CN109713946B - 一种模块化触觉感知控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种模块化触觉感知控制装置及方法，装置包括触觉信息采集模块、主控制器模块、多路电机驱动模块、多个电机和多个机械传动机构；触觉信息采集模块用于采集接触力信息，实现接触力检测和识别的功能。主控制器模块用与完成电机的方波控制、电流闭环控制、速度闭环控制、接触力阻抗变换闭环控制、接收信息采集模块的信息反馈、运算以及控制信号的发送。多路电机驱动模块用于接收主控制器模块发送的电机控制信号，直接对电机进行运动控制。本发明方法利用触觉信息采集模块反馈的实时接触力信号和给定力信号做偏差，再经过阻抗变换后形成速度闭环反馈控制信息，同时将速度偏差与其进行叠加，再进行速度闭环调节，最后可精确的完成力控制。

Description

一种模块化触觉感知控制装置及方法

技术领域

本发明属于感知与控制技术领域，涉及一种模块化触觉感知控制装置及方法。

背景技术

随着我国生产力水平和人民生活水平的不断提高，机器人技术在工业领域和服务领域都得到了广泛应用，为了让机器人来完成各种复杂和精细的任务，基于触觉感知的机器人控制技术已是感知与控制领域研究的重要内容。之前，基于触觉感知的控制技术在许多领域已有所应用，例如，美国科研人员在内窥镜手术的导管顶部安装触觉传感器，可检测疾病组织的刚度，根据组织柔软度施加合适的力度，保证手术操作的安全；德国KUKA公司开发了带有触觉的机器臂LBRiiwa并将其商业化，第一个实现了实际应用的人机协同和触觉机器人精确组装的系统；德国菲劳恩霍夫制造技术和应用材料研究院的马库斯-梅瓦尔研制出新型触觉系统的章鱼水下机器人，可精确地感知障碍物状况，可以自动完成海底环境的勘测工作；新松机械臂应用了触觉传感器，赋予机器人触觉实现装配、喷漆、检测等工作。但是以上的应用都是在专用领域做的技术开发，并不具有普适性。此外，在之前的应用中，控制系统的可扩展性不强，因此，接收的触觉信息数量有限，感知的范围和能力也都受到限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种模块化触觉感知控制装置及方法，装置具有很好的扩展性，提高触觉感知的范围和能力，使其应用具有普适性。

本发明提供一种模块化触觉感知控制装置，包括：触觉信息采集模块、主控制器模块、多路电机驱动模块、多个电机和多个机械传动机构；

所述触觉信息采集模块，包括多个触觉传感器，每个触觉传感器用于采集对应的机械传动机构输出实时接触力信号；

所述多路电机驱动模块，包括多个功率驱动器，用于根据主控制器模块输出的PWM控制信号和电机正反转控制信号，实现对多个电机的驱动；

所述电机接收相应功率驱动器输出的控制信号，并通过相应的机械传动机构实现对负载的运动控制；

所述电机设有编码器模块，用于反馈实时速度信号；所述多路电机驱动模块，还包括多个编码器接口模块，编码器接口模块用于接收相应的编码器模块所反馈的实时速度信号；

所述主控制器模块，用于接收实时接触力信号、实时速度信号和功率驱动器输出的实时电流信号，实现对电机的120°方波控制、电流闭环控制、速度闭环控制以及接触力阻抗变换闭环控制。

在本发明的模块化触觉感知控制装置中，所述触觉传感器用于采集三维空间的全力信息，并转换为电压变化信号，再通过数字变换后形成数字信号发送给主控制器模块。

在本发明的模块化触觉感知控制装置中，所述主控制器模块包括：数字解耦器、阻抗变换电路、速度控制器、电流控制器和电流采样滤波电路；

所述数字解耦器，用于将触觉传感器发送的数字信号转换成实时接触力信号；实时接触力信号和接触力阻抗变换闭环控制的给定力信号做差值运算获得力偏差信号；

所述阻抗变换电路，用于对力偏差信号做阻抗变换，获得速度偏移值；

给定速度和实时速度信号作差值运算获得速度偏差信号，速度偏差信号和速度偏移值做叠加运算后形成速度闭环控制的给定值输入到速度控制器；

所述速度控制器用于对速度闭环控制的给定值进行调节，形成的信号作为电流闭环控制的电流给定值；

所述电流采样滤波电路，用于采集功率驱动器输出的实时电流信号；

所述电流控制器，用于将实时电流信号和电流给定值做差运算所得的电流偏差转换成PWM控制信号，并输出给功率驱动器。

在本发明的模块化触觉感知控制装置中，所述主控制器模块还包括CAN总线接口模块，通过CAN总线接口模块可实现多个模块化触觉感知控制装置的通信。

在本发明的模块化触觉感知控制装置中，所述触觉信息采集模块和主控制器模块都设有SPI总线接口，通过SPI总线实现高速、实时通讯。

在本发明的模块化触觉感知控制装置中，所述控制装置还包括电源模块，用于向触觉信息采集模块、主控制器模块和多路电机驱动模块供电；电源模块包括24V直流电源模块、24V转15V电源模块、15V转5V电源模块和5V转3.3V电源模块。

