CN113305879B - 基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制系统及方法，包括测量模块和控制模块；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，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；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；能够获取高精度的气动肌肉长度的变化数据。

Description

基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制系统及方法

技术领域

本公开属于机器人控制领域，具体涉及基于关节角度和肌肉长度测量的气动肌肉驱动的柔性机器人控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成现有技术。

自人类步入智能时代起，为进一步探索世界科技发展方向，聚焦智能制造、医疗康复、无人探测、抢险救灾等领域日益迫切的自动化、智能化需求，着眼于新一代驱动方式——气动人工肌肉(Pneumatic Artificial Muscle,PAM)驱动，可颠覆性地突破传统驱动元件柔性不足、机构繁琐等局限性。

气动人工肌肉，也称气动肌肉驱动器，由橡胶管主体和编织护套组成，通过调节伺服气压阀可对其内部高压缩气体的充气/放气过程进行控制，从而模拟人体肌肉实现收缩/伸展运动。气动肌肉结构简单、材料轻便，具有许多显著的优势，如生物适应性好、功率密度高等，当其作为柔性机器人的主要驱动元件时，不仅可以改善系统的柔顺性，还可以进一步地提高人机交互的安全性和舒适性。然而，任何事物都具有两面性，气动肌肉凭借独特优势在智能机器人领域快速占据一席之地的同时，也暴露出其结构与特性所导致的一系列痛点，如“与生俱来”的迟滞、蠕变特性，存在门槛气压效应，闭环带宽低等。因此，如何综合考虑气动肌肉驱动的柔性机器人固有特性，逐个击破控制难点，实现精确建模与智能鲁棒控制，极具研究与应用价值。

迄今为止，国内外诸多研究机构针对气动肌肉驱动的柔性机器人的建模与控制问题已经开展了一系列基础研究。从建模角度来看，气动人工肌肉的建模目前主要分成静态特性模型以及动态特性模型两大类别。静态特性模型是将气动人工肌肉视为一种实际执行元件，通过分析其蕴含的静态特性，依赖不同的数学手段而建立，而动态特性模型则额外分析了气动肌肉作为气动元件所蕴含的流体热力学特性，通过理想气体多变方程等去确立，其普及度与应用广泛度远不及静态模型。从控制现状来看，不仅需要考虑柔性机器人自身结构上的非线性，还需重视气动肌肉本身所引入的多重复杂特性，使其智能控制方法研究极具挑战性。

根据上述国内外发展现状可知，现有针对气动肌肉驱动的柔性机器人的建模与控制策略已经具备一定的基础，但仍存在如下亟待解决的难题：

1、单根气动肌肉仅能提供单一方向的力，实际应用时需设计两根及以上肌肉组合结构完成更加高级的控制目标，典型代表之一为双气动肌肉驱动的柔性机器人。当前双气动肌肉驱动的柔性机器人的动力学模型大多是针对转矩的模型，而气动肌肉在输出力的同时将实时改变自身长度，意味着力臂和力矩计算困难，无法直接用于控制。此外，几乎没有文献考虑快速消除运动后能量残余，可能引发意想不到的振荡。如何同时考虑系统高非线性与强时变特性，针对真实的控制输入——气压，建立直接而精确的动力学模型，是开展后续研究的基石。

2、未知复杂环境中，气动肌肉驱动的柔性机器人极易遭受干扰，控制系统的实际性能将大打折扣。如何考虑参数不确定性、未建模动态、内外扰动等，根据建立的精确模型，实时测量机器人上臂、下臂关节角度信息，获取气动肌肉长度的变化数据，提出多种非线性自动控制方法，并以定量评价系统的评估结果为基准，实时更新、优化控制器参数，在实现高性能跟踪控制的同时，确保鲁棒性与安全性，是一个亟待解决的难题。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出了基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制系统及方法。

第一方面，本公开提供了一种基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制系统，包括测量模块和控制模块；

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，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；

