[發(fā)明專利]基于關(guān)節(jié)角度和肌肉長度測量的機(jī)器人控制系統(tǒng)及方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202110384674.6 | 申請日： | 2021-04-09 |
| 公開（公告）號： | CN113305879B | 公開（公告）日： | 2022-08-26 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 孫寧;梁定坤;方勇純;陳軼珩 | 申請（專利權(quán)）人： | 南開大學(xué) |
| 主分類號： | B25J19/00 | 分類號： | B25J19/00;B25J9/10;B25J9/16;G06F30/20 |
| 代理公司： | 濟(jì)南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221 | 代理人： | 張慶騫 |
| 地址： | 300071 天津*** | 國省代碼： | 天津;12 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 基于 關(guān)節(jié) 角度 肌肉 長度 測量 機(jī)器人 控制系統(tǒng) 方法 | ||
1.一種基于關(guān)節(jié)角度和肌肉長度測量的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括氣動肌肉柔性機(jī)器人、測量模塊和控制模塊；
所述機(jī)器人包括氣體供應(yīng)單元、壓力輸出測量單元、機(jī)器人本體和電源模塊；其中，所述氣體供應(yīng)單元包括空氣壓縮機(jī)和氣管，空氣壓縮機(jī)將設(shè)定氣壓的氣體通過氣管傳輸至氣動肌肉；所述壓力輸出測量單元包括兩個壓力控制閥，分別安裝于上、下臂的氣動人工肌肉的進(jìn)氣管處，對上、下臂的氣動人工肌肉進(jìn)行氣壓控制；所述機(jī)器人本體包括機(jī)架、上臂和下臂，上臂和下臂的一側(cè)由氣動人工肌肉驅(qū)動，另一側(cè)安裝拉伸彈簧快速消除恢復(fù)時殘余震蕩；所述電源模塊包括220V交流電模塊和24V直流電源模塊；
測量模塊用于獲取機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)和氣動肌肉的氣壓數(shù)據(jù)，將角度數(shù)據(jù)和氣壓數(shù)據(jù)輸入最終動力學(xué)模型獲取氣動肌肉長度變化信息，作為反饋量信號實現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)精確控制；所述最終動力學(xué)模型建立過程包括，基于幾何結(jié)構(gòu)建立角度轉(zhuǎn)化長度模型，獲得氣動肌肉長度和氣壓的對應(yīng)關(guān)系并結(jié)合上述角度轉(zhuǎn)化長度模型，化簡得到最終動力學(xué)模型；
所述測量模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊包括編碼器，分別在機(jī)器人上臂臂骨和下臂臂骨的旋轉(zhuǎn)軸同軸配置編碼器，將實時測量的關(guān)節(jié)角度差分脈沖信號采集至數(shù)據(jù)處理模塊；所述數(shù)據(jù)處理模塊包括接收器、測控平臺和濾波器；所述接收器用于接收編碼器的差分脈沖波形，測控平臺用于將角度脈沖信號實時地轉(zhuǎn)化為弧度數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波處理；
控制模塊利用氣動肌肉長度變化信息作為狀態(tài)變量的反饋值，調(diào)節(jié)機(jī)器人的控制氣壓值和電壓值；
所述控制模塊包括精確建模系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和運動控制評估系統(tǒng)；
所述精確建模系統(tǒng)將氣動肌肉驅(qū)動的柔性機(jī)器人視作豎直平面的二連桿系統(tǒng)，對機(jī)器人上臂進(jìn)行能量分析，計算下臂質(zhì)心方程，推導(dǎo)出連接上臂的下臂動能、重力勢能以及彈性勢能，得到最終的拉格朗日函數(shù)；所述自動控制系統(tǒng)依賴所述精確建模系統(tǒng)與測量模塊，在氣動肌肉柔性機(jī)器人的基礎(chǔ)上，計算每一時刻應(yīng)輸出的控制氣壓值，將該控制氣壓值傳輸至固高多軸控制板卡中，輸出相應(yīng)的控制電壓，驅(qū)動柔性機(jī)器人完成精確跟蹤、定位目標(biāo)，同時實時獲取系統(tǒng)狀態(tài)變量的反饋值，將該反饋值輸入運動控制評估系統(tǒng)；
所述運動控制評估系統(tǒng)以機(jī)器人手臂肌肉長度、機(jī)器人關(guān)節(jié)角度、肌肉驅(qū)動氣壓值為評價指標(biāo)，對自動控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)最優(yōu)性能。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括角度轉(zhuǎn)化長度模型，所述建立角度轉(zhuǎn)化長度模型包括，獲取關(guān)節(jié)角度與氣動肌肉長度的幾何約束關(guān)系以及氣動肌肉長度和氣壓的對應(yīng)關(guān)系；基于幾何約束關(guān)系和對應(yīng)關(guān)系將關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為氣動肌肉長度變化信息。
3.如權(quán)利要求2所述的機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述獲取關(guān)節(jié)角度與氣動肌肉長度的幾何約束關(guān)系包括:
根據(jù)三角形余弦定理，計算得到上、下臂氣動肌肉長度與機(jī)器人關(guān)節(jié)角之間的幾何約束方程；
對氣動肌肉的長度進(jìn)行求導(dǎo)，建立肌肉長度-收縮力模型，隨后建立收縮力、氣壓、長度的約束關(guān)系，代入動力學(xué)模型中，獲得長度-氣壓的對應(yīng)關(guān)系。
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