一种多感知融合灵巧手的协调控制方法

1.本发明涉及灵巧手控制设计领域。设计了一种多感知融合灵巧手的协调控制方法。


背景技术：

2.机器人在近几十年中对人类社会与工业领域带来了重大的影响与变革。尽管机器人存在这众多优势，但始终无法像人们预期一样在工业与服务业领域大放异彩。主要是由于末端执行器不灵活，虽然这几年末端执行器结构设计不断优化，能达到多自由度仿人手的设计，但进行灵活控制仍是难题。一些科研用灵巧手有自己的控制方法，但对于工业生产用的三指及五指灵巧手，还缺乏着一套通用的灵巧手协调控制方法。
3.有鉴于此，本发明用一种多感知融合灵巧手的协调控制方法，以解决现有技术存在的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有理论无法提供一种通用的、基础的、通途广泛的方法来对多模态灵巧手进行协调控制。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种通用的多模态感知与传感系统，该系统包括了角度传感器、薄膜压力传感器、力/力矩传感器、温度传感器。
7.一种多传感器融合模型，该模型包括了特征提取、一级融合模型、二级融合模型以及抓取稳定性数学模型。
8.多传感器融合模型用于协调控制中的反馈项，融合模型描述了抓取稳定性，其特征在于，根据传感器输入信息，生成抓取能力参数，用来衡量抓取稳定性。
9.一种灵巧手协调控制方法，其特征在于使用多传感器融合模型作为反馈项，根据融合模型的抓取能力参数，抓取不稳定则参数对输出力进行协调调整，直到抓取稳定则进程结束。
附图说明
10.图1为本发明中多传感器融合方法核心流程图；
11.图2为本发明中二级融合模型中抓取能力参数计算概念图；
12.图3为本发明中灵巧手协调控制总体设计流程图；
13.图4为本发明中灵巧手协调控制中主体力控制设计流程图；
14.图5为本发明中灵巧手协调控制中协调控制器设计流程图；
具体实施方式
15.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面结合附图和实施
例，对本发明进行详细说明。
16.如图1所示，多传感器包含了角度传感器、薄膜压力传感器、力/力矩传感器以及温度传感器等通用型传感器，其目的在于提取弯曲特征、接触点信息特征、力特征以及温度特征，并将其融合。整个多传感器融合方法包含了两级融合，一级融合为灵巧手弯曲特征与接触位点特征通过位姿矩阵，融合为接触位点空间坐标向量信息；力特征与温度特征通过温度补偿计算，融合为抓持力特征。二级融合为接触位点空间坐标向量信息与抓持力特征经过力平衡判断生成抓取能力参数，形成了对抓取稳定性一致性描述的数学模型。
17.二级中抓取能力参数的计算概念如图2所示，一级融合的接触位点空间坐标向量信息与抓持力特征合并生成多个抓取摩擦锥；三个或多个摩擦锥顶点形成抓取圆，抓取圆所在平面为抓取平面，抓取平面内，抓取摩擦锥相交，相交区域如图2所示。相交区域与抓取圆面积的比值定义为抓取能力参数，衡量了抓取稳定性。
18.如图3所示，灵巧手协调控制总体设计流程为基于事件触发的力位并行控制方法。协调控制开始，输入目标物体的物理信息，根据物理信息进行自由空间内的位置控制，当薄膜压力传感器检测到接触力时，切换到约束空间内的力控制，并根据多传感器融合模型的抓取能力参数，当判断抓取稳定时结束进程，若抓取不稳定，则根据抓取能力参数进行力控制。
19.如图4所示，基于抓取能力参数主体力控制设计流程为进入力控后，根据目标物体物理信息如形状、质量、位置等，根据多传感器融合数学模型生成预期抓取能力参数，并依据预期抓取能力参数生成预期抓取力，输入到积分控制器中控制灵巧手抓取物体。抓取物体后会得到传感器的实际抓取力信息，输入到多传感器融合数学模型中得到实际抓取能力参数，通过实际抓取能力参数与预期抓取能力参数的对比判断是否抓取稳定。若没有抓取稳定则计算差值并输入到协调控制器中进行力分配，协调控制器输出调整的抓取力到积分控制器中继续控制灵巧手抓取。
20.如图5所示，协调控制器的设计流程为力控判断为抓取不稳定后得到各个手指的抓取力信息，并对这些信息进行判断和处理。以五指为例，当拇指外四指中只有一根手指抓取力满足预期力时，其他手指根据抓取能力预期实际差值增加抓取力，同时这根手指的预期力也相应减少；当有两根手指满足预期力时，需先判断这两根手指是否相邻，不相邻时，这两根手指根据抓取能力预期实际差值减少预期力，其他手指增加预期力，若相邻则只需根据抓取能力预期实际差值增加预期力；当只有一根手指不满足预期力时，这根手指根据抓取能力预期实际差值增加预期力，其他手指根据抓取能力预期实际差值减少预期力。
21.将调整后的手指预期力输入到积分控制器中控制灵巧手抓取物体，并循环重复这个协调控制过程直到判断抓取稳定，进程结束。


技术特征：
1.设计了一种多感知融合灵巧手的协调控制方法，其特征在于：该方法包括了多传感器融合数学模型建立方法和灵巧手协调控制方法。2.如权利要求1所述的多传感器融合数学模型建立方法，其特征在于：通过集成多种传感器并收集其信号，包括了角度传感器、薄膜压力传感器、力/力矩传感器、温度传感器。对其信号进行特征提取、一级融合、二级融合最终形成了对抓取稳定性的一致性解释，构成了多传感器融合数学模型。3.如权利要求1所述的灵巧手协调控制方法，其特征在于：将多传感器融合数学模型用于协调控制反馈项，根据传感器输入信息，生成抓取能力参数，用来衡量抓取稳定性。根据融合模型的抓取能力参数，抓取不稳定则参数对输出力进行协调调整，直到抓取稳定则进程结束。

技术总结
本发明公开一种用于工业等领域灵巧手协调控制方法。该方法包括以下步骤：(1)多传感器融合数学模型建立；(2)基于事件触发并行力位混合控制；(3)多传感器融合生成抓取能力参数对抓取稳定性进行判断；(4)输入抓取能力参数至协调控制器；(5)协调控制器进行力分配，形成闭环力控制。本发明专利技术高实践与应用性，对于不同种类、不同手指数、不同刚软性的灵巧手的控制都具有通用的指导性，该方法不会因为灵巧手结构的特殊性而失效；高指导意义，灵巧手设计领域缺少通用性强的控制方法，该方法可以提供工业等领域灵巧手的通用控制，减少灵巧手控制设计难度等。手控制设计难度等。手控制设计难度等。


技术研发人员：陈殿生 王英涵 刘哲
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.10.28
技术公布日：2022/12/9