本發(fā)明涉及機器人控制技術(shù)，尤其是一種腱驅(qū)動機械手的操作控制方法和裝置，特別是基于腱張力約束下腱驅(qū)動型多關(guān)節(jié)機械手、機械臂等操作機構(gòu)的控制方法。
背景技術(shù)：
：機械手為模仿手/臂特定功能的一種自動機械，因此泛指機械臂、末端執(zhí)行器、靈巧手手指等多關(guān)節(jié)多連桿操作機構(gòu)。腱驅(qū)動型機械手是利用腱繩進行傳動的機械手，允許驅(qū)動器放置于機械手結(jié)構(gòu)體的外部，可以減小機械手體積和重量，從而提高了機械手的靈巧性，同時也在驅(qū)動器選型方面給機構(gòu)設(shè)計者提供了更多靈活性。由于腱只可以傳遞張力，因此為了獲得完全獨立的自由度控制，必須要保證驅(qū)動器的數(shù)量多于自由度的個數(shù)。有多種腱配置方式，在配置合理的情況下，n+1型腱能夠獨立控制n個自由度，同時保證腱具有正張力。該腱配置方式簡化了機構(gòu)，但由于這種方式在減少腱繩數(shù)量的同時引入了關(guān)節(jié)位置和腱繩的耦合問題，因此控制器的設(shè)計非常復雜。在裝配應(yīng)用中機械手需要與非結(jié)構(gòu)環(huán)境物理接觸，因此機械手的力矩控制能力非常重要。研究者們提出多種控制策略來解決耦合腱驅(qū)動機械手的力矩控制問題。這些控制策略由張力分配算法和控制律兩部分組成。張力分配算法是確定一組腱張力的過程，目的是產(chǎn)生期望的一組關(guān)節(jié)力矩，同時解決驅(qū)動的冗余問題。該冗余可以生成張力的零空間，用來保證所有腱具有正張力。目前已有的控制律根據(jù)是否使用腱張力反饋進行分類。無腱張力反饋的控制方法包括計算力矩法、其它能夠預測或估計系統(tǒng)參數(shù)的智能方法，這些方法對于能夠精確建模運動和力矩關(guān)系的系統(tǒng)是可行的，但機械手需要抓握或操作的是各種可能的物體，其接觸表面特性差別很大，因此這些方法只能獲得粗略的腱張力控制，經(jīng)常產(chǎn)生更高的內(nèi)張力，導致腱的磨損，增加摩擦力降低性能，因此這些方法難以實現(xiàn)精確的操作。采用張力反饋的腱空間控制器忽略腱的動力學，利用張力分配算法將期望的關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換為期望的腱張力，然后為每根腱使用獨立的張力調(diào)節(jié)器。然而采用該種方式的控制器在手指動力學中引入了瞬態(tài)耦合，即某個關(guān)節(jié)的控制或擾動可能導致另一個關(guān)節(jié)的不期望的響應(yīng)?？傊鄬τ趥鹘y(tǒng)的齒輪傳動，腱驅(qū)動機械手的設(shè)計難點在于設(shè)計合適的控制器使其能夠按照期望的軌跡運動及期望的接觸力抓取物體同時保證腱的張力保持在期望的范圍之內(nèi)。腱只能傳遞張力，而且有一定的延遲，此外，機構(gòu)對腱的摩擦以及腱的其它未建模動力學等因素也都影響著腱驅(qū)動機械手操作控制算法的設(shè)計。現(xiàn)有的控制算法，仍不能完全滿足腱驅(qū)動機械手有效控制接觸力和接觸位置同時保持腱張力處于合適的約束范圍的要求。技術(shù)實現(xiàn)要素：發(fā)明目的：本發(fā)明的目的：針對腱驅(qū)動機械手，提供一種力和位置控制方法和設(shè)備，該方法能夠提高系統(tǒng)末端操作的位置和力控制性能，減小從自由空間到約束空間的沖擊；同時通過約束腱張力，降低腱的磨損，提高其壽命，最終該方法能夠有效的實現(xiàn)腱驅(qū)動機械手的操作控制，提高機械手的操作靈巧性和壽命。本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種腱驅(qū)動機械手腱張力約束接觸力位操作控制方法和裝置，實現(xiàn)方法包括有如下步驟：步驟1，由路徑規(guī)劃模塊進行機械手單指自由空間中的關(guān)節(jié)角位置路徑規(guī)劃；由操作對象特性及其相對位置規(guī)劃靈巧手單指運動期望的接觸力；并且設(shè)定腱張力約束范圍和接觸力閾值；步驟2，由接觸力傳感器測量得到的接觸力值與接觸力閾值比較確定靈巧手和物體之間的接觸狀態(tài)，若接觸力值小于接觸力閾值說明機械手位于自由空間，設(shè)置輸出接觸力偏差fe為0；否則由比較器比較期望指尖接觸力和實際指尖接觸力傳感器所測接觸力之間的差別得到約束空間接觸力偏差fe。