在本发明的模块化触觉感知控制装置中，所述主控制器模块采用STM32微控制器。

本发明提供一种模块化触觉感知控制方法，所述方法包括：

采集时接触力信号、电机的实时速度信号和实时电流信号；

对电机进行电流闭环控制、速度闭环控制、接触力阻抗变换闭环控制和120°方波换向控制，以实现对电机所驱动的负载的运动控制。

在本发明的模块化触觉感知控制方法中，所述闭环控制具体为：

接触力阻抗变换闭环控制：采集实时接触力信号，实时接触力信号和给定力信号做差值运算获得力偏差信号，力偏差信号做阻抗变换获得速度偏移值，速度偏移值作为第一叠加信号输入到主控制回路；

速度闭环控制：采集实时速度信号，实时速度信号和速度给定值做差运算获得速度偏差信号，速度偏差信号作为第二叠加信号输入到主控制回路；速度偏移值和速度偏差信号做叠加运算后进行速度调控，以获得电流闭环控制的电流给定值；

电流闭环控制：采集实时电流信号，对实时电流信号和电流给定值做差运算所得的电流偏差值进行调控，获得PWM控制信号对电机进行控制。

本发明的一种模块化触觉感知控制装置及方法至少具有以下有益效果：

1、一种模块化触觉感知控制装置内部系统结构可按模块进行划分，各个模块执行不同的功能，便于本发明在后期的功能升级，同时，模块化的结构设计便于后期的维护和维修，只需更换若干部件就可解决系统故障，节约成本。

2、一种模块化触觉感知控制装置本身也是一个功能模块，采用模块化的设计结构，提高了该装置的可扩展性，使其他产品的功能开发更加方便、快捷，极大地缩短了产品开发周期。

3、主控制器模块是基于高性能微控制器STM32设计的，与DSP和FPGA等微控制器相比成本较低。此外，主控制器对无刷直流电机的驱动程序采用120°方波控制，与电机矢量控制相比，运算量很低，程序结构也相对简单，在进行电机多轴控制时，具有很强的优越性和实用性。

4、本发明提供了一种新的力控制方法，基于触觉感知与速度环阻抗变换的力控制，利用接触力的数据信息，经过阻抗变换后形成速度闭环反馈控制信息，同时将上层控制单元给定的速度设定与其进行叠加，再进行速度闭环调节，最后可精确的完成力控制。

附图说明

图1是本发明的一种模块化触觉感知控制装置的结构框图；

图2是本发明的一种模块化触觉感知控制方法的三环路闭环控制的框图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。应当理解实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种模块化触觉感知控制装置，包括：触觉信息采集模块1、主控制器模块2、多路电机驱动模块3、多个电机5和多个机械传动机构6。

所述触觉信息采集模块1，包括多个触觉传感器，每个触觉传感器用于采集对应的机械传动机构6输出实时接触力信号。实现接触力的实时检测和识别功能。在一个触觉传感器不能满足实际需求时，可进行多路扩展，并将采集的信息反馈给主控制器模块2。所述多路电机驱动模块3，包括多个功率驱动器，用于根据主控制器模块2输出的PWM控制信号和电机正反转控制信号，实现对多个电机5的驱动。所述电机5接收相应功率驱动器输出的控制信号，并通过相应的机械传动机构6实现对负载的运动控制。所述电机5设有编码器模块，用于反馈实时速度信号；所述多路电机驱动模块3，还包括多个编码器接口模块，编码器接口模块用于接收相应的编码器模块所反馈的实时速度信号，并发送给主控制器模块2。所述主控制器模块2，用于接收实时接触力信号、实时速度信号和功率驱动器输出的实时电流信号，实现对电机5的120°方波控制、电流闭环控制、速度闭环控制以及接触力阻抗变换闭环控制。

具体实施时，所述主控制器模块2采用STM32系列微控制器作为主控制芯片。主要用来完成无刷直流电机的换相、运动控制和各种反馈信息的采集、处理工作。与此同时，还具有其他各模块的多路接口，用于实现扩展功能。其中，换相控制是采用的120°方波控制。电机的运动控制主要是三环路闭环控制，包括：电流闭环控制、速度闭环控制和接触力阻抗变换闭环控制。

