基于多传感器的灵巧手拮抗式控制系统的制作方法

文档序号:20037026发布日期:2020-02-28 11:22阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,包括:由腱传动的拮抗式驱动的灵巧手、传感器模块、传感器管理模块、驱动器控制模块、中央控制模块;

所述由腱传动的拮抗式驱动的灵巧手配置为具有一至多个由腱传动并且采用拮抗式驱动的关节的灵巧手;

所述传感器模块包括由多个关节角度传感器构成的关节角度传感器集合、由仿生皮肤中的多个触觉传感器构成的触觉传感器集合、由多个关节力和力矩传感器构成的关节力和力矩传感器集合、由多个腱张力传感器构成的腱张力传感器集合;

所述关节角度传感器安装于灵巧手的各个关节处,测量各个关节的旋转角度,其输出信号经所述传感器管理模块处理得到关节位置信息;

所述触觉传感器分布于仿生皮肤中,感知与物体的接触情况,其输出信号经所述传感器管理模块处理得到触觉信息;

所述关节力和力矩传感器安装于灵巧手的各个指间关节、掌指关节、腕掌关节、腕部关节处,测量关节处的一至多维力或力矩,其输出信号经所述传感器管理模块处理得到关节力和力矩信息;

所述腱张力传感器安装在腱上,测量腱的张力,其输出信号经所述传感器管理模块处理得到腱张力信息;

所述传感器管理模块对传感器模块中的各个关节角度传感器、各个触觉传感器、各个关节力和力矩传感器、各个腱张力传感器施加恒定电源或以周期扫描的方式施加电源,并对这些传感器的输出信号进行放大、滤波、采样与转换,以及监测是否有传感器缺失或工作异常,并将处理过的输出信号与监测结果传给中央控制模块;

所述传感器管理模块可以接收中央控制模块传来的控制指令,并根据控制指令调整工作方式;

所述驱动器控制模块具有控制各个驱动器的电流环、电压环、速度环,自动对驱动器的电压或电流进行过载保护,监测各个驱动器是否缺失或工作异常,并将各个驱动器的电流、电压、速度和监测结果传给中央控制模块;

所述驱动器控制模块通过所述传感器管理模块读取关节角度信息,构成关节限位直接控制环路;

所述驱动器控制模块通过所述传感器管理模块读取关节力和力矩信息,构成关节力和力矩保护直接控制环路;

所述驱动器控制模块通过所述传感器管理模块读取腱张力信息,构成腱张力保护直接控制环路;

所述驱动器控制模块可以接收中央控制模块传来的控制指令,并根据控制指令调整各个驱动器的控制方式,即单独选择电流环、电压环、速度环或选择它们的任意组合对驱动器进行控制;

所述中央控制模块接收操作目标,控制传感器管理模块并读取各个传感器的信息,经过多传感器信息综合与控制策略计算过程得到控制信号,将控制信号传给驱动器控制模块以控制各个驱动器,进而对灵巧手的关节位置、关节速度、关节力和力矩、关节阻尼、关节刚度、腱张力以及与被操作对象的接触情况进行控制;

所述中央控制模块搭载有传感器采样与分析策略、防止腱松弛的控制策略、防止腱过紧的控制策略、基于可控负载的控制策略、基于动态模型的控制策略以及基于神经网络的控制策略;

所述中央控制模块可通过配置指定对特定关节采用所述基于可控负载的控制策略或所述基于动态模型的控制策略或所述基于神经网络的控制策略;

在灵巧手没有安装关节力和力矩传感器或腱张力传感器的情况下,所述中央控制模块默认采用所述基于动态模型的控制策略或所述基于可控负载的控制策略;

在灵巧手安装了关节力和力矩传感器以及腱张力传感器的情况下,所述中央控制模块默认采用所述基于神经网络的控制策略;当关节力和力矩传感器或腱张力传感器部分或全部缺失或工作异常时,所述中央控制模块自动切换为采用所述基于动态模型的控制策略或所述基于可控负载的控制策略,以保证系统可靠;