接觸力控制模塊根據(jù)偏差計算控制量，然后接觸力到關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)當前期望關(guān)節(jié)角位置將其轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)力矩；期望的關(guān)節(jié)角位置θd與手指的實際關(guān)節(jié)角位置θa進行比較得到關(guān)節(jié)角位置誤差θe＝θd-θa。然后通過關(guān)節(jié)剛度比例模塊將關(guān)節(jié)角位置誤差轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)力矩。兩個關(guān)節(jié)力矩求和，其結(jié)果進一步由張力分配模塊計算得到期望腱張力。然后由比較器比較期望腱張力和實際腱張力的差別，根據(jù)這個偏差由張力控制模塊基于合適的控制律把張力的偏差轉(zhuǎn)化為位置的偏差，輸入到腱驅(qū)動器進行控制。步驟1所述的機械手自由空間中的關(guān)節(jié)角位置路徑規(guī)劃可采用一般多關(guān)節(jié)機械臂的關(guān)節(jié)角位置路徑規(guī)劃方法進行，如拋物線過渡的線性插值方法等，得到期望的關(guān)節(jié)角軌跡，由路徑規(guī)劃模塊實現(xiàn)。步驟1中所述的接觸力閾值由接觸力傳感器的噪聲特性確定，高于該閾值說明接觸物體。步驟2中所述為兩種情況，接觸力值小于接觸力閾值情況下，設(shè)置輸出接觸力偏差fe為0；大于接觸力閾值情況下，輸出接觸力偏差fe為實際接觸力傳感器測量值和期望的接觸力值之間的差。步驟2中關(guān)節(jié)角位置偏差通過關(guān)節(jié)剛度比例模塊，接觸力偏差通過接觸力控制模塊、接觸力到關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)力矩后求和，并且通過能夠?qū)崿F(xiàn)張力約束的張力分配算法轉(zhuǎn)化為腱張力期望值。接觸力控制模塊可由通常的控制算法實現(xiàn)，接觸力到關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換模塊由正運動學計算的雅克比矩陣實現(xiàn)。步驟2中張力分配模塊將兩關(guān)節(jié)力矩求和值轉(zhuǎn)換為腱空間的力，具體考慮了腱張力約束，保證腱張力處于一個根據(jù)實際需求設(shè)定的最小和最大正值之間。最小值保證腱繩處于張緊狀態(tài)，最大值由實際中采用腱繩的材質(zhì)的張力限制決定，保護腱繩不被拉斷和減小磨損。步驟2中張力控制模塊將腱張力轉(zhuǎn)換為位置偏差，輸入到腱驅(qū)動器，拉動腱繩實現(xiàn)期望運動，具體可以由通用的控制算法實現(xiàn)。腱驅(qū)動機械手系統(tǒng)主要由控制器、腱驅(qū)動器、腱張力傳感器、腱繩、腱驅(qū)動機械手機構(gòu)、指尖接觸力傳感器、對應(yīng)各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角位置傳感器組成。關(guān)節(jié)角位置傳感器固定在腱驅(qū)動機械手機構(gòu)的各個關(guān)節(jié)上，指尖接觸力傳感器位于指尖。其中控制器包括前述步驟所述的包括路徑規(guī)劃模塊、關(guān)節(jié)剛度比例模塊、張力分配模塊、接觸力到關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換模塊、接觸力控制模塊、張力控制模塊?？