CN112873263A - 一种气缸驱动型灵巧手的反射防滑控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及灵巧手控制领域，提出了一种气缸驱动型灵巧手的反射防滑控制系统及方法。气缸驱动型灵巧手，由具有封装盒的手掌1和4根相同结构的灵巧手指2组成，气缸34的伸缩带动灵巧手指2的弯曲/伸展。本发明提出的气缸驱动型灵巧手反射防滑控制策略，包括主模式控制闭环和反射控制闭环；在主模式控制作用下，灵巧手实测抓握力F跟踪期望抓握力F*；当检测到滑动信号，启动反射控制，施加反射抓握力Fz，从而修正期望抓握力F*。通过在灵巧手气动控制回路中实现本发明提出的反射防滑控制策略，实现了气缸驱动型灵巧手的主模式稳定抓握，当发生滑动时，气缸驱动型灵巧手能够迅速动作，防止物体滑落。
Description
技术领域
本发明涉及灵巧手控制领域，尤其涉及一种气缸驱动型灵巧手的反射防滑控制系统及方法的设计。
背景技术
灵巧手在构造和性能上兼有人和机器的优点，体现了人的智能性和适应性，能够在各种环境中完成不同的作业。现有的灵巧手主要有电机驱动型、气压驱动型和智能材料驱动型，电机驱动型灵巧手控制系统复杂、精确力矩控制较难，气压驱动型灵巧手刚度不足、响应速度慢，智能材料驱动型灵巧手可承受载荷小、对材料有特殊要求。
气缸驱动具有操作简单、响应速度快等优点，容易与工控机、PLC、单片机等控制系统连接，有助于实现高精密运动控制，因此，采用气缸驱动方式设计灵巧手具有显著优势。
人手的抓握动作是由大脑调节的主模式控制和脊髓调节的反射控制共同作用实现的，人手在抓取过程中，有大脑意识控制的抓握称之为主模式运动控制，如果在抓握过程中突然受到环境或者其他的扰动，人能够在很短的时间内通过反射运动调整手指姿态和骨骼肌的力输出直到减少甚至消除扰动的影响。
目前，已有公开报道将人手抓取的复合控制原理应用于电机驱动型灵巧手、气压驱动型灵巧手和智能材料驱动型灵巧手，但是将人手抓取的复合控制原理应用于气缸驱动型灵巧手，用来解决气缸驱动型灵巧手的反射防滑问题，还没有相关的公开报道。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提出一种气缸驱动型灵巧手的反射防滑控制系统及方法，通过在气动控制回路中实现主模式控制和反射控制，实现了气缸驱动型灵巧手的稳定抓握，当发生滑动时，气缸驱动型灵巧手能够迅速动作，防止物体滑落。
本发明所采取的技术方案如下：
一种气缸驱动型灵巧手，由具有封装盒的手掌和4根相同结构的灵巧手指组成；所述的灵巧手指包括一体化气缸驱动手指基座、近指节、中指节以及远指节，在近指节、中指节以及远指节的内触面分别贴覆了FSR压力传感器。
气缸驱动型灵巧手的反射防滑控制系统，包括气源、电气比例阀、电磁阀、气缸、灵巧手、目标物体、控制器、继电器、FSR压力传感器；所述的气源经过滤和调压后与电气比例阀的进气口连接；电气比例阀的出气口与电磁阀的进气孔连接，电磁阀的两个出气孔分别与气缸的进气孔和出气孔连接；控制器根据抓取任务，向电气比例阀和继电器发送高低电平信号；继电器与电磁阀的线圈连接。
基于人手的抓握控制原理，设计气缸驱动型灵巧手的反射防滑控制策略，包括主模式控制闭环和反射控制闭环。
主模式控制闭环采用PID控制，其输入信号为期望抓握力F*和灵巧手实测抓握力F的差值，其输出为灵巧手气动控制系统的控制信号。在主模式控制作用下，灵巧手实测抓握力F跟踪期望抓握力F*。
反射控制闭环的启动与否取决于是否检测到滑动信号。采用小波变换提取灵巧手实测抓握力F中的高频分量，当其值超过设定阈值时，令q＝1，表示检测到滑动信号，启动反射控制，施加反射抓握力Fz，从而修正期望抓握力F*；反之，令q＝0，表示未检测到滑动信号，则不启动反射控制，仅进行主模式控制。
灵巧手反射防滑控制策略在灵巧手气动控制回路中的具体实现步骤为：