所述传感器采样与分析策略包括下面的一种或任几种:

在需要感知和物体的接触情况,或需要感知物体的形状、纹理和质地,而不需要精确测量接触力的大小时,优先对仿生皮肤中的触觉传感器进行采样,提高其采样频率,并在多传感器信息综合与控制策略计算过程中放大触觉信息相对其它传感信息的权重;

在需要精细操作并需要精确感知手部各个指节和关节与物体接触的相互作用力和力矩时,优先对关节力和力矩传感器进行采样,提高其采样频率,并在多传感器信息综合与控制策略计算过程中放大关节力和力矩信息相对其它传感信息的权重,同时可以配合仿生皮肤中的触觉传感器的信息进一步感知手部和物体的接触情况,以及感知物体的形状、纹理和质地;

在做拉扯、扳扣以及拎提重物等需要较大力道的动作时,优先对腱张力传感器进行采样,提高其采样频率,以估测各个手指或手部整体对被操作对象施加的力,并在多传感器信息综合与控制策略计算过程中放大腱张力信息相对其它传感信息的权重,同时可以配合关节力和力矩传感器的信息进一步对关节力或力矩进行精确测量;

在仿生皮肤的部分或全部触觉传感器缺失或失效的情况时,优先对关节力和力矩传感器进行采样,并在多传感器信息综合与控制策略计算过程中放大关节力和力矩信息相对其它传感信息的权重;

在部分或全部关节力和力矩传感器缺失或失效的情况时,优先对腱张力传感器进行采样,并在多传感器信息综合与控制策略计算过程中放大腱张力信息相对其它传感信息的权重。

2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,所述传感器管理模块对各个传感器施加电源的频率和对其输出信号的采样频率进行自动调节,其调节方式为:

1)当某个传感器的输出信号幅度在一定时间范围内持续低于敏感阈值,或输出信号幅度随时间的变化率在一定时间范围内持续低于变化率阈值,则将对该传感器施加电源的频率和对其输出信号的采样频率调整至0.1hz到10hz的范围;

2)当某个传感器的输出信号幅度高于敏感阈值,或输出信号幅度随时间的变化率高于变化率阈值,则将对该传感器施加电源的频率和对其输出信号的采样频率调整至10hz到1000hz的范围。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,所述传感器管理模块在接收到中央控制模块的控制指令时,其工作方式包括下面的一种或任几种:

针对控制指令指定的传感器以指定的频率施加电源;

针对控制指令指定的传感器进行监测;

以控制指令指定的倍数放大指定的传感器的输出信号;

以控制指令指定的滤波方式对指定的传感器的输出信号进行滤波;

优先对控制指令指定的传感器的输出信号进行采样与转换;

以控制指令指定的采样频率对指定的传感器的输出信号进行采样与转换。

4.根据权利要求1所述的一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,当系统发生异常,使关节超出了其容许的运动范围时,所述关节限位直接控制环路进行快速响应,直接控制驱动器将关节限制在容许的运动范围内;所述中央控制模块具有禁止关节限位直接控制环路的控制指令,可以主动阻止关节限位直接控制环路工作。

5.根据权利要求1所述的一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,当系统发生异常,使关节力和力矩超出了其容许的范围时,所述关节力和力矩保护直接控制环路进行快速响应,直接控制驱动器将关节力和力矩限制在容许的范围内;所述中央控制模块具有禁止关节力和力矩保护直接控制环路的控制指令,可以主动阻止关节力和力矩保护直接控制环路工作。

6.根据权利要求1所述的一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,当系统发生异常,使腱张力超出了其容许的范围时,所述腱张力保护直接控制环路进行快速响应,直接控制驱动器将腱张力限制在容许的范围内;所述中央控制模块具有禁止腱张力保护直接控制环路的控制指令,可以主动阻止腱张力保护直接控制环路工作。

