一种腱驱动机械手张力约束末端操作控制方法技术

本发明专利技术公开了一种腱驱动机械手张力约束末端操作控制方法，包括步骤为：机械手单指指尖参数设置、计算指尖接触力误差、计算期望指尖笛卡尔空间位置、计算关节角位置误差、计算最佳期望关节力矩、计算期望腱张力、计算腱张力偏差、然后将腱张力偏差转化为腱位置偏差，接着，张力控制模块把腱位置偏差输送给腱驱动器，腱驱动器控制腱绳的拉伸。本发明专利技术响应速度快，关节角测量值与期望值之间的偏差能够消除，从而能够有效提高系统末端操作的力和位置控制的精度，减小机械手接触物体时的冲击，通过约束腱张力，降低腱的磨损，提高其寿命，最终能够有效地实现腱驱动机械手的操作控制，提高机械手的灵巧性和寿命。

A tension constrained end operation control method for a tendon driven manipulator

The invention discloses a tendon driven manipulator end constraint tension control method comprises the following steps: the manipulator single fingertip parameter setting, the calculation error of the contact force, the calculation of expected fingertips fingertips in Cartesian space position, calculate the joint angular position error, calculates the optimal joint torque, the calculation of expected expected tendon tension, tendon tension deviation calculation, then the tendon tension deviation into tendon position deviation, then the tension control module to tendon position deviation delivered to the tendon drive, stretching tendon tendon rope drive control. The present invention has fast response speed, joint angle measurements and the deviation between the expected value can be eliminated, which can effectively improve the system operation at the end of the force and position control accuracy, reduce the mechanical hand contact with objects of the impact through the constraint of tendon tension, reduce tendon wear, improve its service life, operation control can effectively achieve the final tendon driven manipulator, improve manipulator dexterity and life.

【技术实现步骤摘要】
一种腱驱动机械手张力约束末端操作控制方法
本专利技术涉及腱驱动机械手控制领域，特别是一种腱驱动机械手张力约束末端操作控制方法。
技术介绍
机械手是模仿人类的手、臂特定功能的一种自动机械，泛指机械臂、末端执行器、灵巧手手指等多关节多连杆操作机构。腱驱动型机械手是利用腱绳进行传动的机械手，允许驱动器放置于机械手结构体外部，可以减小机械手的体积和重量，从而提高了机械手的灵巧性，同时也在驱动器选型方面为机构设计者提供了更多的灵活性。由于腱只能传递张力，因此为了实现机械手自由度的完全独立控制，必须保证驱动器的数量多于自由度的数量。通过合理配置，N+1型腱能够独立控制N个自由度，同时保证腱具有正张力(拉力)。该腱配置方式简化了机构，但由于该方式在减少腱绳数量的同时引入了关节位置和腱绳的耦合问题，因此控制器的设计非常复杂。在装配应用中机械手需要与非结构环境物理接触，因此机械手的力矩控制能力非常重要。研究者们提出多种控制策略来解决耦合腱驱动机械手的力矩控制问题。这些控制策略由张力分配算法和控制律两部分组成，其中张力分配算法是确定一组腱张力的过程，目的是产生一组期望的关节力矩，同时解决驱动的冗余问题。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种腱驱动机械手张力约束末端操作阻抗控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，机械手单指指尖参数设置：设定机械手单指运动的期望指尖接触力Fd和期望指尖笛卡尔位置Xd；同时，预先设定期望腱张力f的取值范围[fmin，fmax]；其中，fmin为保证腱绳始终处于绷紧状态时的最小腱张力，fmax为保护腱绳不超过负荷时的最大腱张力；步骤2，计算指尖接触力误差Fe：指尖接触力误差Fe的计算公式为：Fe＝Fd‑Fa   (1)式中，Fa为指尖接触力传感器测量到的指尖接触力值，也即实测指尖接触力值；步骤3，计算期望指尖笛卡尔空间位置Xr，具体计算方法如下：步骤31，计算笛卡尔空间位置补偿值Xf：阻抗控制模...

