CN111098323B - 一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手，包括手掌主体以及安装在手掌主体上的四根单指和一根大拇指；每根单指均包括近指节、中指节、远指节和驱动机构，所述驱动机构包括用于驱动指节弯曲的第一腱绳、用于指节复位的第二腱绳、第一电机和第二电机，所述第一电机与第二电机安装在手掌主体内，大拇指不包括中指节，其他结构与每根单指相同；所述拉力传感器、编码器均与控制器连接。本发明提供了一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手及其控制方法，实现灵巧手力和位移混合控制，该灵巧手外部没有任何裸露的传感器，所有传感器都集成在手掌内部，进一步提高了灵巧手的防护等级和稳定性能。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手及其控制方法。
背景技术
随着工业的发展，工业机器人在近几十年蓬勃发展，工业机械手作为一种新兴的末端执行器得到了广泛的研究。传统的机器人末端执行器灵活性差，只能对特定的物体进行抓取或操作，如吸盘、焊枪等。仿生灵巧手的形态与人手接近，操作灵巧度高，是传统的机械夹持器无法媲美的，可用其替代人类再危险的工作环境中从事较为复杂的作业，节省人力资源，保证人身安全。但由于其结构复杂，造价昂贵，市面上还没有可以被广泛地运用到生产线中的仿生灵巧手。仿生灵巧手在抓取不规则物件时，由于其运动自由度多，相较于其他二指三指的夹持器表现出明显的优势。
目前所研发与生产的五指灵巧手大多配有多种传感器，因此整只手的防护等级IP值较为低，容易受到损伤。
发明内容
为了克服现有五指灵巧手存在结构复杂与造价昂贵的缺陷，本发明提供了一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手及其控制方法，实现灵巧手力和位移混合控制，该灵巧手外部没有任何裸露的传感器，所有传感器都集成在手掌内部，进一步提高了灵巧手的防护等级和稳定性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手，包括手掌主体以及安装在手掌主体上的四根单指和一根大拇指；
每根单指均包括近指节、中指节、远指节和驱动机构，近指节与中指节之间、中指节与远指节之间均铰接，所述中指节与近指节两者的手心手背两侧分别设有第一腱鞘和第二腱鞘，所述驱动机构包括用于驱动指节弯曲的第一腱绳、用于指节复位的第二腱绳、第一电机和第二电机，所述第一电机与第二电机安装在手掌主体内，所述第一腱绳的一端与远指节连接，所述第一腱绳的另一端依次穿过中指节的第一腱鞘、近指节的第一腱鞘，伸入到手掌主体腔体内与第一电机的电机轴连接，在第一腱绳上还设有拉力传感器，拉力传感器设置在手掌主体腔体内；所述第二腱绳的一端与远指节连接，所述第二腱绳的另一端依次穿过中指节的第二腱鞘、近指节的第二腱鞘，伸入到手掌主体腔体内与第二电机的电机轴连接，第二电机上还设有用于测量第二电机的角位移以及转速的编码器；
大拇指不包括中指节，其他结构与每根单指相同；所述拉力传感器、编码器均与控制器连接。
进一步，所述四根单指和一根大拇指外均设有硅胶指套。
再进一步，相邻两个指节之间以及近指节与手掌主体之间均通过铰链铰接，并在铰链的左右两端过盈装配有卡簧。
一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手的控制方法，包括以下步骤：
在灵巧手接触物体之前，通过视觉系统进行手眼标定，并进行物体边界检测，确定物体抓持边界，将其接触笛卡尔坐标系作为运动学输入，使其靠近切换面；控制器经过所述切换面后，控制策略从运动控制切换至模糊控制器；灵巧手进入模糊控制器后，以经过切换面后的腱绳位移与手指刚度的乘积作为刚度矩阵输入，以第一腱绳上的拉力传感器表征手指压力趋势；上述传感器信息作为二维输入，映射至论域相应区域，通过高斯函数进行模糊化处理，以进行模糊推理，最终实现解模糊。
