肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法技术方案

本发明专利技术公开了肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法，该单指灵巧手包括底座、侧摆、近指节、中指节。该控制系统包括张力控制单元和位置控制单元。该控制方法，包括步骤1：肌腱的位移作为PID控制器的输入，即Δx1；步骤2：肌腱的位置变化x1作为控制量输入到单指灵巧手；步骤3：将期望的关节力矩转化为期望的肌腱张力，其与灵巧手反馈的实际肌腱张力之间的差值，作为自适应模糊PID控制器的输入，自适应模糊PID控制器的输出为x2，作为控制量输入到单指灵巧手中；步骤4：x1和x2相加，作为调节单指灵巧手的控制量。本发明专利技术达到实时在线控制单指灵巧手的位置以及肌腱张力、鲁棒性好。

Tendon driven single finger control system and control method thereof

The invention discloses a tendon driven single finger control system and control method thereof, the single finger comprises a base, side of the pendulum, near knuckle, knuckle. The control system consists of a tension control unit and a position control unit. The control method comprises the following steps: 1, tendon displacement as the input of PID controller, namely delta X1; step 2: the position change of X1 tendon as the control input to the single finger; step 3: tendon tension joint torque will be looking into the desired, the tendon tension between the actual and dexterous hand feedback the difference, as the adaptive fuzzy PID controller input and output fuzzy adaptive PID controller for X2, as the control input to the single finger dexterous hand; step 4:x1 and X2 together, as the adjustment to control the amount of single finger dexterous hand. The invention can achieve real-time on-line control of single finger position and tendon tension and good robustness.

【技术实现步骤摘要】
肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法
本专利技术涉及肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法，属于机器人灵巧手

