[发明专利]腱驱动机械手腱张力约束末端力位操作控制方法和装置

权利要求书

1.一种腱驱动机械手腱张力约束末端力位操作控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，规划机械手单指自由空间中的关节角位置路径，规划灵巧手单指运动期望的接触力；设定腱张力约束范围和接触力阈值；

步骤2，测量接触力值并将其与接触力阈值比较，以确定灵巧手和物体之间的接触状态；

若接触力值小于接触力阈值，则机械手位于自由空间，设置输出接触力偏差F_e为0；

否则，比较期望指尖接触力和实际指尖接触力传感器所测接触力之间的差别得到约束空间接触力偏差F_e；

根据偏差计算控制量并结合当前期望关节角位置将其转换为关节力矩；期望的关节角位置θ_d与手指的实际关节角位置θ_a进行比较得到关节角位置误差θ_e＝θ_r－θ_d；

将所述关节角位置误差转化为关节力矩；两个关节力矩求和，其结果进一步计算得到期望腱张力；

比较期望腱张力和实际腱张力的偏差，根据这个偏差并基于合适的控制律把张力的偏差转化为位置的偏差，输入到腱驱动器进行控制。

2.根据权利要求1所述的腱驱动机械手腱张力约束末端力位操作控制方法，其特征在于：步骤1中，机械手单指自由空间中的关节角位置路径规划采用多关节机械臂的关节角位置路径规划方法进行，得到期望的关节角轨迹。

3.根据权利要求1所述的腱驱动机械手腱张力约束末端力位操作控制方法，其特征在于：步骤1中，所述接触力阈值由接触力传感器的噪声特性确定，若接触力值大于所述接触力阈值，则说明灵巧手接触物体。

4.根据权利要求1所述的腱驱动机械手腱张力约束末端力位操作控制方法，其特征在于：步骤2中，关节角位置偏差通过关节刚度比例模块、接触力偏差通过接触力控制模块、接触力到关节力矩转换模块转换为关节力矩后求和，并且通过能够实现张力约束的张力分配算法转化为腱张力期望值，接触力到关节力矩转换模块由正运动学计算的雅克比矩阵实现。

5.根据权利要求1所述的腱驱动机械手腱张力约束末端力位操作控制方法，其特征在于：步骤2中，将两关节力矩求和值转换为腱空间的力，考虑腱张力约束以保证腱张力处于一个根据实际需求设定的最小和最大正值之间；其中，最小值保证腱绳处于张紧状态，最大值由实际中采用腱绳的材质的张力限制决定，保护腱绳不被拉断和减小磨损。

6.根据权利要求1所述的腱驱动机械手腱张力约束末端力位操作控制方法，其特征在于：步骤2中，将腱张力偏差转换为位置偏差，输入到腱驱动器，拉动腱绳实现期望运动。

7.实现权利要求1至6任一项所述的一种腱驱动机械手力和位置控制方法的装置，其特征在于，包括：

控制器，所述控制器包括路径规划模块、关节刚度比例模块、张力分配模块、接触力到关节力矩转换模块、接触力控制模块和张力控制模块；

以及腱驱动器、腱张力传感器、腱绳、腱驱动机械手单指机构，设置于指尖的指尖接触力传感器，和固定在腱驱动机械手机构各个关节上的关节角位置传感器；

所述控制器接收来自关节角位置传感器、腱张力传感器和指尖接触力传感器的信息，然后控制器按照预置的步骤运行，通过操作处理把张力控制模块的输出作为腱位置偏差输入到腱驱动器；

所述腱驱动器包括无刷直流电机和把旋转运动转换为直线运动的滚珠丝杠组件，根据输入的位置偏差驱动腱绳拉伸，驱动机械手单指机构相应运动，实现所需的位置和力的调整。