本发明的有益效果主要表现在：实现灵巧手力和位移混合控制，该灵巧手外部没有任何裸露的传感器，所有传感器都集成在手掌内部，进一步提高了灵巧手的防护等级和稳定性能
附图说明
图1是本发明的手心视角下灵巧手单指示意图。
图2是手侧视角下灵巧手单指剖视图。
图3是手心视角下单指驱动原理图。
图4是手侧视角下灵巧手剖视图。
图5是手心视角下灵巧手整体外观图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手，包括手掌主体23以及安装在手掌主体23上的四根单指和一根大拇指；
每根单指均包括近指节7、中指节4、远指节1和驱动机构，近指节7与中指节4之间、中指节4与远指节1之间均铰接，所述中指节4与近指节7两者的手心手背两侧分别设有第一腱鞘和第二腱鞘，所述驱动机构包括用于驱动指节弯曲的第一腱绳、用于指节复位的第二腱绳25、第一电机21和第二电机18，所述第一电机21与第二电机18安装在手掌主体23内，所述第一腱绳的一端与远指节1连接，所述第一腱绳的另一端依次穿过中指节的第一腱鞘10、近指节的第一腱鞘8，伸入到手掌主体腔体内与第一电机21的电机轴连接，在第一腱绳上还设有拉力传感器19，拉力传感器19设置在手掌主体腔体内；所述第二腱绳25的一端与远指节连接，所述第二腱绳25的另一端依次穿过中指节的第二腱鞘12、近指节的第二腱鞘13，伸入到手掌主体腔体内与第二电机18的电机轴连接，第二电机18上还设有用于测量第二电机的位置以及转速的编码器22；
大拇指不包括中指节，其他结构与每根单指相同；因此大拇指的驱动机构的第一腱绳和第二腱绳分别穿过近指节上的第一腱鞘和第二腱鞘再与相应电机连接即可。所述拉力传感器、编码器均与控制器连接。
进一步，所述四根单指和一根大拇指外均设有硅胶指套14。
再进一步，相邻两个指节之间以及近指节7与手掌主体23之间均通过铰链铰接，并在铰链的左右两端过盈装配有卡簧。
手掌主体23包括手掌掌面26，是一个腔体结构。
第一腱绳包括两段，第一段17的一端与远指节连接，第一段17的另一端与拉力传感器的一端连接，拉力传感器19的另一端与第二段20的一端连接，第二段20的另一端与第一电机21的电机轴连接，本发明主要是由第一腱绳与第二腱绳作为传动机构，所述第一腱绳可以驱动灵巧手发生弯曲运动，所述第二腱绳可以驱动灵巧手，使之复位。所述腱鞘的有益作用在于避免腱绳与灵巧手其他部件的直接接触，减少腱绳运动部件的摩擦力，有助于降低驱动力的功率和保护腱绳与其他可能接触的部件。
所述远指节1与所述中指节4之间通过铰链2形成转动副，铰链2的两端过盈装配有卡簧11与卡簧3。与上述连接结构类似，所述中指节4与所述近指节7间通过铰链5形成转动副，铰链5的两端过盈装配有卡簧9与卡簧6。所述近指节7与手掌主体23通过铰链3形成转动副，铰链3的两端过盈装配有卡簧24与卡簧15。硅胶指套，其有益作用在于增加灵巧手抓持的摩擦力，也有利于提高灵巧手与物体接触的柔性。
所述手掌主体内装有第一电机21与第二电机18，所述第一电机21用于驱动第一腱绳，所述第二电机2用于驱动第二腱绳。编码器，用于测量第二电机的角位移以及转速，用于实现灵巧手的位置控制。所述第一腱绳上装有拉力传感器19，用于实现灵巧手的力控制。
本发明实现力与位移模糊混合控制策略主要由两种控制算法与一个切换面组成，在灵巧手接触物体之前，通过视觉系统进行手眼标定，并进行边界检测，将其接触笛卡尔坐标系作为运动学输入，使其靠近切换面。控制器经过所述切换面后，控制策略从运动控制切换至模糊控制器。其中，切换面主要功能为算法选择器，是算法切换的主要判定依据。灵巧手进入模糊控制器后，以经过切换面后的腱绳位移与手指刚度的乘积作为刚度矩阵输入，以腱绳拉力传感器表征手指压力趋势。上述传感器信息作为二维输入，映射至论域相应区域，通过高斯函数进行模糊化处理，以进行模糊推理，最终实现解模糊。模糊控制器的设计对实现力和位移混合控制具有重要意义。上述模糊控制器能够实现的重要理论准备依据在于，通过构建腱绳拉力传感器与实际指尖压力的协方差矩阵，可得到两者具有一定的正相关分布，同理，可证明经过切换面后的腱绳位移与刚度矩阵之间的相关系数。
