CN107825449A

CN107825449A - 肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法

Info

Publication number: CN107825449A
Application number: CN201711234132.0A
Authority: CN
Inventors: 王邢波; 孟敏锐; 葛胜
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2018-03-23

Abstract

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，该单指灵巧手包括底座、侧摆、近指节、中指节。该控制系统包括张力控制单元和位置控制单元。该控制方法，包括步骤1：肌腱的位移作为PID控制器的输入，即Δx1；步骤2：肌腱的位置变化x1作为控制量输入到单指灵巧手；步骤3：将期望的关节力矩转化为期望的肌腱张力，其与灵巧手反馈的实际肌腱张力之间的差值，作为自适应模糊PID控制器的输入，自适应模糊PID控制器的输出为x2，作为控制量输入到单指灵巧手中；步骤4：x1和x2相加，作为调节单指灵巧手的控制量。本发明达到实时在线控制单指灵巧手的位置以及肌腱张力、鲁棒性好。

Description

肌腱驱动型单指灵巧手及其控制系统和控制方法

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

其中，Δf代表肌腱张力偏差，f_d代表期望的肌腱张力，f_out代表实际的肌腱张力，Δf⁽¹⁾表示Δf的一阶导数，自适应模糊PID控制器的输出为k_p2,k_i2,k_d2。

所述模糊控制器采用三角形隶属函数。

肌腱驱动型单指灵巧手的控制方法，该控制方法为肌腱驱动的模糊控制方法，包括以下操作步骤：

步骤1：首先将期望的关节转角输入到位置解算器，位置解算器将期望的关节转角与单指灵巧手反馈的实际关节转角之差转化为肌腱的位移，作为PID控制器的输入，即Δx1；

步骤2：PID控制器将步骤1得到的位移进行调节，转化为肌腱的位置变化x1，把x1作为控制量输入到单指灵巧手；

步骤3：阻抗控制器将期望的关节转角转化为关节力矩，经过转移矩阵P^-1，将期望的关节力矩转化为期望的肌腱张力，其与单指灵巧手反馈的实际肌腱张力之间的差值，作为自适应模糊PID控制器的输入，自适应模糊PID控制器的输出为x2，作为控制量输入到单指灵巧手中；

步骤4：步骤3的输出作为自适应模糊PID控制器的输入，实时根据肌腱张力的变化在线调节肌腱的位移量，并将步骤2得到的x1和步骤3得到的x2相加，作为调节单指灵巧手的控制量。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于模糊控制的力/位混合控制方法，实体模型参照ROBONAUT2仿人灵巧手。自适应模型PID控制方法通过在线调节控制器参数，达到实时在线控制单指灵巧手的位置以及肌腱张力，通过仿真表明：在同等外力干扰的情况下，提出的控制器方法相比PID控制器有更强的鲁棒性。

现有的肌腱驱动型单指灵巧手系统，广泛采用对每根肌腱执行独立的张力控制器来实现力控制，然而肌腱与关节间存在耦合，导致控制器之间存在短暂耦合。在采用关节力矩到肌腱张力映射的方式的基础上，引入模糊控制，结合张力/位置混合控制方式，可以实现肌腱驱动单指灵巧手的主动柔顺控制，可使整个控制系统响应更为精准快速。

本发明将传统单一的力控制和位置控制结合在一起，以肌腱张力控制器为基础，达到较为精确控制位置的同时，保证肌腱张力在一定的范围内，最大程度的保护肌腱。

本发明力控制的实现在于肌腱驱动型灵巧手的系统中的肌腱之间存在耦合，所以采用在关节空间规划期望的关节力矩，并转化为肌腱张力的方式。自适应PID模糊控制的输出作为单指灵巧手的一部分输入。

本发明位置控制环节采用数学建模的方法，将期望的关节转角与实际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。位置解算器用于将期望的关节转角与实际的关节转角之差转化为肌腱的位移，作为PID控制器的输入。