步骤1：设定期望抓握力、滑动检测阈值等参数。
步骤2：设定电气比例阀为低气压输出模式。
步骤3：灵巧手上电执行抓握动作，控制器输出高电平给继电器，继电器控制电磁阀动作，电磁阀驱动气缸带动灵巧手手指弯曲。
步骤4：FSR传感器实时测量灵巧手的手指接触力，控制器根据手指接触力数据实时进行滑动判断和是否达到期望力判断。
步骤5：当未检测到滑动信号时，进入主模式控制，手指接触力跟踪期望抓握力。当手指接触力达到期望抓握力，灵巧手抓握动作完成并保持当前抓取状态；否则，跳转到步骤3，气缸继续动作，带动灵巧手手指进一步弯曲。
步骤6：当检测到滑动信号时，控制器输出高电平给电气比例阀，使得电气比例阀由低气压模式变为高气压模式并输出高气压，同时施加反射抓握力以修正期望抓握力。在高气压作用下，气缸带动灵巧手手指进一步弯曲。
步骤7：跳转到步骤4。
附图说明
图1是本发明的气缸驱动型灵巧手的结构示意图。
图2是图1所示气缸驱动型灵巧手的一个灵巧手指的结构示意图。
图3是本发明的灵巧手反射防滑控制系统的组成结构框图。
图4是本发明的灵巧手反射防滑控制策略。
图5是本发明的灵巧手反射防滑控制策略具体实现流程图。
图6是本发明的气缸驱动型灵巧手无扰动时的抓握力曲线。
图7是本发明的气缸驱动型灵巧手受到外部冲击扰动时的抓握力曲线。
图8是本发明的滑动检测实验结果。
图9是本发明的灵巧手采用反射防滑控制策略后的抓握力曲线。
具体实施方式
下面结合本发明的附图及实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的仅仅实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明设计的一种气缸驱动型灵巧手的较佳实施例，如图1和图2所示，气缸驱动型灵巧手由具有封装盒的手掌1和4根相同结构的灵巧手指2组成；所述的灵巧手指2包括一体化气缸驱动手指基座21、近指节22、中指节23以及远指节24，在近指节22、中指节23以及远指节24的内触面分别贴覆了FSR压力传感器25。
本发明设计的气缸驱动型灵巧手反射防滑控制系统的组成结构，如图3所示，包括气源31、电气比例阀32、电磁阀33、气缸34、灵巧手35、目标物体36、控制器37、继电器38、FSR压力传感器25；所述的气源31经过滤和调压后与电气比例阀32的进气口连接；电气比例阀32的出气口与电磁阀33的进气孔连接，电磁阀33的两个出气孔分别与气缸34的进气孔和出气孔连接；控制器37根据抓取任务，向电气比例阀32和继电器38发送高低电平信号；继电器38与电磁阀33的线圈连接。
基于人手的抓握控制原理，本发明设计如图4所示的气缸驱动型灵巧手反射防滑控制策略，包括主模式控制闭环和反射控制闭环。具体为：
首先，利用人手抓握实验获取期望抓握力。设计人手抓握的操作步骤和要求，抓握过程分为抓握—拿起—保持—放下四个动作，且在每次拿起和保持动作中尽量保证人手与目标物体36之间无滑动发生；利用FSR压力传感器25来获取人手抓握目标物体36时的手指接触力；然后，多次重复进行人手抓握实验，记录每次实验的手指接触力；最后，计算人手抓握实验的手指接触力均值，将其作为灵巧手抓握目标物体36所需的期望抓握力F*。
主模式控制闭环采用PID控制，其输入信号为期望抓握力F*和灵巧手实测抓握力F的差值，其输出为灵巧手气动控制系统的控制信号。在主模式控制作用下，灵巧手实测抓握力F跟踪期望抓握力F*。
反射控制闭环的启动与否取决于是否检测到滑动信号。采用小波变换提取灵巧手实测抓握力F中的高频分量，当其值超过设定阈值时，令q＝1，表示检测到滑动信号，启动反射控制，施加反射抓握力Fz，从而修正期望抓握力F*；反之，令q＝0，表示未检测到滑动信号，则不启动反射控制，仅进行主模式控制。
灵巧手反射防滑控制策略在灵巧手气动控制回路中的实现步骤如图5所示，具体为：
步骤1：设定期望抓握力、滑动检测阈值等参数。
