[发明专利]肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法，属于机器人灵巧手技术领域。

背景技术

驱动器内置式多指灵巧手，广泛采用模块化的驱动内置的思想，结构复杂、体积庞大、制造困难，如小体积、大扭矩电机。为了应对内置式灵巧手可能带来的不便，目前越来越多的采用外置式的腱驱动方式。由于腱的机械特性、数量以及传输路径对于灵巧手的系统的性能有很大的影响。在n+1型腱驱动系统中，腱位移和关节位移之间存在着耦合关系，并且肌腱只能传递张力，每根肌腱耦合的关节大于1个，因此研究肌腱驱动型灵巧手相比于传统的齿轮驱动，控制器的设计非常复杂。

现有的腱驱动型灵巧手大多工作在肌腱空间，通过独立的张力控制器驱动独立的关节运动，然而肌腱之间存在的动力学耦合，使得灵巧手动作时肌腱与关节之间存在短暂耦合，当然，如果控制器工作与关节空间，就可以解决肌腱和关节位置的耦合问题。另外，多指灵巧手在执行复杂任务的时候，通常要有一定的柔顺性，目前主动柔顺主要采用阻抗控制，阻抗控制的优点是结合力控制和位置控制，设计简单，可以实现精确的位置跟踪，但是很难达到精确的力跟踪。

传统的方式具有以下缺点：

一、肌腱之间存在的动力学耦合，使得灵巧手动作时肌腱与关节之间存在短暂耦合。

二、阻抗控制的优点是结合力控制和位置控制，设计简单，可以实现精确的位置跟踪，但是很难达到精确的力跟踪。

三、传统控制算法不够先进，鲁棒性差，位置控制的精确度不足。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法，其具体技术方案如下：

肌腱驱动型单指灵巧手，该单指灵巧手安装在机械手前臂末端，且前臂内安装有驱动器，该单指灵巧手包括底座、侧摆、近指节、中指节，所述底座固定在机械手前臂末端，侧摆、近指节、中指节均通过肌腱与驱动器连接，

肌腱驱动型单指灵巧手的控制系统，包括张力控制单元和位置控制单元。

所述的张力控制单元包括：角度控制器、位置解算器、PID控制器和单指灵巧手；通过位置解算器将角度控制器得到的关节位置转换为肌腱位置，经过PID控制器转化为驱动器位置的一部分，控制单指灵巧手移动；

所述的位置控制单元包括：角度控制器、阻抗控制器、P^-1转移矩阵和自适应模糊PID控制器；通过阻抗控制器和转移矩阵P^-1将单指灵巧手的关节位置转换得到肌腱张力，经过自适应模糊PID控制器转换为驱动器位置的另一部分，控制单指灵巧手移动；

所述位置解算器和PID控制器共同构成位置控制器，位置解算器采用数学建模的方法，将单指灵巧手实际的关节转角与期望的关节转角之间的误差转化为肌腱空间的位移变化，作为位置控制器的输入，即Δx_1,2,3,4＝Δx(Δq_1,2,3)。

所述PID控制器，设计为：

k_p1,k_i1,k_d1分别为PID控制器的比例、积分、微分系数，x1是PID控制器的输出，将作为位移量的一部分输入到单指灵巧手。

由于肌腱之间以及肌腱与关节存在耦合，在单指灵巧手的关节空间规划期望的关节力矩，并转化为对应的肌腱张力，期望的关节力矩τ_d与期望的关节转角和实际的关节转角之间的误差Δq成正比例关系，即：

τ_d＝KΔq

其中，K为正比例系数，期望的关节力矩经过转移矩阵P^-1转化为期望的肌腱张力，由于肌腱只能传递张力，所以在保证肌腱不会松弛的同时，引入肌腱的内部张力t，t>0，保证肌腱张力的正定性，

n个关节力矩与n+1个肌腱之间的关系可以表示为：

P为4×4满秩矩阵，R为肌腱张力与关节力矩的转移矩阵，并且有τ_d＝Rf_d，W是矩阵R的正交阵，

f_d由τ_d表示为：

f_d＝R^-1τ_d+W^-1t

自适应模糊PID控制器的两个输入，分别为：

Δf＝f_d-f_out