一种灵巧手抓取安全的协同控制系统及方法与流程

本发明涉及机器人协同控制，具体涉及一种灵巧手抓取安全的协同控制系统及方法。

背景技术：

1、灵巧手是机器人实现精细抓取、稳定持握和灵活操作的重要末端执行器，广泛应用于工业装配、服务机器人、医疗康复、人形机器人等领域。在实际应用中，灵巧手常需要抓取易碎物体、柔软物体或形状不规则物体，因此除了完成基本的手指驱动外，还必须具备可靠的接触保护和异常工况安全处理能力。

2、现有灵巧手控制方案通常会分别配置触觉检测、停止保护、目标下发、通信超时处理等功能模块，但这些功能往往分散在不同控制环节中，彼此之间缺乏统一的时序组织和状态约束关系。

3、在实际抓取过程中，若触觉检测仅附着于新指令处理环节，或者只在局部执行链中进行限幅判断，则当执行器已经启动并在后续时刻接触物体后，仍可能出现对抓取全过程覆盖不足的情况，从而增加过力风险。

4、此外，即使系统能够在触觉或压力超阈值后执行停止或限幅处理，若上位机仍持续发送收拢指令，或者控制器在后续周期内仍继续进行运动学转换和目标更新，执行器仍可能出现“停止—执行—再停止”的往复动作，形成保护性抖动，影响抓取稳定性。

5、再者，部分方案在触觉保护触发后未对后续指令的方向进行区分处理，使继续收拢动作与张开释放动作被一并冻结，不利于人工干预和安全退让。

6、在通信异常场景下，若控制器仅保持最后一次抓取姿态，或者仅执行急停、直接复位等单一步骤，也容易导致灵巧手持续夹持物体，或者在回位过程中缺乏与触觉保护的优先级协调。尤其对于采用多种执行器的灵巧手系统，如果持续触觉监控、目标过滤、状态保持、运动学转换、通信失联回位等动作之间缺乏统一控制周期和明确优先级关系，则容易出现控制链分散、动作冲突和状态切换不稳定的问题。

7、就单项技术而言，力阈值检测、通信超时停止、反馈位置回写等措施均属已知手段。但将多种保护措施同时应用于同一灵巧手系统时，会产生单独使用时不存在的交互矛盾：

8、第一，抖动矛盾：持续触觉监控每周期触发超阈值停止后，下一周期的新收拢指令又驱动执行器运动，形成“停止—执行—再停止”的高频往复；

9、第二，冻结-释放冲突：若为消除抖动而在超阈值后冻结全部后续指令，则张开释放动作亦被阻断，操作者失去安全退让能力；

10、第三，优先级死锁：通信失联后启动渐进张开，但灵巧手正持握物体使触觉持续超阈值，触觉保护反复冻结回位动作，灵巧手既不能夹持也不能松开。

11、上述矛盾表明，将已知安全措施简单叠加会引入新故障模式，技术难点在于在统一控制架构内解决这些交互矛盾。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种在统一控制周期下的灵巧手抓取安全的协同控制系统及方法，以解决如下技术问题是：将多种已知安全措施同时应用于灵巧手抓取控制系统时产生的抖动矛盾、冻结-释放冲突和优先级死锁。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种灵巧手抓取安全的协同控制系统，包括：

3、主控制单元，被配置为在统一控制周期内，按固定执行顺序依次完成通信失联检测、持续触觉监控、新指令方向预过滤、保护状态判定、运动学转换与执行器目标下发以及反馈更新；

4、执行器驱动单元，与所述主控制单元通信，被配置为驱动灵巧手各手指关节运动；

5、触觉传感单元，与所述主控制单元通信，被配置为输出与各手指接触状态相关的检测值；

6、上位机通信单元，与所述主控制单元及触觉传感单元通信，被配置为接收目标抓取指令、参数设置指令和状态查询指令。

7、作为本技术的一种具体实现方式，所述主控制单元被配置为维护至少以下状态变量：通信失联状态标志以及渐进张开进行状态标志；所述通信失联状态标志用于表征是否已经进入通信失联异常状态；所述渐进张开进行状态标志用于表征通信失联后是否仍处于按步长逐步张开的过程。

8、作为本技术的一种具体实现方式，所述主控制单元包括通信失联检测模块，被配置为完成通信失联检测，具体为：

9、进入统一控制周期后，获取当前时刻及最近通信时间戳；所述最近通信时间戳为所述主控制单元最近一次接收到上位机通信数据的时间；

10、计算所述当前时间与最近通信时间戳的时间差；

11、若所述时间差不大于超时阈值，则通信正常；且若之前处于通信失联状态，则清除通信失联状态标志和渐进张开进行状态标志；

12、若首次出现所述时间差大于超时阈值，则置位通信失联状态和渐进张开进行状态标志，并进入渐进回位状态；

13、若持续出现所述时间差大于超时阈值，则判定当前处于通信失联状态；

14、若处于通信失联状态且渐进张开进行中，则与所述执行器驱动单元通信的灵巧手的各手指的弯曲目标值按步长递减，复用正常运动学执行链路驱动灵巧手逐步张开，且回位过程中触觉保护仍保持最高优先级；