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。

第二方面，本公开提供了一种基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制方法，包括：

获取机器人关节的角度数据和气动肌肉的气压数据；

基于气动肌肉长度和气压的对应关系建立角度转化长度模型，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；

将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。

与现有技术对比，本公开具备以下有益效果：

1、本发明针对气动肌肉驱动的柔性机器人提出了一种可以精确测量关节角度、肌肉长度并实现自动控制的方法。该机器人可以模拟人手臂的运动，利用气动人工肌肉长度与机器人关节角度之间的约束关系，通过系统动能、势能构建其精确的动力学模型，为气动肌肉柔性机器人的控制器设计提供基准模型。基于复杂的几何约束条件，利用高精度编码器实时测量机器人上臂、下臂关节角度信息，并将测量值代入关节角度-肌肉长度约束方程中，获取气动肌肉长度的变化数据。此外，该测量信息可以作为后续自动控制性能的评价指标，对所设计控制方法实际性能进行定量评价，以此为基准实时更新、优化控制器参数，实现多种运动控制目标。

2、本公开通过分析机器人关节角增大时，肌肉长度缩小，收缩力沿着肌肉方向向上，因此针对长度求导时，外力应与收缩力的大小相同，方向相反，即为肌肉收缩力的负值，并基于气动肌肉自身物理模型，如理论模型，现象模型等(本公开选用经典的现象模型——三元素模型作为示范)，得到收缩力、气压、长度的约束关系，代入动力学模型中，化简得到柔性机器人最终的动力学模型。该精确建模系统所获得的动力学模型，能够获得长度-气压的对应关系，无需任何线性化操作，不需要计算力矩，比常见的模型更加直接有效，利于后续的控制器设计。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开的气动肌肉驱动的柔性机器人模型示意图；

图2为本公开的气动肌肉驱动的柔性机器人系统结构组成。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

一种基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制系统，包括测量模块和控制模块；

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，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；具体的，气压数据是通过压力输出测量单元获得的，角度是通过编码器获得的。

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，实现机器人的精确跟踪及定位目标。

进一步的，测量模块包括数据采集模块和数据处理模块，数据采集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；数据处理模块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，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，并获得气动肌肉长度和气压的对应关系代入上述角度转化长度模型中，化简得到最终动力学模型。

所述数据采集模块包括编码器，分别在机器人上、下臂臂骨的顶部与旋转轴同轴配置光电增量式编码器，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。所述数据处理模块还用于获取压力输出测量单元的气压数据。

所述数据处理模块包括最终动力学模型，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，并获得气动肌肉长度和气压的对应关系代入上述角度转化长度模型中，化简得到最终动力学模型；

获取机器人关节的角度数据和气动肌肉的气压数据，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。

所述建立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-气压模型，得到收缩力、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。

所述数据处理模块还包括接收器、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。

具体的，利用机器人本体结构导致的关节角与肌肉长度之间的约束关系，在MATLAB/Simulink实时测控平台上编写转化程序，将测量得到的关节角“弧度”信息，代入约束方程中，求解出每个采样时间的气动肌肉“长度”数据(单位为米)，由于气动人工肌肉常以毫米级的变化作为控制目标，可以进一步地将长度数据转化为毫米单位的信息。

进一步的，所述机器人包括气体供应单元、压力输出测量单元、电源模块、机器人本体和气动肌肉驱动单元；

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。

所述电源模块包括220V交流电模块和24V直流电源模块，每一块直流电源模块需要三相交流带插座线缆与220V交流电连接，经由内部交流转直流单元，可输出两路24V直流电压。

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回复时残余震荡。

所述气动肌肉驱动单元内层是空心橡胶管,外层由编织网套包裹,两端由连接气管的密封接头固定。

进一步的，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，分别对机器人上臂进行能量分析，考虑上臂旋转动能、运动中的重力势能以及弹性势能，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，随后利用拉格朗日方法，整合系统能量，得到最终的拉格朗日函数。