刂破鹘邮諄碜躁P(guān)節(jié)角位置傳感器、腱張力傳感器、指尖接觸力傳感器的信息，然后控制各模塊按照前面所提步驟運行，通過操作處理把張力控制模塊的輸出作為腱位置偏差輸入到腱驅(qū)動器。腱驅(qū)動器包括無刷直流電機和把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的滾珠絲杠、螺母等組件，根據(jù)輸入的位置偏差驅(qū)動腱繩拉伸，驅(qū)動機械手單指機構(gòu)相應(yīng)運動，實現(xiàn)所需的位置和力的調(diào)整。在進一步的實施例中，一種腱驅(qū)動機械手腱張力約束末端力位操作控制方法，包括如下步驟：步驟1，規(guī)劃機械手單指自由空間中的關(guān)節(jié)角位置路徑，規(guī)劃靈巧手單指運動期望的接觸力；設(shè)定腱張力約束范圍和接觸力閾值；步驟2，測量接觸力值并將其與接觸力閾值比較，以確定靈巧手和物體之間的接觸狀態(tài)；若接觸力值小于接觸力閾值，則機械手位于自由空間，設(shè)置輸出接觸力偏差fe為0；否則，比較期望指尖接觸力和實際指尖接觸力傳感器所測接觸力之間的差別得到約束空間接觸力偏差fe；根據(jù)偏差計算控制量并結(jié)合當前期望關(guān)節(jié)角位置將其轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)力矩；期望的關(guān)節(jié)角位置θd與手指的實際關(guān)節(jié)角位置θa進行比較得到關(guān)節(jié)角位置誤差θe＝θr－θd；將所述關(guān)節(jié)角位置誤差轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)力矩；兩個關(guān)節(jié)力矩求和，其結(jié)果進一步計算得到期望腱張力；比較期望腱張力和實際腱張力的偏差，根據(jù)這個偏差并基于合適的控制律把張力的偏差轉(zhuǎn)化為位置的偏差，輸入到腱驅(qū)動器進行控制。進一步的，提供一種腱驅(qū)動機械手單指系統(tǒng)，包括：控制器，路徑規(guī)劃模塊、關(guān)節(jié)剛度比例模塊、張力分配模塊、接觸力到關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換模塊、接觸力控制模塊和張力控制模塊；腱驅(qū)動器，包括無刷直流電機和把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的滾珠絲杠組件，根據(jù)輸入的位置偏差驅(qū)動腱繩拉伸，驅(qū)動機械手單指機構(gòu)相應(yīng)運動，實現(xiàn)所需的位置和力的調(diào)整；腱張力傳感器，安裝在鍵上，腱的一端連接在相應(yīng)指節(jié)上，另一端連接在腱驅(qū)動器上；腱繩，腱驅(qū)動機械手單指機構(gòu)，包括基座、近指節(jié)、中指節(jié)和遠指節(jié)；采用n+1型腱驅(qū)動方式，具有3個獨立自由度，其中遠指節(jié)通過一個連桿機構(gòu)與中指節(jié)耦合，以實現(xiàn)繞側(cè)擺關(guān)節(jié)、基關(guān)節(jié)和中關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動；指尖接觸力傳感器，固定在遠指節(jié)上；關(guān)節(jié)角位置傳感器，固定在腱驅(qū)動單指機構(gòu)的各個關(guān)節(jié)上；腱張力傳感器、關(guān)節(jié)角位置傳感器和指尖接觸力傳感器采集的信息發(fā)送給控制器，控制器發(fā)送控制指令給腱驅(qū)動器。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明設(shè)計了一種滿足腱張力約束的腱驅(qū)動機械手末端操作控制方法，該方法能夠根據(jù)規(guī)劃的接觸力實現(xiàn)穩(wěn)定的抓取，提高系統(tǒng)末端操作的位置和力控制性能，并且一定程度上減輕機械手接觸物體時的沖擊；通過約束腱張力，降低腱的磨損，提高系統(tǒng)的壽命。