一种欠驱动灵巧手传动系统状态感知系统技术方案

本发明专利技术提出了一种欠驱动灵巧手电气传动系统状态感知系统。本系统包括欠驱动灵巧手、信号采集模块、信号处理计算模块和系统运行状态判断模块。一般而言，传动系统由传动机构、执行机构和负载构成，其中任一部分发生异常或故障都可能导致整个系统无法正常工作。本发明专利技术基于欠驱动灵巧手的电机负载扰动模型和手指的动力学模型，导出欠驱动灵巧手电气传动系统的状态感知模型。通过检测和处理电机系统电气参数，得到特征参数值，结合状态感知模型可以快速准确的判断出传动系统的运行状态，从而提示操作者对系统进行即时管理。

A State Sensing System for Underactuated Smart Hand Drive System

The invention provides a state sensing system for an underactuated dexterous hand electric drive system. The system includes under-actuated dexterous hand, signal acquisition module, signal processing calculation module and system operation status judgment module. Generally speaking, the transmission system is composed of transmission mechanism, actuator and load. Any abnormal or malfunction of any part of the transmission system may cause the whole system to fail to work properly. Based on the motor load disturbance model and finger dynamic model of under-actuated dexterous hand, the state perception model of electric drive system of under-actuated dexterous hand is derived. By detecting and processing the electrical parameters of the motor system, the eigenvalues of the eigenvalues can be obtained. Combined with the state perception model, the running state of the transmission system can be quickly and accurately judged, thus prompting the operator to manage the system in real time.

【技术实现步骤摘要】
一种欠驱动灵巧手传动系统状态感知系统
本专利技术涉及电气传动系统感知模型，特别是一种欠驱动灵巧手传动系统状态感知系统利用电机系统参数感知欠驱动灵巧手传动系统运行状态，提供判断系统部件是否异常或故障的原理和依据。
技术介绍
