[發(fā)明專利]基于關(guān)節(jié)角度和肌肉長度測量的機器人控制系統(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: 濟南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張慶騫

本公開提供了一種基于關(guān)節(jié)角度和肌肉長度測量的機器人控制系統(tǒng)及方法，包括測量模塊和控制模塊；測量模塊用于獲取機器人關(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，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；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)機器人的控制氣壓值和電壓值；能夠獲取高精度的氣動肌肉長度的變化數(shù)據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開屬于機器人控制領(lǐng)域，具體涉及基于關(guān)節(jié)角度和肌肉長度測量的氣動肌肉驅(qū)動的柔性機器人控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

自人類步入智能時代起，為進(jìn)一步探索世界科技發(fā)展方向，聚焦智能制造、醫(yī)療康復(fù)、無人探測、搶險救災(zāi)等領(lǐng)域日益迫切的自動化、智能化需求，著眼于新一代驅(qū)動方式——氣動人工肌肉(Pneumatic Artificial Muscle,PAM)驅(qū)動，可顛覆性地突破傳統(tǒng)驅(qū)動元件柔性不足、機構(gòu)繁瑣等局限性。

氣動人工肌肉，也稱氣動肌肉驅(qū)動器，由橡膠管主體和編織護(hù)套組成，通過調(diào)節(jié)伺服氣壓閥可對其內(nèi)部高壓縮氣體的充氣/放氣過程進(jìn)行控制，從而模擬人體肌肉實現(xiàn)收縮/伸展運動。氣動肌肉結(jié)構(gòu)簡單、材料輕便，具有許多顯著的優(yōu)勢，如生物適應(yīng)性好、功率密度高等，當(dāng)其作為柔性機器人的主要驅(qū)動元件時，不僅可以改善系統(tǒng)的柔順性，還可以進(jìn)一步地提高人機交互的安全性和舒適性。然而，任何事物都具有兩面性，氣動肌肉憑借獨特優(yōu)勢在智能機器人領(lǐng)域快速占據(jù)一席之地的同時，也暴露出其結(jié)構(gòu)與特性所導(dǎo)致的一系列痛點，如“與生俱來”的遲滯、蠕變特性，存在門檻氣壓效應(yīng)，閉環(huán)帶寬低等。因此，如何綜合考慮氣動肌肉驅(qū)動的柔性機器人固有特性，逐個擊破控制難點，實現(xiàn)精確建模與智能魯棒控制，極具研究與應(yīng)用價值。

迄今為止，國內(nèi)外諸多研究機構(gòu)針對氣動肌肉驅(qū)動的柔性機器人的建模與控制問題已經(jīng)開展了一系列基礎(chǔ)研究。從建模角度來看，氣動人工肌肉的建模目前主要分成靜態(tài)特性模型以及動態(tài)特性模型兩大類別。靜態(tài)特性模型是將氣動人工肌肉視為一種實際執(zhí)行元件，通過分析其蘊含的靜態(tài)特性，依賴不同的數(shù)學(xué)手段而建立，而動態(tài)特性模型則額外分析了氣動肌肉作為氣動元件所蘊含的流體熱力學(xué)特性，通過理想氣體多變方程等去確立，其普及度與應(yīng)用廣泛度遠(yuǎn)不及靜態(tài)模型。從控制現(xiàn)狀來看，不僅需要考慮柔性機器人自身結(jié)構(gòu)上的非線性，還需重視氣動肌肉本身所引入的多重復(fù)雜特性，使其智能控制方法研究極具挑戰(zhàn)性。

根據(jù)上述國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可知，現(xiàn)有針對氣動肌肉驅(qū)動的柔性機器人的建模與控制策略已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，但仍存在如下亟待解決的難題：

1、單根氣動肌肉僅能提供單一方向的力，實際應(yīng)用時需設(shè)計兩根及以上肌肉組合結(jié)構(gòu)完成更加高級的控制目標(biāo)，典型代表之一為雙氣動肌肉驅(qū)動的柔性機器人。當(dāng)前雙氣動肌肉驅(qū)動的柔性機器人的動力學(xué)模型大多是針對轉(zhuǎn)矩的模型，而氣動肌肉在輸出力的同時將實時改變自身長度，意味著力臂和力矩計算困難，無法直接用于控制。此外，幾乎沒有文獻(xiàn)考慮快速消除運動后能量殘余，可能引發(fā)意想不到的振蕩。如何同時考慮系統(tǒng)高非線性與強時變特性，針對真實的控制輸入——氣壓，建立直接而精確的動力學(xué)模型，是開展后續(xù)研究的基石。

2、未知復(fù)雜環(huán)境中，氣動肌肉驅(qū)動的柔性機器人極易遭受干擾，控制系統(tǒng)的實際性能將大打折扣。如何考慮參數(shù)不確定性、未建模動態(tài)、內(nèi)外擾動等，根據(jù)建立的精確模型，實時測量機器人上臂、下臂關(guān)節(jié)角度信息，獲取氣動肌肉長度的變化數(shù)據(jù)，提出多種非線性自動控制方法，并以定量評價系統(tǒng)的評估結(jié)果為基準(zhǔn)，實時更新、優(yōu)化控制器參數(shù)，在實現(xiàn)高性能跟蹤控制的同時，確保魯棒性與安全性，是一個亟待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本公開提出了基于關(guān)節(jié)角度和肌肉長度測量的機器人控制系統(tǒng)及方法。

第一方面，本公開提供了一種基于關(guān)節(jié)角度和肌肉長度測量的機器人控制系統(tǒng)，包括測量模塊和控制模塊；