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

1.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：

2.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。


技术实现要素：

3.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。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一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。
6.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。
7.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。
8.更进一步的，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。
9.一种基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制方法，包括：
10.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；
11.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；
12.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。
13.上述方案中，进一步的，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，针对两指精细抓取时，对于远指端的控制方式如下：
14.1)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；
15.2)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；
16.3)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；
17.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。
18.本发明的有益效果是：
19.本发明的系统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。
附图说明
20.图1为本发明五指灵巧手控制系统一种整体结构示意图；
21.图2为本发明五指灵巧手控制系统的一种通信架构示意图；
22.图3为本发明中灵巧手力位混合控制方法流程图；
23.图4为本发明中灵巧手远指端单关节力位混合闭环控制框图；
具体实施方式
24.为了使得本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.本发明的一种基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制系统，该控制系统分为规划层、协调控制层、单指控制层，如图1所示，主要可包括：由腱绳传动的全驱动无耦合五指灵巧手、电源模块、驱动器模块、传感器模块、多路复用模块、ad转换模块、单指控制模块、协调控制模块、主机模块。
26.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，用于实现抓取控制任务。所述电源模块用于驱动器模块、传感器模块、ad转换模块、单指控制模块、协调控制模块的供电。所述驱动器模块包括由驱动关节的直线伺服电机构成的直线伺服电机的集合。所述传感器模块包括由20个关节角度传感器构成的关节角度传感器集合、由内嵌在5个手指指尖中的一维力传感器构成的压力传感器集合、由贴合在5个手指指尖的触觉传感器构成的触觉传感器集合、由20个腱绳张力传感器构成的腱绳张力传感器集合。所述关节角度传感器安装在灵巧手各个手指的各个关节处，用来测量各个关节的旋转角度，其输出信号经过所述ad转换模块以及单指控制模块处理得到关节位置信息。所述压力传感器安装在灵巧手各个手指的各个指节中，用来测量各个指节的接触力大小，其输出信号经过所述ad转换模块以及单指控制模块处理得到各个指节的接触力信息。所述触觉传感器贴合在灵巧手各个手指的指尖表面，用来感知各个指尖与物体的接触情况，其输出信号经过所述多路复用模块、ad转换模块以及单指控制模块的处理得到触觉信息。所述腱绳张力传感器安装在灵
巧手的腱绳上，用来测量腱绳张力，其输出信号经过所述ad转换模块以及单指控制模块处理得到腱绳张力信息。所述多路复用模块用于触觉传感器16个感应点信号的复选(本例所用阵列式触觉传感器具有16个触觉点)。所述ad转换模块用于将关节角度传感器、压力传感器、触觉传感器、腱绳张力传感器的模拟量输出信号转变成数字量信号。
27.所述单指控制模块作为本发明的关键组件，在本发明中主要具有三种作用，分别是：1.与所述ad转换模块通信，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。2.与所述协调控制模块通信，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，实现灵巧手力位混合控制算法。3.与所述驱动器模块通信，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。
28.所述协调控制模块用于与所述主机模块、所述单指控制模块进行通信，用于负载分配和运动分配。所述主机模块用于与所述协调控制模块进行通信，用于人机信息交互、任务运动规划以及控制参数的发送。
29.本发明的控制系统的整体结构如图1所示。在本发明的一个具体实例中，所述主机模块即为pc机，所述协调控制模块由一个stm32模块组成，所述单指控制模块由五个单指控制器组成，每个单指控制器均为一块stm32模块，五个单指控制器分别用来控制灵巧手的五根手指。所述传感器模块安装在五指灵巧手上，是多个关节角度传感器、多个压力传感器、多个触觉传感器、多个腱绳张力传感器的集合。所述ad转换模块由ads1115模块与ads1256模块组成，每根手指配备两块ads1115模块分别用于关节角度传感器信息采集和触觉传感器信息采集，配备两块ads1256模块用于压力传感器与腱绳张力传感器信息采集。所述电源模块用于协调控制模块、单指控制模块、传感器模块、驱动器模块、ad转换模块的供电。
30.本发明的控制系统的一种具体通信架构如图2所示。所述主机模块通过串口1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，当所示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所述传感器模块信息的接收。所述单指控制模块是由五个单指控制器组成的，分别用以五根手指的运动控制和传感信息采集。单指控制器与ads1115模块通过iic通信的方式进行关节角度传感器输出信号和触觉传感器输出信号的模数转换，单指控制器与ads1256模块通过spi通信的方式进行压力传感器和腱绳张力传感器输出信号的模数转换。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。
31.此外，本发明通过关节角度信息与压力传感器的信息，提出了一种灵巧手的力位混合控制方法，可以有效实现灵巧手的位置控制及力控制，实现灵活抓取控制。所述五指灵巧手的力位混合控制方法流程图如图3所示。图中所述远指端力位混合闭环控制框图如图4所示。下面结合图3、图4对该技术手段进行展开说明。
32.本发明的基于多传感器融合的灵巧手力位混合控制方法，包括：
33.第一步，根据目标物体的位置和本身物理属性，在所述主机模块中进行抓取任务规划。
34.在实施一项具体抓取任务之前，需根据目标物体的位置以及物理属性，对抓取任务进行规划，从而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。
35.第二步，根据所述主机模块发送过来的控制指令，在所述协调控制层中进行运动分配和负载分配。
36.所述协调控制层通过串口接收到所述主机模块发送来的抓取方式信息、各个手指末端期望位置以及指尖输出力后，所述协调控制模块会通过各个手指的逆运动学解算，得到各个手指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。
37.第三步，根据所述协调控制层发送过来的控制指令，在所述单指控制模块实现所述传感器模块的信息采集和力位混合控制算法实现。
38.所述单指控制模块依次接收到所述协调控制模块发送来的各个手指关节的期望角度以及各个手指指尖期望力。对于所述单指控制模块的各个单指控制器，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。对于远指端的控制采用图4的力位混合闭环控制方法，具体为：
39.1)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。
40.2)当采集到的实际关节角度信息大于关节角度阈值时(本发明的具体实施案例取期望角度减去5
°
)，将实时采集到的压力传感器的压力值与指尖压力阈值(本发明的具体实施案例取期望角度减去5
°
)比较。当采集到的实际关节角度信息小于关节角度阈值时(本发明的具体实施案例取期望角度减去5
°
)，则继续进行增量式pid的计算。
41.3)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(本发明的具体实施案例取期望角度减去5
°
)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，再逐渐较小输入给所述驱动器模块的该控制量，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(本发明的具体实施案例取期望角度减去5
°
)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，其也是通过增量式pid算法，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。至此，灵巧手完成抓取任务。
42.此外，可通过按下所述单指控制模块设置的各个回复按钮，即可使灵巧手回复初始状态。
43.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。