[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

说明书

技术领域

本发明涉及机器人控制技术，尤其是一种腱驱动机械手的操作控制方法和装置，特别是基于腱张力约束下腱驱动型多关节机械手、机械臂等操作机构的控制方法。

背景技术

机械手为模仿手/臂特定功能的一种自动机械，因此泛指机械臂、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的外部，可以减小机械手体积和重量，从而提高了机械手的灵巧性，同时也在驱动器选型方面给机构设计者提供了更多灵活性。

由于腱只可以传递张力，因此为了获得完全独立的自由度控制，必须要保证驱动器的数量多于自由度的个数。有多种腱配置方式，在配置合理的情况下，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。该腱配置方式简化了机构，但由于这种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。张力分配算法是确定一组腱张力的过程，目的是产生期望的一组关节力矩，同时解决驱动的冗余问题。该冗余可以生成张力的零空间，用来保证所有腱具有正张力。

目前已有的控制律根据是否使用腱张力反馈进行分类。无腱张力反馈的控制方法包括计算力矩法、其它能够预测或估计系统参数的智能方法，这些方法对于能够精确建模运动和力矩关系的系统是可行的，但机械手需要抓握或操作的是各种可能的物体，其接触表面特性差别很大，因此这些方法只能获得粗略的腱张力控制，经常产生更高的内张力，导致腱的磨损，增加摩擦力降低性能，因此这些方法难以实现精确的操作。采用张力反馈的腱空间控制器忽略腱的动力学，利用张力分配算法将期望的关节力矩转换为期望的腱张力，然后为每根腱使用独立的张力调节器。然而采用该种方式的控制器在手指动力学中引入了瞬态耦合，即某个关节的控制或扰动可能导致另一个关节的不期望的响应。

总之，相对于传统的齿轮传动，腱驱动机械手的设计难点在于设计合适的控制器使其能够按照期望的轨迹运动及期望的接触力抓取物体同时保证腱的张力保持在期望的范围之内。腱只能传递张力，而且有一定的延迟，此外，机构对腱的摩擦以及腱的其它未建模动力学等因素也都影响着腱驱动机械手操作控制算法的设计。现有的控制算法，仍不能完全满足腱驱动机械手有效控制接触力和接触位置同时保持腱张力处于合适的约束范围的要求。

发明内容

发明目的：本发明的目的：针对腱驱动机械手，提供一种力和位置控制方法和设备，该方法能够提高系统末端操作的位置和力控制性能，减小从自由空间到约束空间的冲击；同时通过约束腱张力，降低腱的磨损，提高其寿命，最终该方法能够有效的实现腱驱动机械手的操作控制，提高机械手的操作灵巧性和寿命。

本发明采用的技术方案：一种腱驱动机械手腱张力约束接触力位操作控制方法和装置，实现方法包括有如下步骤：

步骤1，由路径规划模块进行机械手单指自由空间中的关节角位置路径规划；由操作对象特性及其相对位置规划灵巧手单指运动期望的接触力；并且设定腱张力约束范围和接触力阈值；

步骤2，由接触力传感器测量得到的接触力值与接触力阈值比较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说明机械手位于自由空间，设置输出接触力偏差F_e为0；否则由比较器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。接触力控制模块根据偏差计算控制量，然后接触力到关节力矩转换模块根据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_d-θ_a。然后通过关节刚度比例模块将关节角位置误差转化为关节力矩。两个关节力矩求和，其结果进一步由张力分配模块计算得到期望腱张力。然后由比较器比较期望腱张力和实际腱张力的差别，根据这个偏差由张力控制模块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。

步骤1所述的机械手自由空间中的关节角位置路径规划可采用一般多关节机械臂的关节角位置路径规划方法进行，如抛物线过渡的线性插值方法等，得到期望的关节角轨迹，由路径规划模块实现。

步骤1中所述的接触力阈值由接触力传感器的噪声特性确定，高于该阈值说明接触物体。