欠驱动灵巧手作为机器人与外部环境相互作用的执行部件--机器人末端执行器，克服了传统工业机器人末端夹持器灵活性差、缺少感知能力和精确的力控制等缺点，可以实现对多种物体的灵巧操作和精确控制，适应抓取任意形状物体，完成各种复杂的细微操作任务。灵巧手结合视觉传感器和触觉传感器可以自主完成一些抓取工作，如在空间站物品搬运等，而对于在家庭或医院中为人服务的机器人而言，它的末端执行器除了能完成基本动作之外，还需要高的安全性和稳定性，以保证人类与机器人之间的互动可以顺利进行。传统一般以增加触觉、视觉及温度等传感器增强灵巧手与外界环境的感知功能，如HIT/DLRI手的每根手指上都配置有12个传感器，传感器的增多不利于减小灵巧手体积、降低成本和提高控制精度。第二种方式则以数据手套的形式提高灵巧手操作的可靠性。该方式限制了灵巧手的应用推广，也提高了系统的成本。本专利技术一种欠驱动灵巧手电气传动系统状态感知系统，通过分析运动系统正常工作时的电机系统参数，以及系统异常或故障时对电机系统电气参数的影响，即电机系统参数因为系统异常或故障而引起的变化，形成系统异常或故障时的电气参数特征，根据电气参数特征形成状态判别模型。通过检测和整合电机系统参数，结合该状态感知模型便可以获取电气传动系统运行状态信息，判断出运动系统是否发生异常或故障，以提示操作者及时对传动系统进行管理。利用电机系统参数感知欠驱动灵巧手传动系统的感知模型，结合电气参数可以简单、高效、准确地判断出传动系统的运行状态和健康状态，可提高系统运行的安全性，具有重要的学术价值和应用价值。目前尚没有相似技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对已有技术的不足，提出一种欠驱动灵巧手传动系统状态感知系统，通过此系统可以使得欠驱动灵巧手的运行状态和健康状态能够被实时和准确的检测，保障系统运行的稳定性和安全性。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种欠驱动灵巧手传动系统状态感知系统，包括欠驱动灵巧手，其特征在于：所述欠驱动灵巧手经一个信号采集模块和一个信号处理计算模块连接一个系统运行状态判断模块。欠驱动灵巧手以传动机构-齿轮、执行机构-键绳和负载构成电机的泛负载，每个部分的负载特性不同。系统运行状态判断模块，通过分析灵巧手传动系统正常工作时与各部件异常工作时电机电气参数特征的变化规律，导出传动系统正常工作或各部分异常或故障时的模型。在该模型中，k为齿轮传动比；x为齿轮断齿数；kx为腱绳弹性系数；ks为腱绳劳损系数；Cm为转矩常数；Ce为反电动势常数；Cf为粘滞系数；Iav为稳态电枢电流平均值；fm为脉动频率；A为脉动幅度。欠驱动灵巧手由1个手掌和5根欠驱动手指组成，各手指有4个指节、3个关节，其中拇指多一个向掌心弯曲的关节，共16个自由度。每个指尖上压力传感器，用于感知抓取物体的力度；电机转轴处装有电位计，用于检测电机的转角进而间接获得手指弯曲的位置信息。灵巧手要抓取物体时，电机正转经过齿轮箱后拉线牵引使手指弯曲；当要释放物体时，电机反转，手指背上的弹簧片将手指绷直。信号采集模块主要用于采集电机电枢电流信号ia、电压信号Ua和压力信号F。信号处理模块主要用于通过电流、电压信号获取电气参数特征值fm、Iav和A，并与系统正常时的特征值和A*做比较，得到可以用来感知系统状态的参数值Δfm、ΔIav和ΔA；通过该电气传动系统的传动模型其中ξ＝c/2mwn，m和c分别为惯性矩阵和哥氏及阻尼矩阵中的元素，Kx为物体刚度，K3为等效对角弹簧刚度矩阵中的元素，l'为接触点到远指节的距离，F(s)和Ia(s)为F和ia的复数形式，以ia作为输入计算出F*，并与F进行比较得到ΔF。系统运行状态判断模块包括传动系统正常工作模型、齿轮异常或故障模型、腱绳异常或故障模型、负载扰动模型，用于感知电气传动系统运行状态。上述的欠驱动灵巧手包括5根欠驱动手指、1个手掌、6个驱动电机、腱绳、滑轮、压力传感器、角度传感器、弹簧片和集成控制器组成。每根手指具有4个指节，分别为远指节、中指节、近指节和基指节；三个关节，分别为关节一、关节二和关节三，各手指端部指腹上安装有压力传感器，用于感知抓取物体的力度；手掌容下6个驱动电机和集成控制器，与手指及其传动系统形成一体化结构。所述驱动电机为永磁直流减速电机，输出轴端有齿轮箱作为减速机构以输出更大的转矩，并且其中5个通过分别拉动腱绳控制手指的弯曲，与弹簧片配合控制手指的恢复，另外一个控制大拇指向掌心弯曲。