以灵巧手抓持桌面上的长方体为例，具体方法由以下步骤组成：
步骤一，通过视觉系统对物体位置进行手眼标定，并通过相关算法寻找物体边界，使灵巧手逐渐靠近边界。具体操作有以下几步，首先根据黎曼空间色差原理，引入HVS色彩掩蔽特性将其进行灰度化处理，将像素点带入以下数学模型：
I(x,y)＝(0.30×R(x,y)+0.59×G(x,y)+0.11×B(x,y))/3 (1)
为减少抓持过程中，因相机和光源布置等因素导致的影响，将原始灰度直方图数据进行累计概率分布，实现像素点与灰度的重新映射，其映射方程为：
其中k＝0，1，2，...，L-1，为提升物体与背景的对比度，采用小模板高斯滤波器对图像单像素噪点进行处理，将均衡化灰度像素带入高斯公式：
完成前期的图像处理后，针对不同的物体边界检测的方法都有所差异。以桌子上的长方体为例，采用霍夫变换算法来对图片信息进行处理采集，将平面图像像素问题转化到统计学上累加极值问题。将像素点转化的参数方程为：
p＝x×cos(θ)+y×sin(θ) (4)
采用垂直投影法计算图像上x轴的距离△x，以透视原理为基础，相机参数为h，可将图像上的x轴距离映射至实际距离l：
l＝f(h)*Δx (5)
结合相机与物体的相对关系，可得到抓持边界的位置：
pi(i∈(1,n)) (6)
步骤二：步骤一主要是物体抓持边界的确定，在完成手眼标定的基础上，步骤二主要实现灵巧手的运动控制，直到灵巧手接触到步骤一所得到的抓持边界。由步骤一可得到物体的抓持边界，抓持边界的位置为pi。所述编码器为绝对值编码器，采集的当前脉冲数为C，一圈的脉冲总数为T，所述腱绳在所述电机上的回旋半径为R。记腱绳位移与所述近指节关节角度θ1的相关参数为k1；记腱绳位移与所述近指节关节角度θ2的相关参数为k2；记腱绳位移与所述近指节关节角度θ3的相关参数为k3，得到方程组：
所述灵巧手近指节、所述中指节以及所述远指节的长度分别为l1、l2、l3，根据连杆长度与关节变量建立DH参数表，如表1所示：
表1
得到四个转移矩阵：
得到基关节坐标系到指尖坐标系的转移矩阵为：
0T4＝0T1 1T2 2T3 3T4 (8)
根据人手在抓持物体时的手型，令：
将上述式子带入0T4，有：
与全驱动灵巧手不同，本发明所述的欠驱动灵巧手的三个关节具有耦合特性，因此不仅可由所述编码器反馈的值结合上述公式计算笛卡尔坐标，也可以由步骤一所产生的抓持边界的位置pi反解编码器的控制量。反解所需要的重要数据工具为二倍角公式与三倍角公式。
步骤三：所述拉力传感器会监测第一腱绳拉力变化趋势。当灵巧手接近抓持边界时，拉力传感器监测的拉力变化梯度超出阈值时，将控制算法切换至模糊控制器，对物体进行力位移混合控制。
步骤四：进入模糊控制器后，以切换面为参考，计算所述编码器与所述拉力传感器的增量，将这二维增量作为模糊控制器的输入。将拉力增量以及编码器增量映射至论域[-5,5]之间。将映射完成的二维增量值，通过高斯函数进行模糊化：
根据力位移实际变化特征，本文模糊控制规则的基本思路是：经过算法切换，使其参考值置于切换面后，计算腱绳拉力与编码器增量。当腱绳拉力和编码器所表征的灵巧手弯曲程度与期望值偏差较大，输出控制量的值应以尽快消除偏差为主；而腱绳拉力和编码器所表征的灵巧手弯曲程度较小时，输出控制量应注意防止超调，以使系统保持稳定。
当接触物体材质偏软时，编码器输入较大，拉力传感器输入较小，电机需要产生较大的角位移以满足足够的抓持力，但是当角位移逐渐增大时，应当逐渐减少控制量输出，以免破坏物体形态；当接触材质偏硬时，编码器输入变化较小，拉力传感器输入变化较大，也应当逐渐减少控制量输出，以防止对灵巧手和物体造成损害。因此模糊规则规则库如表2所示：