所述触觉传感器用于采集三维空间的全力信息，并转换为电压变化信号，再通过数字变换后形成数字信号发送给主控制器模块2。

所述主控制器模块2包括：数字解耦器、阻抗变换电路、速度控制器、电流控制器和电流采样滤波电路。所述数字解耦器，用于将触觉传感器发送的数字信号转换成实时接触力信号；实时接触力信号和接触力阻抗变换闭环控制的给定力信号做差值运算获得力偏差信号。所述阻抗变换电路，用于对力偏差信号做阻抗变换，获得速度偏移值。给定速度和实时速度信号作差值运算获得速度偏差信号，速度偏差信号和速度偏移值做叠加运算后形成速度闭环控制的给定值输入到速度控制器。所述速度控制器用于对速度闭环控制的给定值进行调节，形成的信号作为电流闭环控制的电流给定值。所述电流采样滤波电路，用于采集功率驱动器输出的实时电流信号。所述电流控制器，用于将实时电流信号和电流给定值做差运算所得的电流偏差转换成PWM控制信号，并输出给功率驱动器。

其中，电流采样滤波电路采用一阶数字低通滤波法，具体控制算法公式如下：

y_k＝K×x_k+(1+K)×y_k-1 (1)

其中，R是一阶低通滤波器的电阻值，C是一阶低通滤波器的电阻值，T₁是采样周期，y_k-1是上一时刻的输出，y_k是本时刻的输出，k表示时刻。

电流控制器采用积分分离的PID控制算法，电流闭环控制算法公式如下：

其中，β为采样开关系数，ε为阈值，error(k)为电流偏差，T₂是电流PID控制的运算周期，K_p、K_i、K_d分别为比例环节、积分环节和微分环节的参数。

速度控制器采用变速积分PID控制算法，速度闭环控制算法公式如下：

Error(k)为速度偏差信号，A，B为设定的界值，T₃是速度PID控制的运算周期。

系统建模求取PID算法的参数：基于相位裕度整定的PI控制。

该方法是基于对数频率特性曲线分析的一种方法，整定的思想就是获得斜率较抖、增益高的低频段，来使系统的稳定精度高；中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，并且中频带要尽可能宽，并且在穿越频率处有较大的相位裕度，从而使系统的稳定性好；在高频段，幅相频率特性曲线衰减快，以使系统获得较强的抗干扰能力。

具体实施时，所述主控制器模块2还包括CAN总线接口模块，通过CAN总线接口模块可实现多个模块化触觉感知控制装置的通信。

具体实施时，所述触觉信息采集模块1和主控制器模块2都设有SPI总线接口，通过SPI总线实现高速、实时通讯。以实现控制装置的模块化扩展功能。

具体实施时，所述控制装置还包括电源模块4，用于向触觉信息采集模块1、主控制器模块2和多路电机驱动模块3供电。

在电源供电方面，主控制器模块2采用的STM32F407，所以需要3.3V供电；触觉信息采集模块1需要5V供电；该控制系统的操作负载机械手安装的额定电压为24V的无刷直流电机，所以多路电机驱动模块3需要24V供电。因此，电源模块包括：24V直流电源模块、24V转15V电源模块、15V转5V电源模块和5V转3.3V电源模块。

本发明还提供一种模块化触觉感知控制方法，图2为控制方法的三环路闭环控制的框图，所述方法包括：

采集时接触力信号、电机的实时速度信号和实时电流信号；

对电机进行三环路闭环控制和120°方波换向控制，以实现对电机所驱动的负载的运动控制；

三环路闭环控制包括电流闭环控制、速度闭环控制和接触力阻抗变换闭环控制。

其中，120°方波换向控制与电机矢量控制相比，运算量很低，程序结构也相对简单，在用一个主控制器模块2进行电机多轴控制时，120°方波换向控制具有很强的优越性和实用性。电流闭环控制可使电机有平稳转矩输出。速度闭环控制可对电机转速进行调节。

所述三环路闭环控制具体为：

接触力阻抗变换闭环控制：采集实时接触力信号，实时接触力信号和给定力信号做差值运算获得力偏差信号，力偏差信号做阻抗变换获得速度偏移值，速度偏移值作为第一叠加信号输入到主控制回路；

速度闭环控制：采集实时速度信号，实时速度信号和速度给定值做差运算获得速度偏差信号，速度偏差信号作为第二叠加信号输入到主控制回路；速度偏移值和速度偏差信号做叠加运算后进行速度调控，以获得电流闭环控制的电流给定值；