所述动控制系统依赖精确建模系统与关节角度、肌肉长度测量系统，实时获取系统状态变量的反馈值，将所提控制方法在MATLAB/Simulink实时测控平台中搭建运动控制程序，计算每一时刻应输出的控制气压值，通过m文件编写的接口程序传输至固高多轴控制板卡中，轴引脚为压力输出/测量单元输出相应的控制电压，驱动柔性机器人实验平台完成精确跟踪、定位目标，同时利用运动控制评估系统对实际运行过程中的关节角度、肌肉长度等状态变量进行评估，确保控制方法的有效性和鲁棒性。

所述运动控制评估系统包括，在MATLAB/Simulink实时测控平台的程序中实现，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，从而可以在实现优越控制性能的同时确保系统的安全性。实际运行过程中，肌肉长度、关节角度须与给定参考轨迹值的偏差尽可能的小，状态收敛速度尽可能快，稳态误差尽可能小，同时需要保证长度、角度几乎不存在超调，稳定时几乎没有残余震荡。此外，通过限幅环节等手段，确保气动肌肉的驱动气压值规避奇异性、尖峰现象、饱和现象等，输入气压轨迹尽可能平滑且快速稳定。最后根据所提运动控制评估系统，对自动控制系统的参数进行调整，以实现最优性能。

实施例2

如图1所示，本公开提供了基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制方法，包括：

获取机器人关节的角度数据和气动肌肉的气压数据；

基于气动肌肉长度和气压的对应关系建立角度转化长度模型，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；

将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，实现机器人的精确跟踪及定位目标。

进一步的，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；

获取机器人关节的角度数据和气动肌肉的气压数据，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。

进一步的，所述建立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-气压模型，得到收缩力、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。

进一步的，所述调节机器人的控制气压值和电压值，实现机器人的精确跟踪及定位目标包括:建立气动肌肉驱动机器人模型，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，考虑上臂旋转动能、运动中的重力势能以及弹性势能，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，随后利用拉格朗日方法，整合系统能量，得到最终的拉格朗日函数。

进一步的，将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还包括，实时获取系统状态变量的反馈值，通过测控系统中的运动控制程序计算每一时刻输出的控制气压值，通过固高多轴控制板卡中轴引脚对应输出相应的控制电压，驱动柔性机器人实验平台完成精确跟踪及定位目标。

实施例3

本公开还提供了一种具体的基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制系统，包括测量系统、实验平台和自动控制系统；

所述测量系统负责对气动肌肉驱动的柔性机器人关节角度实时进行采集，并根据几何约束关系与关节角度信息精确计算出上、下手臂肌肉的长度变化，为后续自动控制提供必备反馈信息。

所述实验平台为气动肌肉驱动的柔性机器人主体部分，通过供应不同压力的高压气体，控制柔性机器人上下手臂气动肌肉的长度变化，从而驱动机器人运动，并完成多项设定任务，如跟踪时不变、时变参考轨迹等。其中，机器人实验平台图如图2所示。

所述自动控制系统主要负责获取气动肌肉驱动的柔性机器人动力学模型，为角度、长度测量，以及自动控制系统设计提供基准模型与约束方程，通过所提的多种自动控制方法，完成对机器人的精确运动控制，同时对机器人运动过程中的关节角度、肌肉长度等状态进行评估，确保状态变量误差的快速收敛性能。

所述测量系统包括角度采集模块，采集数据处理模块，角度-长度转化模块。

角度采集模块：分别在机器人上、下臂臂骨的顶部同轴(旋转轴)配置光电增量式编码器，型号为Tamagawa OIH-48，6000转，额定电压5V，最大频率达到200kHz，通过排线、DB25针VGA连接器与固高核心控制板卡的端子版进行连接，从而将实时测量的关节角度差分脉冲信号采集至电脑主机中。

