[发明专利]一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明机器人控制技术领域，尤其指代一种腱驱动机械手腱张力约束笛卡尔空间阻抗控制方法和装置。

背景技术

机械手为模仿手、臂的特定功能的一种自动机械，因此泛指机械臂、末端执行器、灵巧手指等多关节多连杆操作机构。腱驱动型机械手是利用腱绳进行传动的机械手，允许驱动器放置于机械手结构体的外部，可以减小机械手体积和重量，从而提高了机械手的灵巧性，同时也在驱动器选型方面给机构设计者提供了更多灵活性。

由于腱只可以传递张力，因此为了获得完全独立的自由度控制，必须要保证驱动器的数量多于自由度的个数。有多种腱配置方式，在配置合理的情况下，N+1型腱能够独立控制N个自由度，同时保证腱具有正张力。该腱配置方式简化了机构，但由于这种方式在减少腱绳数量的同时引入了关节位置和腱绳的耦合问题，因此控制器的设计非常复杂。在装配应用中机械手需要与非结构环境物理接触，因此机械手的力矩控制能力非常重要。研究者们提出多种控制策略来解决耦合腱驱动机械手的力矩控制问题。这些控制策略由张力分配算法和控制律两部分组成。张力分配算法是确定一组腱张力的过程，目的是产生期望的一组关节力矩，同时解决驱动的冗余问题。该冗余可以生成张力的零空间，用来保证所有腱具有正张力。

目前已有的控制律根据是否使用腱张力反馈进行分类。无腱张力反馈的控制方法包括计算力矩法、其它能够预测或估计系统参数的智能方法，这些方法对于能够精确建模运动和力矩关系的系统是可行的，但机械手需要抓握或操作的是各种可能的物体，其接触表面特性差别很大，因此这些方法只能获得粗略的腱张力控制，经常产生更高的内张力，导致腱的磨损，增加摩擦力降低性能，因此这些方法难以实现精确的操作。采用张力反馈的腱空间控制器忽略腱的动力学，利用张力分配算法将期望的关节力矩转换为期望的腱张力，然后为每根腱使用独立的张力调节器。例如Salisbury和Craig在Stanford/JPL手上实现了腱空间控制律，Starr在Stanford/JPL手通过采用腱-导管间歇模型实现了类似算法，2N型POSTECH手和Utah/MIT手等灵巧手也采用了该算法。然而采用该种方式的控制器在手指动力学中引入了瞬态耦合，即某个关节的控制或扰动可能导致另一个关节的不期望的响应。

为了稳定可靠地抓握物体，腱驱动机械手的控制应能合理的调节关节的柔顺性和力矩。相对于传统的齿轮传动，腱驱动的难点在于设计一个控制器使其能够按照期望的位置运动同时保证腱的张力保持在期望的范围之内。腱只能传递张力，而且有一定的延迟，以及机构对腱的摩擦以及腱的其它未建模动力学等因素也都影响着腱驱动机械手操作控制算法的设计。总的来说，现有的控制算法，仍不能完全满足机械手灵巧操作和强力抓持操作的要求。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法及装置，以解决现有技术中只能获得粗略的腱张力控制，难以实现精确的操作，不能完全满足机械手灵巧操作和强力抓持操作的要求的问题。

为达到上述目的，本发明的一种腱驱动机械手腱张力约束阻抗控制方法，包括步骤如下：

步骤1：由路径规划模块进行机械手单指自由空间中的关节角位置路径规划；输入由操作对象特性规划得到的灵巧手单指运动的期望接触力；经正运动解算模块转化为期望的指尖笛卡尔位置；并且设定腱张力约束范围和接触力阈值；