所述腱绳一端固定在手指指端，另一端固定在滑轮上，而滑轮与电机输出轴固定在一起。所述角度传感器安装于电机转轴处，用于检测电机的转角进而间接获得手指弯曲的位置信息。上述信号采集模块包括电流采集单元、电压采集单元和压力采集单元，用于完成对电流信号ia、电压信号Ua和压力信号的采集F。上述信号处理模块包括稳态电流平均值计算单元、稳态电流脉动幅度计算单元；稳态电流脉动频率获取单元、基于电流信号的压力值计算单元和特征参数值比较单元。所述稳态电流平均值计算单元、稳态电流脉动幅度计算单元和稳态电流脉动频率获取单元以电流信号ia、电压信号Ua以及系统固定参数为输入，分别通过模型以及FFT分析得到特征参数值Iav、A和fm，其中fm是ia经FFT分析后电流频谱峰值对应的频率，系统固定参数为Ce、Cm、Cf、k、kx；所述基于电流信号的压力值计算单元以ia为输入经过上述模型G(s)后计算出压力值F*。所述特征参数值比较单元将当前获取的特征参数值fm、Iav、A和F*与电气传动系统正常工作时的电气特征参数A*和F进行比较，得到相对正常工作时的特征参数变化量Δfm、ΔIav、ΔA和ΔF。上述的系统运行状态判断模块包括传动系统正常工作模型、齿轮异常或故障模型、腱绳异常或故障模型、负载扰动模型；通过观察Δfm、ΔIav、ΔA和ΔF的变化，感知电气传动系统运行状态。所述传动系统正常工作模型为：Δfm＝0，ΔIav＝0，ΔA＝0，ΔF＝0；当电气传动系统正常工作以及传感器无异常时，电气特征参数fm、Iav、A以及F*基本没有变化。由ΔF＝0可知，ia与F之间可以相互验证，形成冗余信息，提高系统运行的可靠性。所述齿轮异常或故障模型为：Δfm>0，ΔIav<0,ΔA>0。当手指抓住物体时，运动系统处于力矩闭环控制模式。正常情况下，电机的输出转矩与负载转矩基本一致。若齿轮发生断齿，故障的齿轮每啮合一次，负载转矩TL中便会出现一个负脉冲冲击。若以1代表系统正常工作时负载，以0代表空载，负载转矩TL则可以由脉冲波表征，脉动的频率取决于齿轮的传动比k和断齿的齿数x，fm和A增大。由于齿轮故障时负载转矩相对系统正常工作时变小，又电枢电流与电磁转矩成线性关系，因此Iav减小。所述腱绳异常或故障模型为：ΔIav<0,Δfm<0,ΔA≈0。电机通过齿轮后拉动键绳使手指弯曲进行物体抓取，物体与手指之间会有一对作用力与反作用力，腱绳松弛或皮损会造成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种欠驱动灵巧手电气传动系统状态感知系统，包括欠驱动灵巧手(1)，其特征在于，所示欠驱动灵巧手(1)经一个信号采集模块(2)和信号处理计算模块(3)连接一个系统运行状态判断模块(4)；所述欠驱动灵巧手(1)以传动机构‑齿轮、执行机构‑键绳和负载构成电机的泛负载，每个部分的负载特性不同；所述系统运行状态判断模块(4)，通过分析灵巧手传动系统正常工作时与各部件异常工作时电机电气参数特征的变化规律，导出传动系统正常工作或各部分异常或故障时的模型；在该模型中，k为齿轮传动比；x为齿轮断齿数；kx为腱绳弹性系数；ks为腱绳劳损系数；Cm为转矩常数；Ce为反电动势常数；Cf为粘滞系数；Iav为稳态电枢电流平均值；fm为脉动频率；A为脉动幅度；所述欠驱动灵巧手(1)，由1个手掌和5根欠驱动手指组成，各手指有4个指节、3个关节，其中拇指多一个向掌心弯曲的关节，共16个自由度；手掌用于固定手指、电机和控制器；每个指尖上贴有压力传感器，用于感知抓取物体的力度；电机转轴处装有电位计，用于检测电机的转角进而间接获得手指弯曲的位置信息；灵巧手要抓取物体时，电机正转经过齿轮箱后拉线牵引使手指弯曲；当要释放物体时，电机反转，手指背上的弹簧片将手指绷直；所述信号采集模块(2)主要用于采集电机电枢电流信号ia、电压信号Ua和压力信号F；所述信号处理模块(3)主要用于对电流、电压信号进行处理从而获取电气参数特征值fm、Iav和A，并与系统正常时的特征值...