15、若通信恢复，则清除通信失联状态标志和渐进张开进行状态标志。

16、作为本技术的一种具体实现方式，所述主控制单元包括持续触觉监控模块，所述主控制单元还被配置为维护触觉保护状态标志，且所述触觉保护状态标志仅由所述持续触觉监控模块置位或清除；所述持续触觉监控模块被配置为完成持续触觉监控，具体为：

17、进入统一控制周期后，读取各手指触觉传感器的z轴检测值；

18、针对每根手指，将所述z轴检测值与检测阈值比较，根据比较结果得到超过所述检测阈值的当前手指集合；

19、当检测到任一手指首次超检测阈值时，将所述执行器驱动单元的各执行器当前反馈位置写入对应目标位置寄存器，使该执行器停止在当前位置，不再继续朝收拢方向运动，同时置位触觉保护状态标志；

20、若判断全部手指的z轴检测值均恢复至所述检测阈值以下，则清除触觉保护状态标志，退出触觉保护状态。

21、作为本技术的一种具体实现方式，所述主控制单元包括方向预过滤模块，被配置为完成新指令方向预过滤，具体为：

22、获取超过检测阈值的当前手指集合，并对该集合中的每一根手指比较新目标角度与当前反馈角度；

23、若新目标角度对应继续收拢方向，则将该目标角度限制为当前反馈角度；

24、若新目标角度对应张开方向，则保留原值不变；

25、所述方向预过滤的执行优先于保护状态判定，且所述方向预过滤在保护状态保持期间仍持续执行。

26、作为本技术的一种具体实现方式，所述主控制单元包括保护状态保持模块，被配置为完成保护状态判定，具体为：

27、判断当前触觉保护状态标志是否有效，若有效则跳过执行器目标刷新。

28、第二方面，本发明实施例还提供了一种灵巧手抓取安全的协同控制方法，包括在统一控制周期内，按固定执行顺序依次如下步骤：

29、通信失联检测：在每个控制周期内，通过主控制单元进行通信失联检测，并根据最近一次通信时间戳更新通信失联状态标志；

30、持续触觉监控：通过主控制单元执行持续触觉监控，并更新当前超阈值手指集合以及触觉保护状态标志；

31、新指令方向预过滤：检测运动学执行标志是否有效；若有效，则执行新指令方向预过滤；若无效，则更新执行器的反馈位置；

32、保护状态判定：判断当前触觉保护状态标志是否有效，若有效，则跳过执行器的目标刷新，保持保护状态；

33、运动学转换与执行器目标下发：若触觉保护状态无效，则执行运动学转换和执行器目标下发；当通信失联渐进回位分支正在运行时，则由递减后的目标值进入同一执行链；

34、反馈更新：更新执行器的反馈位置并反馈统一抓取状态。

35、作为本技术的一种优选实现方式，进行通信失联检测之后，所述方法还包括执行附加保护支路检测，包括对指定执行器通道的过流检测。

36、作为本技术的一种具体实现方式，所述方法还包括在统一控制周期内，至少形成如下状态转移关系：

37、正常抓取状态可在持续触觉监控层检测到超阈值后转入触觉保护状态；

38、触觉保护状态可在全部触觉检测值恢复正常后转回正常抓取状态；

39、正常抓取状态或触觉保护状态均可在通信超时后转入通信失联渐进回位状态；

40、通信失联渐进回位状态中触觉保护仍可独立触发，形成回位中的触觉保护复合状态；

41、通信失联渐进回位状态可在通信恢复后退出异常分支，并在下一控制周期恢复正常调度。

42、实施本发明实施例，优点如下：

43、1）将分散的保护动作组织为统一状态机控制方法

44、与仅分别设置触觉检测、停止保护或异常回位等孤立功能的方案相比，本发明将持续触觉监控、方向预过滤、状态保持和渐进回位组织为同一状态机控制方法，并通过统一控制周期内的固定执行顺序进行协同调度，使各保护动作之间具有明确的优先级关系和互相制约的状态转移条件。

45、2）保护逻辑贯穿抓取全过程

46、本发明通过设置独立于新指令之外的持续触觉监控层，使触觉保护覆盖从执行器启动到实际接触物体再到稳定持握的全过程，能够有效减小抓取过程中的保护盲区。

47、3）方向预过滤消除保护解除瞬间的再触发风险

48、方向预过滤层在保护状态保持期间仍持续执行，将收拢方向的新指令目标限制为当前反馈值。当触觉恢复、保护状态解除后，等待执行的目标值已经过方向安全处理，不会导致执行器再次向收拢方向突变并重新触发保护。

49、4）通过状态保持降低保护性抖动

50、本发明通过保护状态保持模块，使保护状态一旦触发，在解除前不再允许新的收拢目标进入执行链路，并且保护状态标志仅由持续触觉监控层管理，从而降低执行器反复启停的风险。

51、5）通信异常时具备更平滑的安全退让能力

52、本发明在通信失联后采用渐进式张开而非瞬时复位，并复用原有目标和运动学执行链，同时允许触觉保护在回位过程中继续优先介入，从而提高异常工况下的安全性和工程适应性。通信恢复后自动退出安全回位状态，无需人工复位。

53、6）有利于提高控制动作之间的一致性

54、本发明将持续触觉监控、方向预过滤、状态保持、运动学执行和渐进回位集中到统一控制周期内进行协调，使控制时序、状态切换和优先级关系更加清晰，从而有利于提高系统整体控制一致性。