該方法可進一步應(yīng)用于以腱為傳動方式的多關(guān)節(jié)機械臂、靈巧手單指等多關(guān)節(jié)多連桿機構(gòu)中，因此該實現(xiàn)方法具有廣闊的應(yīng)用前景。附圖說明圖1是腱驅(qū)動型機械手單指系統(tǒng)組成圖。圖2是腱驅(qū)動機械手單指腱張力約束笛卡爾空間阻抗控制框圖。圖3是單指坐標系示意圖。其中，各附圖標記如下：1，控制器；2，腱驅(qū)動器；3，腱繩；4，腱張力傳感器；5，腱驅(qū)動機械手單指機構(gòu)；6，關(guān)節(jié)角位置傳感器；7，指尖接觸力傳感器；11，側(cè)擺關(guān)節(jié)；12基關(guān)節(jié)；13，中關(guān)節(jié)；14，連桿；15，基座；16，近指節(jié)；17，中指節(jié)；18，遠指節(jié)。具體實施方式在機械手泛指機械臂、末端執(zhí)行器、靈巧手手指等多關(guān)節(jié)多連桿操作機構(gòu)，這兒主要采用了基于腱驅(qū)動的靈巧手單手指的柔順控制為例結(jié)合附圖說明腱驅(qū)動機械手力和位置控制方法的具體實施方法。但并不因此將本發(fā)明限制在實施范圍之內(nèi)。如圖1所示，腱驅(qū)動機械手單指系統(tǒng)主要由控制器1、腱驅(qū)動器2、腱張力傳感器4、腱繩3、腱驅(qū)動機械手單指機構(gòu)5、指尖接觸力傳感器7、對應(yīng)各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角位置傳感器6組成。腱驅(qū)動機械手單指機構(gòu)由基座15、近指節(jié)16、中指節(jié)17和遠指節(jié)18組成，采用“n+1”型腱驅(qū)動方式，具有3個獨立自由度，其中遠指節(jié)通過一個連桿14機構(gòu)與中指節(jié)耦合，主要實現(xiàn)繞側(cè)擺關(guān)節(jié)11、基關(guān)節(jié)12和中關(guān)節(jié)13的旋轉(zhuǎn)運動。關(guān)節(jié)角位置傳感器6固定在腱驅(qū)動單指機構(gòu)的各個關(guān)節(jié)上。每一根腱上都裝有腱張力傳感器4，腱的一端連接在相應(yīng)指節(jié)上，另一端連接在腱驅(qū)動器2上。指尖接觸力傳感器7固定在遠指節(jié)18上，腱張力傳感器4、關(guān)節(jié)角位置傳感器6和指尖接觸力傳感器7采集的信息發(fā)送給控制器，控制器發(fā)送控制指令給腱驅(qū)動器。如圖1所示，腱驅(qū)動單指機械手系統(tǒng)的控制器1包括路徑規(guī)劃模塊、關(guān)節(jié)剛度比例模塊、張力分配模塊、接觸力到關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換模塊、接觸力控制模塊、張力控制模塊?？刂破鹘邮諄碜躁P(guān)節(jié)角位置傳感器、腱張力傳感器、指尖接觸力傳感器的信息，然后控制各模塊按照前面所提步驟運行，通過操作處理把張力控制模塊的輸出作為腱位置偏差輸入到腱驅(qū)動器。腱驅(qū)動器包括無刷直流電機和把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的滾珠絲杠、螺母等組件，根據(jù)輸入的位置偏差驅(qū)動腱繩拉伸，驅(qū)動機械手單指機構(gòu)相應(yīng)運動，實現(xiàn)所需的位置和力的調(diào)整。圖2控制器中路徑規(guī)劃模塊根據(jù)手指指尖當前位置和物體的期望接觸點確定從初始點到接觸點的期望關(guān)節(jié)角位置θd；關(guān)節(jié)剛度比例模塊將關(guān)節(jié)角位置誤差轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)力矩；接觸力到關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換模塊通過力雅可比矩陣把規(guī)劃的接觸力轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)力矩；張力分配模塊將前述兩個模塊輸出求和后的關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換為腱空間的力。