【技术特征摘要】
1.一种欠驱动灵巧手电气传动系统状态感知系统，包括欠驱动灵巧手(1)，其特征在于，所示欠驱动灵巧手(1)经一个信号采集模块(2)和信号处理计算模块(3)连接一个系统运行状态判断模块(4)；所述欠驱动灵巧手(1)以传动机构-齿轮、执行机构-键绳和负载构成电机的泛负载，每个部分的负载特性不同；所述系统运行状态判断模块(4)，通过分析灵巧手传动系统正常工作时与各部件异常工作时电机电气参数特征的变化规律，导出传动系统正常工作或各部分异常或故障时的模型；在该模型中，k为齿轮传动比；x为齿轮断齿数；kx为腱绳弹性系数；ks为腱绳劳损系数；Cm为转矩常数；Ce为反电动势常数；Cf为粘滞系数；Iav为稳态电枢电流平均值；fm为脉动频率；A为脉动幅度；所述欠驱动灵巧手(1)，由1个手掌和5根欠驱动手指组成，各手指有4个指节、3个关节，其中拇指多一个向掌心弯曲的关节，共16个自由度；手掌用于固定手指、电机和控制器；每个指尖上贴有压力传感器，用于感知抓取物体的力度；电机转轴处装有电位计，用于检测电机的转角进而间接获得手指弯曲的位置信息；灵巧手要抓取物体时，电机正转经过齿轮箱后拉线牵引使手指弯曲；当要释放物体时，电机反转，手指背上的弹簧片将手指绷直；所述信号采集模块(2)主要用于采集电机电枢电流信号ia、电压信号Ua和压力信号F；所述信号处理模块(3)主要用于对电流、电压信号进行处理从而获取电气参数特征值fm、Iav和A，并与系统正常时的特征值和A*做比较，得到可以用来感知系统状态的参数值Δfm、ΔIav和ΔA；通过该传动系统的传动模型其中ξ＝c/2mwn，m和c分别为惯性矩阵和哥氏及阻尼矩阵中的元素，Kx为物体刚度，K3为等效对角弹簧刚度矩阵中的元素，l'为接触点到远指节的距离，F(s)和Ia(s)为F和ia的复数形式，以ia作为输入计算出F*，并与F进行比较得到ΔF；所述系统运行状态判断模块(4)包括传动系统正常工作模型、齿轮异常或故障模型、键绳异常或故障模型、负载扰动模型，用于感知传动系统运行状态。2.如权利要求1所述的欠驱动灵巧手传动系统状态感知系统，其特征在于：所述欠驱动灵巧手(1)包括5根欠驱动手指(11)、1个手掌(12)、6个驱动电机(13)、键绳(14)、滑轮(15)、压力传感器(16)、角度传感器(17)、弹簧片(18)和集成控制器(19)，手指(11)具有4个指节，分别为远指节(111)、中指节(112)、近指节(113)和基指节(114)；三个关节，分别为关节一(115)、关节二(116)和关节三(117)，各手指端部指腹上安装有压力传感器(16)，用于感知抓取物体的力度；手掌(12)容下6个驱动电机(13)和集成控制器(19)，与手指及其传动系统形成一体化结构；所述驱动电机(13)为永磁直流减速电机，输出轴端有齿轮箱作为减速机构以输出更大的转矩，并且其中5个分别通过拉动键绳(14)控制手指的弯曲，与弹簧片(18)配合控制手指的恢复，另外一个控制大拇指向掌心弯曲；所述键绳(14)一端固定在手指指端，另一端固定在滑轮(15)上，而滑轮(15)与电机输出轴固定在一起；所述角度传感器(17)安装于电机转轴处，用于检测电机的转角进而间接获得手指弯曲的位置信息。3.如权利要求1所述的欠驱动灵巧手传动系统状态感知系统，其特征在于：所述信号采集模块(2)包括电流采集单元(21)、电压采集单元(22)和压力采集单元(23)，用于完成对灵巧手驱动电机电流信...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐国卿，张平，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31