表2
Claims (6)
1.一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手的控制方法，其特征在于：所述指灵巧手包括手掌主体以及安装在手掌主体上的四根单指和一根大拇指；
每根单指均包括近指节、中指节、远指节和驱动机构，近指节与中指节之间、中指节与远指节之间均铰接，所述中指节与近指节两者的手心手背两侧分别设有第一腱鞘和第二腱鞘，所述驱动机构包括用于驱动指节弯曲的第一腱绳、用于指节复位的第二腱绳、第一电机和第二电机，所述第一电机与第二电机安装在手掌主体内，所述第一腱绳的一端与远指节连接，所述第一腱绳的另一端依次穿过中指节的第一腱鞘、近指节的第一腱鞘，伸入到手掌主体腔体内与第一电机的电机轴连接，在第一腱绳上还设有拉力传感器，拉力传感器设置在手掌主体腔体内；所述第二腱绳的一端与远指节连接，所述第二腱绳的另一端依次穿过中指节的第二腱鞘、近指节的第二腱鞘，伸入到手掌主体腔体内与第二电机的电机轴连接，第二电机上还设有用于测量第二电机的角位移以及转速的编码器；
大拇指不包括中指节，其他结构与每根单指相同；所述拉力传感器、编码器均与控制器连接；
所述控制方法包括以下步骤：
在灵巧手接触物体之前，通过视觉系统进行手眼标定，并进行物体边界检测，确定物体抓持边界，将其接触笛卡尔坐标系作为运动学输入，使其靠近切换面；控制器经过所述切换面后，控制策略从运动控制切换至模糊控制器；灵巧手进入模糊控制器后，以经过切换面后的腱绳位移与手指刚度的乘积作为刚度矩阵输入，以第一腱绳上的拉力传感器表征手指压力趋势；上述传感器信息作为二维输入，映射至论域相应区域，通过高斯函数进行模糊化处理，以进行模糊推理，最终实现解模糊。
2.如权利要求1所述的一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手的控制方法，其特征在于：所述四根单指和一根大拇指外均设有硅胶指套。
3.如权利要求1或2所述的一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手的控制方法，其特征在于：相邻两个指节之间以及近指节与手掌主体之间均通过铰链铰接，并在铰链的左右两端过盈装配有卡簧。
4.如权利要求1所述的一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括以下步骤：所述拉力传感器会监测第一腱绳拉力变化趋势，当灵巧手接近物体抓持边界时，拉力传感器监测的拉力变化梯度超出阈值时，将控制算法切换至模糊控制器，对物体进行力位移混合控制。
5.如权利要求1所述的一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括以下步骤：进入模糊控制器后，以切换面为参考，计算所述编码器与所述拉力传感器的二维增量，将这二维增量作为模糊控制器的输入，将拉力增量以及编码器增量映射至论域[-5,5]之间，将映射完成的二维增量值，通过高斯函数进行模糊化。
6.如权利要求5所述的一种基于力与位移模糊混合控制的五指灵巧手的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括模糊控制规则：经过算法切换，使其参考值置于切换面后，计算腱绳拉力与编码器增量；当腱绳拉力和编码器所表征的灵巧手弯曲程度与期望值偏差较大，输出控制量的值应以尽快消除偏差为主；而腱绳拉力和编码器所表征的灵巧手弯曲程度较小时，输出控制量应防止超调，以使系统保持稳定。
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2020
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