一种六自由度咀嚼机器人的控制系统技术方案

一种六自由度咀嚼机器人的控制系统，所要解决的问题为，传统的点到点的3次多项式插值所需力矩大，所需设备体积较大的问题。由于机器人机械加工精度的因素,每个咀嚼机器人都存在个体差异和六个驱动杆对称性,很难得到一致的PID控制参数的问题。其采用以下方案：步骤1：规划咀嚼机器人的各分支杆的运动轨迹，通过切牙点的位置和位姿求出各驱动杆的伸缩，过路径点的3次多项式插值方法求出各驱动杆期望位置和速度；步骤2：根据各分支杆的运动轨迹对机器人的咀嚼过程进行控制，咀嚼过程包括张开、闭合、咬合三个阶段；在张开和闭合两个阶段，使用模糊控制，咬合阶段采用模糊PID控制。

【技术实现步骤摘要】
一种六自由度咀嚼机器人的控制系统
本专利基于对正常状态下成年人咀嚼运动中咀嚼肌、颞下颌关节、韧带及参与咀嚼运动相关组织结构进行生理特征研究分析，设计一种咀嚼机器人的控制方法及系统，属于机器人领域。具体设计涉及基于Cortex-M3控制器的机器人控制系统。
技术介绍
口腔生物材料和新型食品开发需要对颗粒度、质地、咀嚼性等方面进行评估。目前，对食物或材料的评估主要采用感官评价法和仪器评价法，感官评价法主要依赖品尝专家的主观评估，过程费时费力，评价结果主观性强、而且不稳定；常用的仪器评价法是简单的机械压缩试验，多属于半经验或模拟测定，评价结果与人类感知相差较大，而且不能对多种质地特性做出准确表达，故不能反映真实的咀嚼过程。随着食品工业的快速发展和人们对食品品质要求的日益提高，食品质地评价显得越来越重要，市场上急需快速、客观、准确、类人的食品质地评价方法。咀嚼机器人是一类可以模拟人类咀嚼行为的机器人，它可以真实的复现人类的咀嚼动作并采集分析咀嚼的信息,包括咀嚼力、位移、速度等内容。咀嚼机器人研究是集机构学、运动学、动力学、感知系统、实时控制、食品科学、生物力学及机械电子学于一体的工程科学。咀嚼系统的机器人化可为上述工作提供一种科学的手段。为了使咀嚼机器人运动轨迹平滑，需要对驱动杆的位置进行规划时，驱动杆运动位置的插值多采用3次多项式插值，它需要力矩大，力矩过大，同等减速条件下所要求匹配的电机功率就越大，电机功率越大，电机尺寸跟着增大，价格也可能增加，安装电机所需要的空间增大，增大机器人的体积。力矩过大，同等力臂条件下导致受力过大，需要增加驱动杆及机构整体的强度，提高设计成本。过路径点的3次多项式插值在同样起始点位置和同样的目标位置的情况下，比点到点的3次多项式插值所需力矩小。目前对多自由度机器人控制多采用4轴或6轴驱控一体机如ADT-QC600。或者采用ARM7及DSP等高速处理芯片该类芯片设计机器人系统要求在一个控制周期内完成数据的采集，处理，控制电机同指令的输出。同时需要将采集到的数据上传到上位机，过重的负荷影响到了机器人控制系统的可靠性及实时性并且成本较高。传统的PID控制器结构简单、实现简单、控制效果良好,所以在咀嚼机器人中广泛应用。但由于机器人机械加工精度问题,每个机器人都存在个体差异,很难得到一致的PID控制参数。针对传统PID控制器的特点,将摸糊控制技术引入到PID参数自整定过程中,根据不同情况在线自整定PID参数。通过和传统的PID控制器比较,模糊自适应PID控制器具有具有灵活性好,控制适应性强,动态、静态性能好等优点。模糊控制无需建立精确的数学模型,具有较强的鲁棒性,咀嚼机器人的咬合运动，不同阶段采用不同的控制，张开闭合阶段采用模糊控制，响应更快，咬合阶段采用模糊自适应PID控制，使轨迹更精确，适应性更强，更能满足咀嚼机器人的要求。针对上述问题对咀嚼机器人的控制系统设计采用性价比高STM32F103芯片分为主从分工协作，完成对下颌处压力传感器信号采集AD转换传输任务的同时控制6轴电机完成机器人动作。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：1、传统的点到点的3次多项式插值所需力矩大，所需设备体积较大。2、由于机器人机械加工精度问题,每个咀嚼机器人都存在个体差异和六个驱动杆对称性,很难得到一致的PID控制参数的问题。为了解决上述技术问题,本专利技术才有以下技术方案：一种六自由度咀嚼机器人的控制系统，其包括以下步骤：步骤1：规划咀嚼机器人的各分支杆的运动轨迹，通过切牙点的位置和位姿求出各驱动杆的伸缩，过路径点的3次多项式插值方法求出各驱动杆期望位置和速度；步骤2：根据各分支杆的运动轨迹对机器人的咀嚼过程进行控制，咀嚼过程包括张开、闭合、咬合三个阶段；咬合阶段采用模糊PID控制。在张开和闭合两个阶段，使用模糊控制，通过电机光编码器求解电机在张开闭合时的转速，在张开和闭合两个阶段，使用模糊控制，根据预设的张开闭合的电机的速度值，判断无刷直流电机转子转速，电机转子转速达到预设位置后，执行张开和闭合动作；咬合阶段采用模糊PID控制：以驱动杆给定位置和实际位置的偏差作为输入，利用PID控制器的参数当前值，经过运算产生位置环的速度输出。位置环的速度输出和前馈通道的速度输出，经过叠加后作为总的输出，用作电机的速度给定。