本发明PID控制器的输出与自适应模糊PID控制器的输出之和作为单指灵巧手的位移量，输入到单指灵巧手，单指灵巧手通过MATLAB仿真控制算法，采用ADAMS模型来验证其进行柔顺运动。

附图说明

图1是肌腱驱动型单指灵巧手结构示意图，

图2是自适应模糊PID控制器的控制过程图，

图3是肌腱驱动型单指灵巧手的控制方法流程图，

图4是本发明实例中肌腱张力比较图，

图5是本发明实例中关节角度响应图，

附图标记列表：1—底座，2—侧摆，3—近指节，4—中指节。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是肌腱驱动型单指灵巧手结构示意图，图2是自适应模糊PID控制器的控制过程图，图3是肌腱驱动型单指灵巧手的控制方法流程图，图4是本发明实例中关节角度响应图，附图1标记部件名称依次：底座1，侧摆2，近指节3，中指节4。

本发明所述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，如图1所示，x₁,x₂,x₃,x₄分别为作用于肌腱的肌腱张力，τ1,τ2,τ3分别为侧摆关节、近指节和中指节的关节力矩。

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)。

位置解算器采用数学建模的方法，将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。为了尽可能改善位置控制的调节时间，减少超调量，进一步提高系统响应的稳定性，并引入PID控制器。

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反馈到单指灵巧手。

由于肌腱与关节之间存在耦合，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关节转角Δq之间的误差成正比例关系，即：

τ_d＝KΔq

n个关节力矩与n+1个肌腱之间的关系可以表示为：

f_d可以由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

其中，Δf代表肌腱张力偏差，f_d为期望的肌腱张力，f_out表示实际的肌腱张力，Δf⁽¹⁾表示Δf的一阶导数，自适应模糊PID控制器的输出为k_p2,k_i2,k_d2，定义模糊论域：

Δf,Δf⁽¹⁾＝(-3,-2,-1,0,1,2,3)

k_p2,k_i2,k_d2＝(0,20,40,60,80,100,120)

模糊集为：

Δf,Δf⁽¹⁾,k_p2,k_i2,k_d2＝(NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB)。

自适应模糊PID控制器包括模糊化接口、推理机、解模糊化接口、知识库，其中知识库包含数据库和规则库。

自适应模糊PID控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出的求解，因此模糊化接口是自适应模糊PID控制器的输入接口，将确定输入量转化为模糊矢量。知识库包含数据库和规则库，其中数据库内包含了输入输出变量的所有模糊子集的隶属度函数，规则库包含了模糊推理用到的关系语言，例如：IF A AND B THEN C.推理机根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分，在模糊控制中，考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。模糊矢量不能直接作为控制量，因此解模糊接口将推理机产生的模拟矢量转换为确定的控制量输出。模糊控制系统的关键是选择合适的隶属度函数，利用合适的推理方法得出结论。如图2所示为自适应模糊PID控制器的控制过程图。

所述自适应模糊PID控制器采用三角形隶属函数。模糊控制的隶属函数有很多种，因为三角形隶属函数只和直线的斜率有关，操作简单，占用内存空间小，所以自适应模糊PID控制器采用三角形隶属函数。

规则库是自适应模糊PID控制器设计中比较重要，根据人工经验以及推理得到如下的规则库：

T1：当单指灵巧手启动或者停止的时候，此时关节旋转的加速度最大，为了尽可能快速的到达工作区域附近，加快响应速度，可以提高k_p2；此时积分效果可以忽略，所有k_i2越小约好；与此同时，为了减小调节时间，此时的微分效果适中，即k_d2适中。

T2：当单指灵巧手到达共工作区域附近时，此时的单指灵巧手移动的速度基本保持不变，此时可以减小k_p2，减小响应速度，等待接触；为消除稳态误差，控制超调，适当增加k_i2的大小；k_d2保持适中；