电流闭环控制：采集实时电流信号，对实时电流信号和电流给定值做差运算所得的电流偏差值进行调控，获得PWM控制信号对电机进行控制。

本发明的系统设计和控制方法合理，可以在许多场合下进行应用，具有较强的普适性。本发明的系统设计中自带两路无刷电机驱动模块和两路触觉传感器接口，在不需要一些模块或接口的场景应用下，可以屏蔽相应的功能模块和接口；在相应的模块或接口不够用的情况下，可进行控制装置的模块化扩展，以提高运动控制的能力和触觉感知的范围和能力，使其普适性更强。此外，本发明的方法利用触觉信息采集模块反馈的实时接触力信号和给定力信号做偏差，再经过阻抗变换后形成速度闭环反馈控制信息，同时将速度偏差与其进行叠加，再进行速度闭环调节，最后可精确的完成力控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化触觉感知控制装置，其特征在于，包括：触觉信息采集模块、主控制器模块、多路电机驱动模块、多个电机和多个机械传动机构；

所述触觉信息采集模块，包括多个触觉传感器，每个触觉传感器用于采集对应的机械传动机构输出实时接触力信号；

所述多路电机驱动模块，包括多个功率驱动器，用于根据主控制器模块输出的PWM控制信号和电机正反转控制信号，实现对多个电机的驱动；

所述电机接收相应功率驱动器输出的控制信号，并通过相应的机械传动机构实现对负载的运动控制；

所述电机设有编码器模块，用于反馈实时速度信号；所述多路电机驱动模块，还包括多个编码器接口模块，编码器接口模块用于接收相应的编码器模块所反馈的实时速度信号；

所述主控制器模块，用于接收实时接触力信号、实时速度信号和功率驱动器输出的实时电流信号，实现对电机的120°方波控制、电流闭环控制、速度闭环控制以及接触力阻抗变换闭环控制；

所述触觉传感器用于采集三维空间的全力信息，并转换为电压变化信号，再通过数字变换后形成数字信号发送给主控制器模块；

所述主控制器模块包括：数字解耦器、阻抗变换电路、速度控制器、电流控制器和电流采样滤波电路；

所述数字解耦器，用于将触觉传感器发送的数字信号转换成实时接触力信号；实时接触力信号和接触力阻抗变换闭环控制的给定力信号做差值运算获得力偏差信号；

所述阻抗变换电路，用于对力偏差信号做阻抗变换，获得速度偏移值；

给定速度和实时速度信号作差值运算获得速度偏差信号，速度偏差信号和速度偏移值做叠加运算后形成速度闭环控制的给定值输入到速度控制器；

所述速度控制器用于对速度闭环控制的给定值进行调节，形成的信号作为电流闭环控制的电流给定值；

所述电流采样滤波电路，用于采集功率驱动器输出的实时电流信号；

所述电流控制器，用于将实时电流信号和电流给定值做差运算所得的电流偏差转换成PWM控制信号，并输出给功率驱动器。

2.如权利要求1所述的模块化触觉感知控制装置，其特征在于，所述主控制器模块还包括CAN总线接口模块，通过CAN总线接口模块可实现多个模块化触觉感知控制装置的通信。

3.如权利要求1所述的模块化触觉感知控制装置，其特征在于，所述触觉信息采集模块和主控制器模块都设有SPI总线接口，通过SPI总线实现高速、实时通讯。

4.如权利要求1所述的模块化触觉感知控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括电源模块，用于向触觉信息采集模块、主控制器模块和多路电机驱动模块供电；电源模块包括24V直流电源模块、24V转15V电源模块、15V转5V电源模块和5V转3.3V电源模块。

5.如权利要求1所述的模块化触觉感知控制装置，其特征在于，所述主控制器模块采用STM32微控制器。

6.一种模块化触觉感知控制方法，其特征在于，所述方法包括：

采集时接触力信号、电机的实时速度信号和实时电流信号；

对电机进行电流闭环控制、速度闭环控制、接触力阻抗变换闭环控制和120°方波换向控制，以实现对电机所驱动的负载的运动控制；

所述闭环控制具体为：

接触力阻抗变换闭环控制：采集实时接触力信号，实时接触力信号和给定力信号做差值运算获得力偏差信号，力偏差信号做阻抗变换获得速度偏移值，速度偏移值作为第一叠加信号输入到主控制回路；

速度闭环控制：采集实时速度信号，实时速度信号和速度给定值做差运算获得速度偏差信号，速度偏差信号作为第二叠加信号输入到主控制回路；速度偏移值和速度偏差信号做叠加运算后进行速度调控，以获得电流闭环控制的电流给定值；

电流闭环控制：采集实时电流信号，对实时电流信号和电流给定值做差运算所得的电流偏差值进行调控，获得PWM控制信号对电机进行控制。

Images