技术介绍
驱动器内置式多指灵巧手，广泛采用模块化的驱动内置的思想，结构复杂、体积庞大、制造困难，如小体积、大扭矩电机。为了应对内置式灵巧手可能带来的不便，目前越来越多的采用外置式的腱驱动方式。由于腱的机械特性、数量以及传输路径对于灵巧手的系统的性能有很大的影响。在n+1型腱驱动系统中，腱位移和关节位移之间存在着耦合关系，并且肌腱只能传递张力，每根肌腱耦合的关节大于1个，因此研究肌腱驱动型灵巧手相比于传统的齿轮驱动，控制器的设计非常复杂。现有的腱驱动型灵巧手大多工作在肌腱空间，通过独立的张力控制器驱动独立的关节运动，然而肌腱之间存在的动力学耦合，使得灵巧手动作时肌腱与关节之间存在短暂耦合，当然，如果控制器工作与关节空间，就可以解决肌腱和关节位置的耦合问题。另外，多指灵巧手在执行复杂任务的时候，通常要有一定的柔顺性，目前主动柔顺主要采用阻抗控制，阻抗控制的优点是结合力控制和位置控制，设计简单，可以实现精确的位置跟踪，但是很难达到精确的力跟踪。传统的方式具有以下缺点：一、肌腱之间存在的动力学耦合，使得灵巧手动作时肌腱与关节之间存在短暂耦合。二、阻抗控制的优点是结合力控制和位置控制，设计简单，可以实现精确的位置跟踪，但是很难达到精确的力跟踪。三、传统控制算法不够先进，鲁棒性差，位置控制的精确度不足。
技术实现思路
为了解决上述存在的问题，本专利技术公开了肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法，其具体技术方案如下：肌腱驱动型单指灵巧手，该单指灵巧手安装在机械手前臂末端，且前臂内安装有驱动器，该单指灵巧手包括底座、侧摆、近指节、中指节，所述底座固定在机械手前臂末端，侧摆、近指节、中指节均通过肌腱与驱动器连接，肌腱驱动型单指灵巧手的控制系统，包括张力控制单元和位置控制单元。所述的张力控制单元包括：角度控制器、位置解算器、PID控制器和单指灵巧手；通过位置解算器将角度控制器得到的关节位置转换为肌腱位置，经过PID控制器转化为驱动器位置的一部分，控制单指灵巧手移动；所述的位置控制单元包括：角度控制器、阻抗控制器、P-1转移矩阵和自适应模糊PID控制器；通过阻抗控制器和转移矩阵P-1将单指灵巧手的关节位置转换得到肌腱张力，经过自适应模糊PID控制器转换为驱动器位置的另一部分，控制单指灵巧手移动；所述位置解算器和PID控制器共同构成位置控制器，位置解算器采用数学建模的方法，将单指灵巧手实际的关节转角与期望的关节转角之间的误差转化为肌腱空间的位移变化，作为位置控制器的输入，即Δx1,2,3,4＝Δx(Δq1,2,3)。所述PID控制器，设计为：kp1,ki1,kd1分别为PID控制器的比例、积分、微分系数，x1是PID控制器的输出，将作为位移量的一部分输入到单指灵巧手。由于肌腱之间以及肌腱与关节存在耦合，在单指灵巧手的关节空间规划期望的关节力矩，并转化为对应的肌腱张力，期望的关节力矩τd与期望的关节转角和实际的关节转角之间的误差Δq成正比例关系，即：τd＝KΔq其中，K为正比例系数，期望的关节力矩经过转移矩阵P-1转化为期望的肌腱张力，由于肌腱只能传递张力，所以在保证肌腱不会松弛的同时，引入肌腱的内部张力t，t>0，保证肌腱张力的正定性，n个关节力矩与n+1个肌腱之间的关系可以表示为：P为4×4满秩矩阵，R为肌腱张力与关节力矩的转移矩阵，并且有τd＝Rfd，W是矩阵R的正交阵，fd由τd表示为：fd＝R-1τd+W-1t自适应模糊PID控制器的两个输入，分别为：Δf＝fd-fout其中，Δf代表肌腱张力偏差，fd代表期望的肌腱张力，fout代表实际的肌腱张力，Δf(1)表示Δf的一阶导数，自适应模糊PID控制器的输出为kp2,ki2,kd2。所述模糊控制器采用三角形隶属函数。肌腱驱动型单指灵巧手的控制方法，该控制方法为肌腱驱动的模糊控制方法，包括以下操作步骤：步骤1：首先将期望的关节转角输入到位置解算器，位置解算器将期望的关节转角与单指灵巧手反馈的实际关节转角之差转化为肌腱的位移，作为PID控制器的输入，即Δx1；步骤2：PID控制器将步骤1得到的位移进行调节，转化为肌腱的位置变化x1，把x1作为控制量输入到单指灵巧手；步骤3：阻抗控制器将期望的关节转角转化为关节力矩，经过转移矩阵P-1，将期望的关节力矩转化为期望的肌腱张力，其与单指灵巧手反馈的实际肌腱张力之间的差值，作为自适应模糊PID控制器的输入，自适应模糊PID控制器的输出为x2，作为控制量输入到单指灵巧手中；步骤4：步骤3的输出作为自适应模糊PID控制器的输入，实时根据肌腱张力的变化在线调节肌腱的位移量，并将步骤2得到的x1和步骤3得到的x2相加，作为调节单指灵巧手的控制量。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种基于模糊控制的力/位混合控制方法，实体模型参照ROBONAUT2仿人灵巧手。自适应模型PID控制方法通过在线调节控制器参数，达到实时在线控制单指灵巧手的位置以及肌腱张力，通过仿真表明：在同等外力干扰的情况下，提出的控制器方法相比PID控制器有更强的鲁棒性。现有的肌腱驱动型单指灵巧手系统，广泛采用对每根肌腱执行独立的张力控制器来实现力控制，然而肌腱与关节间存在耦合，导致控制器之间存在短暂耦合。在采用关节力矩到肌腱张力映射的方式的基础上，引入模糊控制，结合张力/位置混合控制方式，可以实现肌腱驱动单指灵巧手的主动柔顺控制，可使整个控制系统响应更为精准快速。本专利技术将传统单一的力控制和位置控制结合在一起，以肌腱张力控制器为基础，达到较为精确控制位置的同时，保证肌腱张力在一定的范围内，最大程度的保护肌腱。本专利技术力控制的实现在于肌腱驱动型灵巧手的系统中的肌腱之间存在耦合，所以采用在关节空间规划期望的关节力矩，并转化为肌腱张力的方式。自适应PID模糊控制的输出作为单指灵巧手的一部分输入。本专利技术位置控制环节采用数学建模的方法，将期望的关节转角与实际的关节转角之间的误差转化为肌腱空间的位移变化，作为位置控制器的输入。位置解算器用于将期望的关节转角与实际的关节转角之差转化为肌腱的位移，作为PID控制器的输入。本专利技术PID控制器的输出与自适应模糊PID控制器的输出之和作为单指灵巧手的位移量，输入到单指灵巧手，单指灵巧手通过MATLAB仿真控制算法，采用ADAMS模型来验证其进行柔顺运动。附图说明图1是肌腱驱动型单指灵巧手结构示意图，图2是自适应模糊PID控制器的控制过程图，图3是肌腱驱动型单指灵巧手的控制方法流程图，图4是本专利技术实例中肌腱张力比较图，图5是本专利技术实例中关节角度响应图，附图标记列表：1—底座，2—侧摆，3—近指节，4—中指节。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术。应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。图1是肌腱驱动型单指灵巧手结构示意图，图2是自适应模糊PID控制器的控制过程图，图3是肌腱驱动型单指灵巧手的控制方法流程图，图4是本专利技术实例中关节角度响应图，附图1标记部件名称依次：底座1，侧摆2，近指节3，中指节4。本专利技术所述肌腱驱动型单指灵巧手，该单指灵巧手安装在机械手前臂末端本文档来自技高网...