7.根据权利要求1所述的一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,所述防止腱松弛的控制策略为:

设定腱张力的最低阈值;

通过腱张力传感器判断腱张力是否低于最低阈值;

若腱张力低于最低阈值,则使牵引该腱的驱动器进一步收紧腱,直至腱张力等于或略高于最低阈值;

所述防止腱过紧的控制策略为:

设定腱张力的最高阈值;

通过腱张力传感器判断腱张力是否高于最高阈值;

若腱张力高于最高阈值,则使牵引该腱的驱动器进一步释放腱,直至腱张力等于或略低于最高阈值。

8.根据权利要求1所述的一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,所述基于可控负载的控制策略为:

将对受控关节构成拮抗式驱动的各个驱动器分为主动驱动器和从动驱动器;

通过调整从动驱动器的电压或电流使其处于跟随运动模式,使从动驱动器通过腱被关节拖动从而等效为具有惯性和可以控制阻尼的可控负载;

根据关节速度信息以及可控负载所需产生的阻尼大小,通过驱动器的模型计算得到从动驱动器应施加的电压或电流;

将主动驱动器通过腱拖动关节进而拖动可控负载的运动过程作为控制对象;

将由灵巧手的关节位置、关节速度、关节力和力矩、关节阻尼、关节刚度、腱张力、与被操作对象的接触情况构成的集合或其子集作为目标量,将关节位置信息、关节速度信息、关节力和力矩信息、腱张力信息、触觉信息构成的集合或其子集作为反馈量,形成开环或闭环的控制。

9.根据权利要求1所述的一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,所述基于动态模型的控制策略为:

建立构成拮抗式驱动的各个驱动器、传动装置、关节和外部负载的动态模型;所述动态模型包括构成拮抗式驱动的各个驱动器的电压或电流、关节位置、关节速度、关节力和力矩、关节阻尼、关节刚度、腱张力以及时间之间的函数关系;在缺少关节力和力矩传感器或腱张力传感器的情况下可通过所述动态模型对关节力和力矩、关节阻尼、关节刚度、腱张力进行估计;

当对由关节力和力矩、关节阻尼、关节刚度、腱张力构成的集合或其子集作为目标量进行开环控制时,将目标量和关节位置信息作为所述动态模型的因变量,求解得到构成拮抗式驱动的各个驱动器分别应施加的电压或电流;

当对由关节力和力矩、关节阻尼、关节刚度、腱张力构成的集合或其子集作为目标量进行闭环控制时,将关节位置信息、构成拮抗式驱动的各个驱动器各自的电压或电流作为所述动态模型的输入,所述动态模型的输出即为关节力和力矩、关节阻尼、关节刚度、腱张力的估计值,将目标量对应的估计值作为反馈量,并将反馈量与目标量做差得到偏差量,将偏差量输入给控制单元;

当对目标关节位置、目标关节速度作为目标量进行闭环控制时,将关节位置信息和关节速度信息作为反馈量,将反馈量与目标量做差得到偏差量,将偏差量输入给控制单元;

经控制单元进一步计算得到构成拮抗式驱动的各个驱动器分别应施加的电压或电流。

10.根据权利要求1所述的一种基于多传感器与拮抗式驱动的灵巧手控制系统,其特征在于,所述基于神经网络的控制策略为:

构建多层神经网络作为运动控制器;

将由灵巧手的一至多个关节的关节位置、关节速度、关节力和力矩、关节阻尼、关节刚度、腱张力、与被操作对象的接触情况构成的集合或其子集作为目标量输入给所述多层神经网络;

将由灵巧手的一至多个关节的关节位置信息、关节速度信息、关节力和力矩信息、腱张力信息、触觉信息构成的集合或其子集作为反馈量输入给所述多层神经网络;

经过所述多层神经网络计算得到的输出即为各个驱动器分别应施加的电压或电流。

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