[发明专利]基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制系统，其特征在于，包括气动肌肉柔性机器人、测量模块和控制模块；

所述机器人包括气体供应单元、压力输出测量单元、机器人本体和电源模块；其中，所述气体供应单元包括空气压缩机和气管，空气压缩机将设定气压的气体通过气管传输至气动肌肉；所述压力输出测量单元包括两个压力控制阀，分别安装于上、下臂的气动人工肌肉的进气管处，对上、下臂的气动人工肌肉进行气压控制；所述机器人本体包括机架、上臂和下臂，上臂和下臂的一侧由气动人工肌肉驱动，另一侧安装拉伸弹簧快速消除恢复时残余震荡；所述电源模块包括220V交流电模块和24V直流电源模块；

测量模块用于获取机器人关节的角度数据和气动肌肉的气压数据，将角度数据和气压数据输入最终动力学模型获取气动肌肉长度变化信息，作为反馈量信号实现机器人系统精确控制；所述最终动力学模型建立过程包括，基于几何结构建立角度转化长度模型，获得气动肌肉长度和气压的对应关系并结合上述角度转化长度模型，化简得到最终动力学模型；

所述测量模块包括数据采集模块和数据处理模块；所述数据采集模块包括编码器，分别在机器人上臂臂骨和下臂臂骨的旋转轴同轴配置编码器，将实时测量的关节角度差分脉冲信号采集至数据处理模块；所述数据处理模块包括接收器、测控平台和滤波器；所述接收器用于接收编码器的差分脉冲波形，测控平台用于将角度脉冲信号实时地转化为弧度数据，并经过滤波器进行滤波处理；

控制模块利用气动肌肉长度变化信息作为状态变量的反馈值，调节机器人的控制气压值和电压值；

所述控制模块包括精确建模系统、自动控制系统和运动控制评估系统；

所述精确建模系统将气动肌肉驱动的柔性机器人视作竖直平面的二连杆系统，对机器人上臂进行能量分析，计算下臂质心方程，推导出连接上臂的下臂动能、重力势能以及弹性势能，得到最终的拉格朗日函数；所述自动控制系统依赖所述精确建模系统与测量模块，在气动肌肉柔性机器人的基础上，计算每一时刻应输出的控制气压值，将该控制气压值传输至固高多轴控制板卡中，输出相应的控制电压，驱动柔性机器人完成精确跟踪、定位目标，同时实时获取系统状态变量的反馈值，将该反馈值输入运动控制评估系统；

所述运动控制评估系统以机器人手臂肌肉长度、机器人关节角度、肌肉驱动气压值为评价指标，对自动控制系统的参数进行调整，实现最优性能。

2.如权利要求1所述的机器人控制系统，其特征在于，所述数据处理模块包括角度转化长度模型，所述建立角度转化长度模型包括，获取关节角度与气动肌肉长度的几何约束关系以及气动肌肉长度和气压的对应关系；基于几何约束关系和对应关系将关节角度数据转化为气动肌肉长度变化信息。

3.如权利要求2所述的机器人控制系统，其特征在于，所述获取关节角度与气动肌肉长度的几何约束关系包括:

根据三角形余弦定理，计算得到上、下臂气动肌肉长度与机器人关节角之间的几何约束方程；

对气动肌肉的长度进行求导，建立肌肉长度-收缩力模型，随后建立收缩力、气压、长度的约束关系，代入动力学模型中，获得长度-气压的对应关系。