腱張力比較器比較期望腱張力和實際腱張力的差別，根據(jù)這個偏差張力控制模塊計算位置偏差對機械手單手指的腱位置進行修正，輸出量δxi作為腱端的速度輸入到腱驅(qū)動器中。腱驅(qū)動器有4個輸入端為位置控制器輸出的腱端速度量v；控制器的輸入量為4個關(guān)節(jié)角位置傳感器給出的角位移量θa、腱張力傳感器張力值f、指尖接觸力傳感器三維力輸入。對于當前的腱驅(qū)動機械手單指系統(tǒng)，變量θd、θa、θe、f、fd、δx都是四維的列向量，τd為三維的列向量。因為腱只能傳遞張力，因此單獨的位置控制很難保證腱張力時刻大于0，而且腱本身有一定的柔韌性，對力的傳遞有遲滯性?？刂破髟诔跏紩r刻時，給腱繩施加力fi≥fmin保證腱在初始時刻具有預張緊。具體地，控制器各模塊按照如下具體步驟運行。步驟1，由路徑規(guī)劃模塊進行機械手單指自由空間中的關(guān)節(jié)角位置路徑規(guī)劃；輸入由操作對象特性規(guī)劃得到靈巧手單指運動期望的接觸力；并且設(shè)定腱張力約束范圍和接觸力閾值。步驟2，根據(jù)接觸力傳感器測量得到的接觸力值與接觸力閾值比較確定靈巧手和物體之間的接觸狀態(tài)，若接觸力值小于接觸力閾值說明機械手位于自由空間，設(shè)置輸出接觸力偏差fe為0；否則由比較器比較期望指尖接觸力和實際指尖接觸力傳感器所測接觸力之間的差別得到約束空間接觸力偏差fe。接觸力控制模塊根據(jù)偏差計算控制量，然后接觸力到關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)化為當前期望關(guān)節(jié)角位置下的關(guān)節(jié)力矩；期望的關(guān)節(jié)角位置θd與手指的實際關(guān)節(jié)角位置θa進行比較得到關(guān)節(jié)角位置誤差θe＝θd-θa。然后通過關(guān)節(jié)剛度比例模塊將關(guān)節(jié)角位置誤差轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)力矩。兩個關(guān)節(jié)力矩求和，進一步由張力分配模塊計算得到期望腱張力。然后由比較器比較期望腱張力和實際腱張力的差別，根據(jù)這個偏差由張力控制模塊基于合適的控制律把張力的偏差轉(zhuǎn)化為位置的偏差，輸入到腱驅(qū)動器進行控制?？刂破鞲髂K的具體實現(xiàn)如下：1)路徑規(guī)劃模塊機械手手指運動路徑規(guī)劃是指根據(jù)手指指尖當前位置和物體的期望接觸點確定從初始點到接觸點的運動軌跡。目前路徑規(guī)劃主要分為：笛卡爾空間的路徑規(guī)劃和關(guān)節(jié)空間的路徑規(guī)劃。對于多關(guān)節(jié)的手指，指尖的笛卡爾空間運動軌跡很難用時間的變量表示，并且計算比較復雜。相比而言，在關(guān)節(jié)空間，除了耦合關(guān)節(jié)外，其他的關(guān)節(jié)的角位移都是相對獨立的，可以分別進行路徑規(guī)劃，規(guī)劃的方程相對簡單而且計算量小、實時性好，所以這里采用了關(guān)節(jié)空間的路徑規(guī)劃。機械手自由空間中的關(guān)節(jié)角位置路徑規(guī)劃可采用一般多關(guān)節(jié)機械臂的關(guān)節(jié)角位置路徑規(guī)劃類似的方法進行，如拋物線過渡的線性插值方法、三次多項式路徑規(guī)劃等等。本實施方案采用拋物線過渡的線性插值方法，該方法具有運動特性好，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。規(guī)劃的方程為：式中θd0是關(guān)節(jié)的初始角位移，θdf是關(guān)節(jié)最后到達的期望角位移，tf是到達期望位置的時間，a是加速度。