【技术保护点】
肌腱驱动型单指灵巧手，该单指灵巧手安装在机械手前臂末端，且前臂内安装有驱动器，其特征在于包括底座、侧摆、近指节、中指节，所述底座固定在机械手前臂末端，侧摆、近指节、中指节均通过肌腱与驱动器连接。

【技术特征摘要】
1.肌腱驱动型单指灵巧手，该单指灵巧手安装在机械手前臂末端，且前臂内安装有驱动器，其特征在于包括底座、侧摆、近指节、中指节，所述底座固定在机械手前臂末端，侧摆、近指节、中指节均通过肌腱与驱动器连接。2.肌腱驱动型单指灵巧手的控制系统，其特征在于包括张力控制单元和位置控制单元，所述的张力控制单元包括：角度控制器、位置解算器、PID控制器和单指灵巧手；通过位置解算器将角度控制器得到的关节位置转换为肌腱位置，经过PID控制器转化为驱动器位置的一部分，控制单指灵巧手移动；所述的位置控制单元包括：角度控制器、阻抗控制器、转移矩阵P-1和自适应模糊PID控制器；通过阻抗控制器和转移矩阵P-1将单指灵巧手的关节位置转换得到肌腱张力，经过自适应模糊PID控制器转换为驱动器位置的另一部分，协助控制单指灵巧手移动；所述位置解算器和PID控制器共同构成位置控制器，位置解算器采用数学建模的方法，将单指灵巧手实际的关节转角与期望的关节转角之间的误差转化为肌腱空间的位移变化，作为位置控制器的输入，即Δx1,2,3,4＝Δx(Δq1,2,3)。3.根据权利要求2所述的肌腱驱动型单指灵巧手的控制系统，其特征在于所述PID控制器，设计为：kp1,ki1,kd1分别为PID控制器的比例、积分、微分系数，x1是PID控制器的输出，将作为位移量的一部分输入到单指灵巧手。4.根据权利要求3所述的肌腱驱动型单指灵巧手的控制系统，其特征在于由于肌腱与关节之间存在耦合，在单指灵巧手的关节空间规划期望的关节力矩，并转化为对应的肌腱张力，期望的关节力矩τd与期望的关节转角和实际关节转角之间的误差Δq成正比例关系，即：τd＝KΔq其中，K为正比例系数，期望的关节力矩经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：王邢波，孟敏锐，葛胜，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32