上述技术方案中，所述过路径点的3次多项式插值方法如下：在t0时刻的运动速度为在tf时刻的运动速度为于是可以得到机器人驱动杆运动的边界条件：q(0)＝q0，q(tf)＝qf(1)令驱动杆的位置为：q(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3(3)对其求一阶导数得到驱动杆速度：将式(1)和式(2)代入式(3)和式(4)，可以求解出系数a0～a3得到过路径点的三次多项式插值的期望位置表达式(5)和速度表达式(6)：上述技术方案中，PID控制器的参数当前值是PID控制器的参数以设定值为主分量，以模糊控制器产生的△Kp,△Ki和△Kd参数修正值为次要分量，两者相加构成的，△Kp比例参数变化量·△Ki微分参数变化量、△Kd积分参数变化量。与现有咀嚼机器人相比，本咀嚼机器人的显著优点是：(1)力矩大，同等减速条件下所要求匹配的电机功率就越大，电机功率越大，电机尺寸跟着增大，价格也可能增加，安装电机所需要的空间增大，增大机器人的体积。在同样起始点位置和同样的目标位置的情况下，过路径点的3次多项式插值比点到点的3次多项式插值所需力矩小。(2)不同阶段采用不同控制方法，张开闭合阶段采用模糊控制，速度更快，由于机器人机械加工精度问题,每个咀嚼机器人都存在个体差异和六个驱动杆对称性,很难得到一致的PID控制参数，另外位置变化会导致机器人本体重心的变化，从而使被控对象的参数发生变化，所以应该根据对象参数的变化调整PID控制器的参数。咬合阶段采用模糊自适应PID控制，将摸糊控制技术引入到PID参数自整定过程中,根据不同情况在线自整定PID参数，既保证了系统控制的动态效果,在偏差较大时控制速度较快,采用模糊控制提高控制的快速性,又保证了较好的稳态性能。在设定值附近,采用PID控制算法可以有效地克服系统不稳定因素,使系统控制在稳定中趋于精确,弥补了以前单一的控制算法的缺陷。附图说明图1表示咀嚼机器人控制系统硬件；图2表示系统框图；图3表示上位机控制界面；图4表示一个驱动杆实际伸缩量曲线图5表示模糊PID控制系统原理图；图6表示位置环变参数模糊PID控制器框图；图7表示电机速度控制图；图8表示无刷直流电机调速系统控制框图。具体实施方式以下，基于附图对本专利技术的实施方式进行详细说明：本专利技术目的在于专利技术一种仿真人类咀嚼动作以研究食品力学性能的咀嚼机器人控制系统。人类咀嚼运动是二十多块咀嚼肌在收缩受到诸多非确定因素如食物的形状尺寸和韧脆程度的影响，咀嚼肌在神经控制下产生收缩，为下颌运动提供源动力。基于人类咀嚼肌解剖学得知，参与人类咀嚼运动的翼肌包括翼内肌和翼外肌，颞肌由前、中、后三束肌肉组成，咬肌由深层咬肌和浅层咬肌构成，因此本专利利用力学原理的平行四边形法则对主要参与咀嚼运动的翼肌、颞肌和咬肌进行力的合成，确定合成后翼肌、颞肌和咬肌在咀嚼运动过程中咀嚼力的方向、咀嚼肌附着点及咀嚼运动中力的大小，建立参与咀嚼运动中咀嚼肌的三维模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种六自由度咀嚼机器人的控制系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：规划咀嚼机器人的各分支杆的运动轨迹，通过切牙点的位置和位姿求出各驱动杆的伸缩，过路径点的3次多项式插值方法求出各驱动杆期望位置和速度；步骤2：根据各分支杆的运动轨迹对机器人的咀嚼过程进行控制，咀嚼过程包括张开、闭合、咬合三个阶段；在张开和闭合两个阶段，使用模糊控制，通过电机光编码器求解电机在张开闭合时的转速，在张开和闭合两个阶段，使用模糊控制，根据预设的张开闭合的电机的速度值，判断无刷直流电机转子转速，电机转子转速达到预设位置后，执行张开和闭合动作；咬合阶段采用模糊PID控制：以驱动杆给定位置和实际位置的偏差作为输入，利用PID控制器的参数当前值，经过运算产生位置环的速度输出，位置环的速度输出和前馈通道的速度输出，经过叠加后作为总的输出，用作电机的速度给定。

【技术特征摘要】
1.一种六自由度咀嚼机器人的控制系统，包括步骤：步骤1：规划咀嚼机器人的各分支杆的运动轨迹，通过切牙点的位置和位姿求出各驱动杆的伸缩，过路径点的3次多项式插值方法求出各驱动杆期望位置和速度，其特征在于，还包括以下步骤：步骤2：根据各分支杆的运动轨迹对机器人的咀嚼过程进行控制，咀嚼过程包括张开、闭合、咬合三个阶段；在张开和闭合两个阶段，使用模糊控制，通过电机光编码器求解电机在张开闭合时的转速，在张开和闭合两个阶段，使用模糊控制，根据预设的张开闭合的电机的速度值，判断无刷直流电机转子转速，电机转子转速达到预设位置后，执行张开和闭合动作；咬合阶段采用模糊PID控制：以驱动杆给定位置和实际位置的偏差作为输入，利用PID控制器的参数当前值，经过运算产生位置环的速度输出，位置环的速度输出和前馈通道的速度输出，经过叠加后作为总的输出，用作电机的速度给定。...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐尚龙，杨丽丽，汤文杰，李悦，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51