采集数据处理模块：端子板的CN1-CN8轴皆可接受编码器的差分脉冲波形，所接收的角度脉冲信号，通过PCI总线传输至计算机主机中，再经由特殊的接口程序输入MATLAB工作空间，基于MATLAB/Simulink实时测控平台编写的数据处理程序，实时地转化为“弧度”数据，并可根据所需添加滤波器，对采集信号的噪声进行平滑处理，还可以进一步转化数据单位为“度”。

角度-长度转化模块：利用机器人本体结构导致的关节角与肌肉长度之间的约束关系，在MATLAB/Simulink实时测控平台上编写转化程序，将测量得到的关节角“弧度”信息，代入约束方程中，求解出每个采样时间的气动肌肉“长度”数据(单位为米)，由于气动人工肌肉常以毫米级的变化作为控制目标，可以进一步地将长度数据转化为毫米单位的信息。

所述实验平台包括精确建模系统，自动控制系统，运动控制评估系统。

精确建模系统：气动肌肉驱动的柔性机器人模型示意图如图2所示。首先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，分别对机器人上臂进行能量分析，考虑上臂旋转动能、运动中的重力势能以及弹性势能，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，随后利用拉格朗日方法，整合系统能量，得到最终的拉格朗日函数。其次，考虑到机器人上下手臂臂骨长度保持不变，右侧肌肉收缩产生逆时针(向右)的旋转角，带动机器人运动；在此过程中，气动肌肉长度缩短，左侧弹簧长度伸长肌肉/弹簧固定点到臂骨中心距离保持不变，根据三角形余弦定理，计算可得上/下臂气动肌肉长度与机器人关节角之间的几何约束方程，

其中，L_p1，L_p2是上/下臂肌肉的长度，θ₁，θ₂代表机器人肩/肘关节角度；L_x1，L_x2，r是常数辅助长度，α₁，α₂是常数辅助角度，它们都可以事先通过对机器人本体结构测量得到。

该方程在(1)气动肌肉驱动的柔性机器人关节角度、肌肉长度测量系统中得到了充分的应用。接下来，由于肌肉收缩的过程中长度会实时发生变化，力臂的具体形式难以获取，若对关节角度进行求导，则需要计算力矩的表达式，然而力矩涉及力与力臂的乘积，难以获取的力臂将给力矩计算带来挑战。因此，本系统巧妙地对气动肌肉的长度进行求导，其对应的外力为气动人工肌肉的收缩力，比力矩更易计算获取。考虑到实际的控制输入为通入气动肌肉中的气压值，而不是收缩力，需要将之前建立的肌肉长度-收缩力模型转换为肌肉长度-气压模型。随后，通过分析机器人关节角增大时，肌肉长度缩小，收缩力沿着肌肉方向向上，因此针对长度求导时，外力应与收缩力的大小相同，方向相反，即为肌肉收缩力的负值。进一步地，基于经典的气动肌肉现象模型——三元素模型，得到收缩力、气压、长度的约束关系，代入上述动力学模型中，化简得到柔性机器人最终的动力学模型。该精确建模系统所获得的动力学模型，能够获得长度-气压的对应关系，

