李 楠 霍 宏 葉玉璇 楊俊峰 陸俊百

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展，主要太空強(qiáng)國的空間活動(dòng)變得日益復(fù)雜和頻繁，航天器在軌維護(hù)［1］、深空探索［2］、空間站建設(shè)［3］和非合作目標(biāo)捕獲［4］等復(fù)雜太空活動(dòng)以及代替人類進(jìn)行空間站值守的機(jī)器人宇航員［5］項(xiàng)目催生了空間機(jī)械手的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。目前空間機(jī)械手主要分為2 大類［6］:1)多用途靈巧機(jī)械手，多用于裝備機(jī)器人宇航員和火星探索機(jī)器人等;2)是滿足特定任務(wù)的專用夾持器，多用于空間站建設(shè)、航天器轉(zhuǎn)運(yùn)等。專用夾持器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，負(fù)載能力強(qiáng)，但僅對(duì)少量特定接口和形狀的物體適用，不能滿足航天作業(yè)中各種靈巧和精細(xì)操作任務(wù)的要求。而多指靈巧機(jī)械手自適應(yīng)能力強(qiáng)，可抓取多種物體和工具，具備完成復(fù)雜的維修與捕獲任務(wù)的能力而成為今后空間機(jī)械手研究的熱點(diǎn)。本文為一種重量輕，靈活度高，具有多種傳感信息感知能力的空間機(jī)械手樣機(jī)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)目標(biāo)物體穩(wěn)定、可靠的抓取控制。

1 機(jī)械手本體

文中的空間機(jī)械手在結(jié)構(gòu)和外形設(shè)計(jì)上考慮了人手的特點(diǎn)，由5 根手指、手掌蓋板、手背蓋板以及手腕組成，體積為158mm×76mm×21mm，相當(dāng)于一般人手的90%，重量約為420g。5 根手指由5 枚集成于手掌內(nèi)部的直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，從而使每根手指都具備單獨(dú)動(dòng)作的能力。各個(gè)手指均由近指節(jié)、中指節(jié)、指尖以及基關(guān)節(jié)、中關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)組成，內(nèi)部傳動(dòng)采用4 連桿耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，從而使機(jī)械手具有了5個(gè)自由度和多達(dá)15個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，如圖1 所示。對(duì)假手掌部也進(jìn)行了模仿人手曲面的設(shè)計(jì):在高度方向，食指、無名指、小指基關(guān)節(jié)分別相對(duì)中指基關(guān)節(jié)下移;在厚度方向，相對(duì)中指基關(guān)節(jié)前移，再相對(duì)各自電機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)，從而形成弧面，見圖1。

圖1 空間機(jī)械手結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械手嵌入式控制系統(tǒng)

空間機(jī)械手嵌入式控制系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。傳感器系統(tǒng)由關(guān)節(jié)力矩傳感器、關(guān)節(jié)位置傳感器和電機(jī)編碼器組成，用于向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供所需的手指力矩、位置和速度信息。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手各手指的運(yùn)動(dòng)控制，并通過通訊接口與上位機(jī)通訊。下面將對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 傳感器系統(tǒng)

憑借豐富的感知能力，人手得以在各種環(huán)境中對(duì)不同物體進(jìn)行自如的操作。同樣，在空間機(jī)械手控制系統(tǒng)中，具有感知功能的傳感器系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手的操作性能也具有重要影響。傳感器系統(tǒng)作為閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制策略中的反饋信號(hào)獲取環(huán)節(jié)，需要向控制器提供傳感信息。因此，傳感器系統(tǒng)中所采用傳感器的數(shù)量多少、性能高低以及種類的豐富程度將大大影響機(jī)械手的操作性能和抓取智能。

本文的空間機(jī)械手集成了3 種傳感器，分別為基關(guān)節(jié)巨磁阻式絕對(duì)位置傳感器、基關(guān)節(jié)一維應(yīng)變式力矩傳感器以及電機(jī)編碼器。其中，每根手指均配備有基關(guān)節(jié)絕對(duì)位置傳感器，而基關(guān)節(jié)力矩傳感器僅配備在除小指外的其他各手指內(nèi)。另外，拇指、食指和中指這3 根主要的動(dòng)作與操作手指均帶有電機(jī)編碼器。傳感器的具體配置如圖2 所示。