在實際中，先估計環(huán)境的笛卡爾位置，然后通過逆運運學解出各關(guān)節(jié)所要到達的角位移，最后根據(jù)式(1)對手指各關(guān)節(jié)進行路徑規(guī)劃。2)接觸力到關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)操作物體特性及相對指尖位置，由指尖接觸力fc，可通過雅克比矩陣j計算出使手指指尖在接觸到物體并保持靜態(tài)平衡時所需的關(guān)節(jié)力矩τd1：τd1＝j(luò)tfc(2)雅可比矩陣反映了關(guān)節(jié)空間速度到指尖笛卡爾空間速度的映射關(guān)系，同時也反映了指尖接觸力到關(guān)節(jié)力矩的映射關(guān)系[41]。在正向運動學的基礎(chǔ)上，我們可以求取手指的雅可比矩陣。正向運動學是根據(jù)關(guān)節(jié)角求手指末端在基座坐標系下的位置和姿態(tài)。由d-h參數(shù)描述，建立單指坐標系如圖3所示，zi軸沿關(guān)節(jié)i的運動軸方向；xi軸沿著zi軸和zi+1軸的公法線，指向下一個關(guān)節(jié)；yi軸由xi軸和zi軸按照右手直角坐標系法則來確定。為了簡化模型，基座坐標系o0x0y0z0和基關(guān)節(jié)坐標系o1x1y1z1方向一致，指尖坐標系otxtytzt和頂關(guān)節(jié)坐標系o4x4y4z4方向一致。按照建立的單指坐標系和各個指節(jié)的長度，單指的d-h參數(shù)如表1所示。表1全驅(qū)動手指單指d-h參數(shù)關(guān)節(jié)ai-1αi-1diθi1l000θ12l1900θ23l200θ34l300θ4tl4000其中l(wèi)0、l1、l2、l3、l4為固定的手指指節(jié)長度，其值為：l0＝21mm、l1＝9mm、l2＝45mm、l3＝30mm、l4＝21mm。θ1、θ2、θ3、θ4為可變的關(guān)節(jié)角：側(cè)擺關(guān)節(jié)角、基關(guān)節(jié)角、中關(guān)節(jié)角和遠關(guān)節(jié)角。根據(jù)d-h參數(shù)可得單指6個坐標系之間的變換矩陣為：確定了單指6個坐標系中相鄰坐標系之間的齊次坐標變換矩陣后，即可求得指尖坐標系otxtytzt相對于基座坐標系o0x0y0z0的位置和姿態(tài)為：其中cosθ23代表cos(θ2+θ3)，cosθ234代表cos(θ2+θ3+θ4)。根據(jù)齊次變換矩陣的定義可知矩陣的第四列的前三行即為指尖末端在基座坐標系o0x0y0z0中的笛卡爾坐標：這樣由已知的手指關(guān)節(jié)角θ1、θ2、θ3、θ4即可得到指尖末端在基座坐標系o0x0y0z0中的笛卡爾位置。對xt、yt、zt求θ1、θ2、θ3、θ4的偏導數(shù)即可得到雅可比矩陣j：3)接觸力控制模塊接觸力控制模塊主要是通過設(shè)計合適的控制器以滿足待定的性能要求。控制器可以采用不同的控制算法(如滑模變結(jié)構(gòu)、pid、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊以及它們的組合算法等)構(gòu)建。其中，pid控制具有原理簡單、易于實現(xiàn)，魯棒性強和適應(yīng)范圍廣等特點，是一種應(yīng)用廣泛的控制規(guī)律。本實施方案采用了一個pid控制器：式中，fe＝fd-fa，kp1為比例環(huán)節(jié)系數(shù)，ki1為積分環(huán)節(jié)系數(shù)，kd1為微分環(huán)節(jié)系數(shù)，d/dt微分算子。前述控制算法滑模變結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊以及它們的組合算法等也可實現(xiàn)類似的控制功能。4)關(guān)節(jié)剛度比例模塊關(guān)節(jié)角位置誤差轉(zhuǎn)化為期望的關(guān)節(jié)力矩τd，采用剛度控制器：τd1＝k(θd-θa)(6)其中k為對角型剛度矩陣。