其中，向量χ中包含所有的上下臂长度、关节角度信息，矩阵M₀，C_p，G_p，B_p都是系统结构相关的矩阵，P是机器人上下臂的输入气压向量。

无需任何线性化操作，不需要计算力矩，比常见的模型更加直接有效，利于后续的控制器设计。

自动控制系统：基于上述的精确建模系统，综合考虑气动肌肉驱动的柔性机器人存在的多项难题，如高度非线性、时变特性、迟滞效应、蠕变特性等，设计多种自适应鲁棒控制方法、基于能量的非线性控制方法、增强的自适应模糊滑模控制方法等，实现优越的控制性能。该自动控制系统依赖精确建模系统与关节角度、肌肉长度测量系统，实时获取系统状态变量的反馈值，将所提控制方法在MATLAB/Simulink实时测控平台中搭建运动控制程序，计算每一时刻应输出的控制气压值，通过m文件编写的接口程序传输至固高多轴控制板卡中，轴引脚为压力输出/测量单元输出相应的控制电压，驱动柔性机器人实验平台完成精确跟踪、定位目标，同时利用运动控制评估系统对实际运行过程中的关节角度、肌肉长度等状态变量进行评估，确保控制方法的有效性和鲁棒性。该平台选用的核心控制板卡为固高8轴控制卡，型号是GTS-800-PV-PCl-VB，带有8路轴控信号和4路非轴信号，端子版带有模拟量输入功能，型号为GT2-800-ACC2-V-A，可以采集压力输出/测量单元的电压反馈数据。该控制卡通过PCI总线与计算机进行数据交互，通过编写好的m文件与MATLAB/Simulink实时测控平台连接，只需在MATLAB/Simulink实时测控平台中编写程序即可对柔性机器人实验平台进行控制；端子版通过屏蔽电缆连接控制卡，端子版上通过VGA接头连接各类传感器、驱动器，负责采集和输出脉冲/模拟量信息输入至控制卡中，从而可以在计算机中对数据进行实时地处理与分析。

运动控制评估系统：在MATLAB/Simulink实时测控平台的程序中实现，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，从而可以在实现优越控制性能的同时确保系统的安全性。实际运行过程中，肌肉长度、关节角度须与给定参考轨迹值的偏差尽可能的小，状态收敛速度尽可能快，稳态误差尽可能小，同时需要保证长度、角度几乎不存在超调，稳定时几乎没有残余震荡。此外，通过限幅环节等手段，确保气动肌肉的驱动气压值规避奇异性、尖峰现象、饱和现象等，输入气压轨迹尽可能平滑且快速稳定。最后根据所提运动控制评估系统，对自动控制系统的参数进行调整，以实现最优性能。

实施例4

本公开还提供了一种具体的基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制方法，包括：

通过角度采集模块采集高精度编码器数据，输入采集数据处理模块中，等待下一步转换处理。

基于精确建模系统的约束条件，将采集数据处理模块的数据，通过角度-长度转化模块转化为所需的气动肌肉长度变化信息，反馈至自动控制系统中，等待下一步控制输入指令的计算。

自动控制系统由电源模块供电，以精确建模系统的动力学模型作为自动控制系统的基准模型，利用关节角度、肌肉长度测量系统所获得的关节角度、肌肉长度等数据，基于编写好的MATLAB/Simulink程序，计算下一时刻的输入指令，为实验平台中的压力输出/测量单元提供相应的控制电压。

在控制过程中，运动控制评估系统同时发挥作用，通过关节角度、肌肉长度测量系统所反馈的状态变量数据，与自动控制系统中的理想参考轨迹实时进行比对，并依据给定的评价指标定量进行评估，从而更新、优化自动控制系统中的控制参数，确保控制方法的有效性和稳定性。

机器人实验平台中的压力输出/测量单元由电源模块供电，采用气体供应单元提供压力输出，接受自动控制系统提供的控制电压指令，实现不同的阀门开度，将可调的压力输出给气动肌肉驱动单元。

气动肌肉驱动单元得到压力输出/测量单元给予的不同气压的空气注入，与外界大气压产生气压差，产生轴向扩张，导致径向收缩，长度缩短，从而提供足以驱动机器人本体运动的收缩力，实现精确定位、跟踪等控制目标。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (6)

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。

4.基于关节角度和肌肉长度测量的机器人控制方法，其特征在于，包括：

获取机器人关节的角度数据和气动肌肉的气压数据；

基于气动肌肉长度和气压的对应关系建立角度转化长度模型，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；

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；

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

所述调节机器人的控制气压值和电压值，实现机器人的精确跟踪及定位目标包括: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；

其中，数据的获取具体为：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。

5.如权利要求4所述的机器人控制方法，其特征在于，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；

获取机器人关节的角度数据和气动肌肉的气压数据，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。

6.如权利要求5所述的机器人控制方法，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-气压模型，得到收缩力、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。

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