步骤2：设定电气比例阀为低气压输出模式。
步骤3：灵巧手上电执行抓握动作，控制器输出高电平给继电器，继电器控制电磁阀动作，电磁阀驱动气缸带动灵巧手手指弯曲。
步骤4：FSR传感器实时测量灵巧手的手指接触力，控制器根据手指接触力数据实时进行滑动判断和是否达到期望力判断。
步骤5：当未检测到滑动信号时，进入主模式控制，手指接触力跟踪期望抓握力。当手指接触力达到期望抓握力，灵巧手抓握动作完成并保持当前抓取状态；否则，跳转到步骤3，气缸继续动作，带动灵巧手手指进一步弯曲。
步骤6：当检测到滑动信号时，控制器输出高电平给电气比例阀，使得电气比例阀由低气压模式变为高气压模式并输出高气压，同时施加反射抓握力以修正期望抓握力。在高气压作用下，气缸带动灵巧手手指进一步弯曲。
步骤7：跳转到步骤4。
为了验证本发明设计的气缸驱动型灵巧手的反射防滑控制系统及方法的有效性，搭建了缸驱动型灵巧手的反射防滑控制系统，并通过编程实现了反射防滑控制策略。选用硬质金属瓶作为灵巧手的抓握对象，通过人手抓握实验，计算得到期望抓握力约为1.2N；在主模式控制下，灵巧手能够迅速跟踪期望抓握力，达到稳定抓握状态，如图6所示；向硬质金属瓶投入砝码以施加外部冲击扰动，此时，由于主模式控制闭环没有反射控制机制，灵巧手出现抓握力不足，最终导致硬质金属瓶滑落，如图7所示；增加反射控制闭环，在灵巧手达到稳定抓握后再次施加外部冲击扰动，灵巧手的实际抓握力出现突变，基于小波变换的滑动检测能够及时检测到滑动信号，如图8所示，并施加反射抓握力对期望抓握力进行修正，再次进入主模式控制，最终灵巧手再次达到稳定抓握状态，如图9所示。
以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种气缸驱动型灵巧手，由具有封装盒的手掌1和4根相同结构的灵巧手指2组成；所述的灵巧手指2包括一体化气缸驱动手指基座21、近指节22、中指节23以及远指节24，在近指节22、中指节23以及远指节24的内触面分别贴覆了FSR压力传感器25；
气缸驱动型灵巧手反射防滑控制系统，包括气源31、电气比例阀32、电磁阀33、气缸34、灵巧手35、目标物体36、控制器37、继电器38、FSR压力传感器25；所述的气源31经过滤和调压后与电气比例阀32的进气口连接；电气比例阀32的出气口与电磁阀33的进气孔连接，电磁阀33的两个出气孔分别与气缸34的进气孔和出气孔连接；控制器37根据抓取任务，向电气比例阀32和继电器38发送高低电平信号；继电器38与电磁阀33的线圈连接；
灵巧手反射防滑控制策略在灵巧手气动控制回路中的实现步骤为：
步骤1：设定期望抓握力、滑动检测阈值等参数；
步骤2：设定电气比例阀为低气压输出模式；
步骤3：灵巧手上电执行抓握动作，控制器输出高电平给继电器，继电器控制电磁阀动作，电磁阀驱动气缸带动灵巧手手指弯曲；
步骤4：FSR传感器实时测量灵巧手的手指接触力，控制器根据手指接触力数据实时进行滑动判断和是否达到期望力判断；
步骤5：当未检测到滑动信号时，进入主模式控制，手指接触力跟踪期望抓握力；当手指接触力达到期望抓握力，灵巧手抓握动作完成并保持当前抓取状态；否则，跳转到步骤3，气缸继续动作，带动灵巧手手指进一步弯曲；
步骤6：当检测到滑动信号时，控制器输出高电平给电气比例阀，使得电气比例阀由低气压模式变为高气压模式并输出高气压，同时施加反射抓握力以修正期望抓握力；在高气压作用下，气缸带动灵巧手手指进一步弯曲；
步骤7：跳转到步骤4。
2.根据权利要求1所述的一种气缸驱动型灵巧手的反射防滑控制系统及方法，其特征在于：气缸驱动型灵巧手反射防滑控制策略，包括主模式控制闭环和反射控制闭环。
3.根据权利要求1所述的一种气缸驱动型灵巧手的反射防滑控制系统及方法，其特征在于：电磁阀33选用带中闭模式的三位五通电磁阀。
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