5)腱張力分配模塊由于腱只傳遞張力，為了避免腱在運動過程中出現(xiàn)松弛，引入腱張力控制器確保腱張力的正定性。腱張力控制器算法的基礎(chǔ)是n個關(guān)節(jié)力矩τ和n+1個腱張力f之間的關(guān)系：其中t表示腱的內(nèi)部張力；r∈r3*3是由三個獨立關(guān)節(jié)的半徑組成的對角陣；b表示腱的結(jié)構(gòu)矩陣；wt正交于rb的行空間且正定。系統(tǒng)中腱張力可控的充要條件為p可逆，要求rb行滿秩。由式(7)可以得到：令p-1＝[aa]設(shè)定腱張力取值范圍[fminfmax]，fmin保證腱始終處于繃緊的狀態(tài)，fmax保護腱不超負荷。令ai和ai分別代表a的行向量和a的列向量。腱張力分配算法的步驟如下。a)首先根據(jù)fmin確定t的取值，則有：fi＝aiτ+ait≥fmin(10)b)其次將內(nèi)部張力值t代入張力分配等式(9)；c)令fl為張力中最小的元素，fh為張力中的最大元素；d)確定是否張力f1,...,fn超過上界fmax，如果fh≤fmax,表明沒有超界，給各根腱分配張力f1,...,fn+1并結(jié)束分配過程。e)如果出現(xiàn)fh>fmax，則采用比例縮放的方式構(gòu)造一個新的方程：由前述過程中得到的fl和fh及其對應(yīng)位置處相關(guān)參量計算得到式(11)中參量：d＝(ahal-alah)τf)令fl為利用(12)式所計算出的張力最小的元素，fh為其中的張力最大元素，g)若如果fh≤fmax,并且fl>fmin，給各根腱分配張力f1,...,fn+1，并結(jié)束分配過程；否則，重新進行e)、f)、g)過程，直到滿足要求為止。6)張力控制模塊通過設(shè)計合適的控制器以滿足待定的張力控制精度要求。如上所述，控制器可以采用不同的控制算法構(gòu)建。其中，pid控制具有原理簡單、易于實現(xiàn)，魯棒性強和適應(yīng)范圍廣等特點。本實施方案采用了一個pd控制器，如下：式中，kp2為比例環(huán)節(jié)系數(shù)，fd為期望腱張力，f為腱張力傳感器測量所得到的實際腱張力，kd2為微分環(huán)節(jié)系數(shù)，d/dt為微分算子。由機構(gòu)參數(shù)可以確定相應(yīng)的映射矩陣；根據(jù)具體的性能指標要求，可以確定相應(yīng)的控制器參數(shù)。下面是具體實施實例的一組相關(guān)參數(shù)設(shè)置。根據(jù)如圖2中所示腱的排列可以得出結(jié)構(gòu)矩陣b，進而得到腱映射矩陣p，如下：同時根據(jù)任務(wù)要求及腱的特性設(shè)置腱張力范圍fmin＝8n，fmax＝200n。具體腱驅(qū)動機械手系統(tǒng)的控制器采用了通用pc、數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合電機驅(qū)動器來實現(xiàn)，另外以嵌入式處理器、dsp等為運算核心結(jié)合信號調(diào)理和電機驅(qū)動的控制器結(jié)構(gòu)形式也是可行的。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行張力控制器的pd參數(shù)和接觸力控制pid參數(shù)調(diào)節(jié)。采用該方法所實現(xiàn)系統(tǒng)獲得了良好的性能，該方法能夠提高系統(tǒng)末端操作力控制精度，減小從自由空間到約束空間的沖擊；同時通過約束腱張力，降低腱的磨損，提高其壽命，最終能夠有效的實現(xiàn)腱驅(qū)動機械手的操作控制，提高機械手的操作靈巧性和壽命。該方法可進一步應(yīng)用于以腱為傳動方式的多關(guān)節(jié)操作臂、末端執(zhí)行器等機構(gòu)中，因此該實現(xiàn)方法和裝置具有廣闊的應(yīng)用前景。需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。當前第1頁12