【技术特征摘要】
1.一种腱驱动机械手张力约束末端操作阻抗控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，机械手单指指尖参数设置：设定机械手单指运动的期望指尖接触力Fd和期望指尖笛卡尔位置Xd；同时，预先设定期望腱张力f的取值范围[fmin，fmax]；其中，fmin为保证腱绳始终处于绷紧状态时的最小腱张力，fmax为保护腱绳不超过负荷时的最大腱张力；步骤2，计算指尖接触力误差Fe：指尖接触力误差Fe的计算公式为：Fe＝Fd-Fa(1)式中，Fa为指尖接触力传感器测量到的指尖接触力值，也即实测指尖接触力值；步骤3，计算期望指尖笛卡尔空间位置Xr，具体计算方法如下：步骤31，计算笛卡尔空间位置补偿值Xf：阻抗控制模块采用如下公式将指尖接触力误差Fe转换为笛卡尔空间位置补偿值Xf；式中，Md、Bd、Kd分别为阻抗控制模块中的阻抗控制器处于临界阻尼或过阻尼状态时的目标惯性矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；s为复变量；步骤32，计算期望指尖笛卡尔空间位置Xr：对期望指尖笛卡尔位置Xd进行补偿与计算，得到期望指尖笛卡尔空间位置Xr，具体计算公式为：Xr＝Xd+Xf(3)步骤4，计算关节角位置误差θe，具体计算方法如下：步骤41，计算期望关节角位置θr，具体包括如下步骤：步骤411，逆运动学解算模块转换：将步骤3计算的期望指尖笛卡尔空间位置Xr，通过逆运动学解算模块转换为期望关节角位置θr；其中，期望指尖笛卡尔空间位置Xr在手指基坐标系中的笛卡尔位置坐标为(xT,yT,zT)，逆运动学解算模块按照如下公式(4)进行转换；式中，L1、L2、L3、L4分别表示手指中基关节、近指节、中指节和远指节的长度；θ1、θ2、θ3、θ4分别为侧摆关节角、基关节角、中关节角和顶关节角；si＝sinθi，ci＝cosθi，sij＝sin(θi+θj)，cij＝cos(θi+θj)，sijk＝sin(θi+θj+θk)，cijk＝cos(θi+θj+θk)；步骤412，计算θ1：由公式(4)，能直接计算出θ1；步骤413，计算θ3和θ4：顶关节通过四连杆机构与中关节相连，根据四连杆机构原理，以及如下公式(8)和(10)，并利用非线性函数数值解法求解出θ3和θ4；假设顶关节与中关节相连的四连杆机构的四个角点分别为ABCD，其中，A点表示中关节，D点表示顶关节，B点为近指节上的一个固定点，C点为远指节上的一个固定点；则公式(8)和(10)中，lm表示四连杆机构中AD长度，也即中指节长度；lg表示四连杆机构中BC长度；r1表示四连杆机构中AB长度；r2表示四连杆机构中CD长度；l表示四连杆机构中BD长度；步骤414，计算θ2：根据求出的θ3和θ4，再利用公式(4)求解θ2；步骤42，计算关节角位置误差θe：关节角位置误差θe按如下公式(11)计算；θe＝θr-θa(11)式中，θa为四个关节角位置传感器分别测量得到的侧摆关节角、基关节角、中关节角和顶关节角；步骤5，计算最佳期望关节力矩τ：最佳期望关节力矩τ的计算方法如下：步骤51，计算期望关节力矩τd：采用雅克比矩阵J，实现期望指尖接触力Fd到期望关节力矩τd的转换，该期望关节力矩τd能使手指指尖接触物体且保持静态平衡；期望关节力矩τd的计算公式如下：τd＝JTFd(12)其中，雅克比矩阵J的计算公式如下：

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