[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

说明书

本发明公开了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，该系统包括规划层、协调控制层及单指控制层；规划层包括主机模块，协调控制层包括协调控制模块，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；由于采用了多传感器信息融合、提供了分布式的控制系统，本发明可以通过该控制系统有效获取多指灵巧手本身的状态信息以及灵巧手与外界交互的信息，且因为分层控制系统的设计，可以大大增强控制系统的鲁棒性和可扩展性。此外，针对灵巧手两指精细抓取任务中的位置控制和力控制问题，本文采用了力位混合控制算法，提升了对易被破环物体的抓取成功率。

技术领域

本发明属于机器人灵巧手的控制领域，涉及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。

背景技术

当前，多指灵巧手为了具备较高的灵活性以及降低设计难度的需要，一般采用模块化的设计方法。目前，灵巧手的结构比较复杂，为了达到高精度的控制效果，通常采用高成本的控制方案，比如FPGA+DSP的控制方案成本较高，这会增大灵巧手的应用成本。另外，现有的灵巧手控制系统所配备的传感系统较为简单，这会影响灵巧手对外界信息的有效获取，缺少必要的反馈能力，从而影响灵巧手的控制性能，一些灵巧手常采用集中式的控制方案，这会导致灵巧手的可扩展性、鲁棒性较差。为了使灵巧手能够准确地完成日常生活中的抓取任务，除了控制系统本身的鲁棒性，其抓取过程中的位置控制以及力控制亦不可忽视，特别是在抓取一些易碎物体时，力控制显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述灵巧手控制系统成本较高、可扩展性较差，缺乏反馈能力以及位置控制和力控制不理想等问题，本发明提供了一种基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制系统。本发明主要通过以下两方面克服灵巧手控制系统质量以及灵巧手抓取控制方法的问题。即，一方面是提供一种分布式的灵巧手控制系统，分为三个控制层：规划层、协调控制层、单指控制层，以此来增加控制系统的鲁棒性和可扩展性；第二方面是通过关节角度信号与关节接触力信号结合，设计力位混合控制方法，通过在不同运动空间内对位置控制与力控制的切换，完成灵巧手对日常生活中物体的抓取控制任务。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

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。

上述技术方案中，进一步的，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。

进一步的，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。