[发明专利]一种基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制系统，其特征在于，包括规划层、协调控制层及单指控制层；规划层包括主机模块，用于人机信息交互、任务运动规划以及控制参数的发送；协调控制层包括协调控制模块，用于与规划层及单指控制层进行通信，用于负载分配和运动分配；单指控制层包括由腱绳传动的全驱动无耦合五指灵巧手、驱动器模块、传感器模块、AD转换模块、单指控制模块；所述由腱绳传动的全驱动无耦合五指灵巧手由五根独立手指组成，每根手指通过驱动关节实现抓取控制任务，所述驱动器模块用于驱动所述关节，所述传感器模块包括关节角度传感器集合、用于采集指尖受力的压力传感器集合、用于采集指尖触觉的触觉传感器集合、及腱绳张力传感器集合，所述AD转换模块用于将传感器的模拟量输出信号转变成数字量信号，所述单指控制模块与所述AD转换模块、协调控制模块、驱动器模块通信，获取并对单指上安装的各个传感器数据进行采样滤波处理，并根据所获取到的各种传感器信息以及协调控制模块发送来的控制命令和控制参数，根据灵巧手力位混合控制方法，将控制信号发送给驱动器模块以控制各个驱动器，进而对灵巧手的关节位置和接触力进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制系统，其特征在于，所述的五根独立手指中每根手指包括一个侧摆关节、三个弯曲关节共四个自由度，整手总共有20个关节；所述关节角度传感器集合为20个安装在灵巧手各手指各关节处的关节角度传感器，用于测量各关节的旋转角度从而得到关节位置信息；所述压力传感器集合为内嵌在5个手指指尖指节中的一维力传感器，用于测量各指尖指节的接触力大小从而得到各指尖指节的接触力信息；所述触觉传感器集合为贴合在5个手指指尖表面的触觉传感器用于得到触觉信息；所述腱绳张力传感器集合为20个安装在灵巧手腱绳上的腱绳张力传感器用于测量腱绳张力。

3.根据权利要求1所述的基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制系统，其特征在于，所述的单指控制模块由五个单指控制器组成，五个单指控制器分别控制五根手指。

4.根据权利要求3所述的基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制系统，其特征在于，所述主机模块通过串口与所述协调控制模块进行通信，进行任务运动规划命令与所述传感器模块信息的交换传输，所述协调控制模块通过串口总线的方式与所述单指控制模块的五个单指控制器进行通信，采用串口地址唤醒的方式依次与五个单指控制器进行数据交换，当协调控制模块与其中一个单指控制器通信时，其余单指控制器的串口处于未唤醒状态，只有所述协调控制模块发送到串口总线上的地址命令与单指控制器本身地址对应时，才被唤醒，从而进行运动分配、负载分配以及控制参数的发送以及传感器模块信息的接收；单指控制器通过串口通信的方式向所述驱动器模块发送控制命令。

5.一种基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制方法，其特征在于，包括：

根据目标物体的位置和物理属性，在所述主机模块中进行抓取任务规划，确定抓取方式以及各个手指末端所需到达的空间位置以及各个手指的指尖输出力，发出控制指令；

根据主机模块发送的控制指令，在所述协调控制层中进行运动分配和负载分配，通过各个手指的逆运动学解算，得到各关节的期望关节角度，并将关节期望角度和指尖期望力依次发送所述单指控制模块；

根据协调控制层发送来的控制指令，在所述单指控制模块实现对传感器模块的信息采集以及实现对各手指的力位混合控制。

6.根据权利要求5所述的基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制方法，其特征在于，所述的单指控制模接收到所述协调控制模块发送来的各关节的期望角度以及各手指指尖期望力，对于单指控制模块中的各个单指控制器，中指端、近指端以及侧摆端通过关节角度PID闭环控制到达对应的期望角度，对于远指端的控制方式如下：

1)当所述单指控制模块的单指控制器接收到远指端期望角度和期望压力时，首先把实时采集到的实际关节角度信息与期望角度的偏差量输入到增量式位置PID中，经过计算后的控制量通过串口发送给所述驱动器模块，使得远指端关节发生弯曲，引起实际关节角度的变化；

2)当采集到的实际关节角度信息大于关节角度阈值时，将实时采集到的压力传感器的压力值与指尖压力阈值比较，当采集到的实际关节角度信息小于关节角度阈值时，则继续进行增量式PID的计算；

3)当上述实时采集到的压力传感器的压力值小于指尖压力阈值时，进入位置补偿PID，所述位置补偿PID，即记下此时增量式位置PID计算得到的控制量，再逐渐减小输入给所述驱动器模块的控制量，继续使远指端关节弯曲，直到触发进入到力闭环的判断条件为止；

当上述实时采集到的压力传感器的压力值大于指尖压力阈值时，表明指尖部分已经进入约束空间，开始进入力PID闭环控制部分，通过增量式PID引起实际关节角度变化从而间接导致指尖压力的变化，直至达到期望压力值为止。