行疊加，再進行速度閉環調節，最后可精確的完成力控制。

技術領域

本發明屬于感知與控制技術領域，涉及一種模塊化觸覺感知控制裝置及方法。

背景技術

隨著我國生產力水平和人民生活水平的不斷提高，機器人技術在工業領域和服務領域都得到了廣泛應用，為了讓機器人來完成各種復雜和精細的任務，基于觸覺感知的機器人控制技術已是感知與控制領域研究的重要內容。之前，基于觸覺感知的控制技術在許多領域已有所應用，例如，美國科研人員在內窺鏡手術的導管頂部安裝觸覺傳感器，可檢測疾病組織的剛度，根據組織柔軟度施加合適的力度，保證手術操作的安全；德國KUKA公司開發了帶有觸覺的機器臂LBRiiwa并將其商業化，第一個實現了實際應用的人機協同和觸覺機器人精確組裝的系統；德國菲勞恩霍夫制造技術和應用材料研究院的馬庫斯-梅瓦爾研制出新型觸覺系統的章魚水下機器人，可精確地感知障礙物狀況，可以自動完成海底環境的勘測工作；新松機械臂應用了觸覺傳感器，賦予機器人觸覺實現裝配、噴漆、檢測等工作。但是以上的應用都是在專用領域做的技術開發，并不具有普適性。此外，在之前的應用中，控制系統的可擴展性不強，因此，接收的觸覺信息數量有限，感知的范圍和能力也都受到限制。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種模塊化觸覺感知控制裝置及方法，裝置具有很好的擴展性，提高觸覺感知的范圍和能力，使其應用具有普適性。

本發明提供一種模塊化觸覺感知控制裝置，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。

在本發明的模塊化觸覺感知控制裝置中，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。

在本發明的模塊化觸覺感知控制裝置中，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；