[发明专利]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

说明书

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。

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。