T3：当单指灵巧手与为物体接触时，考虑到在一定范围内不可拉长，保护肌腱，并且实现单指灵巧手与物体的柔性接触，保持k_p2适中，提高控制精度，减小调节时间，此时容易引起超调，所以减小k_i2，消除稳态误差；避免单指灵巧手接触物体时的振荡现象，提高单指灵巧手的抗干扰能力，k_d2显得尤为重要，在具体操作时，观察单指灵巧手各关节的运动情况，进行负方向调节。

表1为自适应模糊PID控制器参数k_p2的模糊规则表，其他参数未在本文列出。上述用于肌腱驱动型灵巧手的自适应模糊PID控制器，能够减少关节角度响应的超调量，调节减小接触力调节时间，同时减小了对控制器的干预，保证控制过程中的稳定性以及柔顺性。仿真结果表明该方法能够有效的约束肌腱张力，通过结合接触力的控制，提高了张力跟踪和接触力控制性能，从而减轻机械手接触物体时的冲击。

表1为自适应模糊PID控制器参数k_p2的模糊规则表

如图3所示，肌腱驱动型单指灵巧手的控制方法，该控制方法为肌腱驱动的模糊控制方法，包括以下操作步骤：

当单指灵巧手与物体接触时，PID控制器的输出与自适应模糊PID控制器的输出之和作为单指灵巧手的位移量，控制单指灵巧手柔顺运动。通过在MATLAB建立控制模型，模拟单指灵巧手运动，如图3所示，其中，q_d,Δq,τ_d,q_out都是三维列向量，f_d,x1,Δx,x2,f_out是四维列向量，q_d,q_out分别为期望的关节转角和实际关节转角，Δq表示期望的关节转角与实际关节转角之差，作为位置结算期的输入。Δx是位置解算器的输出，同时作为PID控制器的输入，达到位置控制的目的，输出为x1。τ_d,f_d,f_out分别是期望的关节力矩、肌腱张力和实际的肌腱张力，f_d和f_out的差作为自适应模糊控制的输入，实现张力控制的效果，输出为x2。x2表示柔顺控制得出的位移量，经过MATLAB建立的单指灵巧手模型，模拟柔顺控制的效果。图4显示肌腱张力误差，图中可以看出经过自适应模糊PID控制器的调节作用之后，误差已经控制在40以内，超调量明显降低。系统给定阶跃输入之后，单指灵巧手关节输出关节角度曲线图如图5所示，基本可以很好的跟踪给定路径，达到稳定控制的效果。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.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，其特征在于包括底座、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。

2.肌腱驱动型单指灵巧手的控制系统，其特征在于包括张力控制单元和位置控制单元，

所述的位置控制单元包括：角度控制器、阻抗控制器、转移矩阵P^-1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，协助控制单指灵巧手移动；

3.根据权利要求2所述的肌腱驱动型单指灵巧手的控制系统，其特征在于所述PID控制器，设计为：

<mrow> <mi>x</mi> <mn>1</mn> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mi>&Delta;</mi> <mi>x</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>&Integral;</mo> <mi>&Delta;</mi> <mi>x</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&Delta;</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

4.根据权利要求3所述的肌腱驱动型单指灵巧手的控制系统，其特征在于由于肌腱与关节之间存在耦合，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关节转角之间的误差Δq成正比例关系，即：

τ_d＝KΔq

n个关节力矩与n+1个肌腱之间的关系可以表示为：

f_d由表示为：

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

<mrow> <msup> <mi>&Delta;f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&Delta;</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

5.根据权利要求4所述的肌腱驱动型单指灵巧手的控制系统，其特征在于所述自适应模糊PID控制器采用三角形隶属函数。

6.肌腱驱动型单指灵巧手的控制方法，该控制方法为肌腱驱动的模糊控制方法，其特征在于包括以下操作步骤：

步骤4：所述的张力控制单元和位置控制单元，将实时根据肌腱张力的变化在线调节肌腱的位移量，并将步骤2得到的x1和步骤3得到的x2相加，作为调节单指灵巧手的控制量。