2.1.1 基關(guān)節(jié)絕對(duì)位置傳感器

該傳感器的敏感元件是巨磁阻式(Giant Magneto Resistive，GMR)傳感器芯片，安裝在基關(guān)節(jié)內(nèi)電機(jī)軸正上方。而在電機(jī)軸的軸端則安裝有一個(gè)圓柱形磁鋼。當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定在軸端的磁鋼隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與GMR 元件表面平行。GMR 元件在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，輸出相位相差90°的正弦和余弦信號(hào)，通過有源低通濾波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，然后送入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的DSP，通過A/D 采樣通道進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。基于GMR 的基關(guān)節(jié)絕對(duì)位置傳感器的測(cè)量與處理原理如圖3 所示。

對(duì)傳感器信號(hào)Sin_out 和Cos_out 完成采樣之后，還需要對(duì)其進(jìn)行規(guī)一化處理，從而得到幅值為［－1，1］的信號(hào)數(shù)據(jù)Vsin和Vcos，然后再使用式(1)和(2)進(jìn)行計(jì)算，即可得到旋轉(zhuǎn)角度θ。

圖2 空間機(jī)械手手指內(nèi)集成的傳感器示意

2.1.2 基關(guān)節(jié)力矩傳感器

基關(guān)節(jié)力矩傳感器用于檢測(cè)手指基關(guān)節(jié)處的力矩。設(shè)計(jì)時(shí)為了實(shí)現(xiàn)高度的集成化，直接選擇手指基關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)連桿作為力矩傳感器的彈性體，將應(yīng)變片粘貼在驅(qū)動(dòng)連桿懸臂梁處的上、下表面，見圖4。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力引起驅(qū)動(dòng)連桿的彈性變形即可促使其上、下表面的應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。力矩傳感器的檢測(cè)電路如圖4 所示，由2 片應(yīng)變片和2個(gè)電阻組成橋式電路，將應(yīng)變片的阻值變化轉(zhuǎn)化成電壓變化接入到儀表放大器。然后經(jīng)過低通RC 濾波器濾波后，由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的DSP 通過A/D 轉(zhuǎn)換通道完成信號(hào)采集。再根據(jù)分壓值與力矩的線性關(guān)系，經(jīng)標(biāo)定后便可實(shí)現(xiàn)對(duì)基關(guān)節(jié)力矩的測(cè)量。

2.1.3 電機(jī)編碼器

拇指、食指和中指的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用Faulhaber 公司的直流有刷微電機(jī)，電機(jī)后部集成磁阻編碼器。該編碼器輸出2 路相位差90°的信號(hào)。電機(jī)每轉(zhuǎn)1周，各路信號(hào)會(huì)輸出50個(gè)方波脈沖。電機(jī)編碼器可用于測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置信息。編碼器信號(hào)分辨率較高，但只能提供相對(duì)位置，可與基關(guān)節(jié)位置傳感器聯(lián)合使用來確定手指的當(dāng)前位置，以獲得較高的測(cè)量精度。

圖3 GMR 傳感器測(cè)量原理圖

2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在機(jī)械手的控制過程中需要完成多種任務(wù)，主要包括:1)執(zhí)行控制流程和算法計(jì)算;2)傳感器數(shù)據(jù)采集;3)電機(jī)驅(qū)動(dòng);4)與上位機(jī)通訊。根據(jù)上述功能需求，本文采用以高性能處理器芯片為核心，外圍匹配輔助電路的方式來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。在處理器芯片選擇上，需要該芯片具有很高的運(yùn)算速度來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流程控制和算法計(jì)算，大量的A/D 轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，多通道的PMW 波輸出能力來產(chǎn)生對(duì)各個(gè)手指直流電機(jī)的控制信號(hào)，還需要具有豐富快速的通訊接口來完成與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)的任務(wù)。而外圍電路的設(shè)計(jì)主要是輔助處理器核心完成對(duì)電機(jī)編碼器信號(hào)的處理，PWM 控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，傳感器信號(hào)的濾波以及通訊接口的物理層實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，本文選擇TI 公司生產(chǎn)的DSP 芯片TMS320F2810 作為該系統(tǒng)的處理核心，該芯片是一種32 位定點(diǎn)處理器，工作頻率為150MHz，擁有豐富的外圍設(shè)備，包括:2 路串行通訊接口(SCI)模塊，1路區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制器(CAN)，1 路串行外圍接口(SPI)模塊，16 通道12 位A/D 轉(zhuǎn)換器，12 路(6 組)PWM通道以及3 路外部中斷通道。設(shè)計(jì)中，14個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換通道用于采集5個(gè)位置傳感器和4個(gè)力矩傳感器的信號(hào)，通過CAN 總線與上位機(jī)通訊，通過5 組PWM 信號(hào)經(jīng)3 片直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片完成對(duì)5個(gè)電機(jī)的調(diào)速控制與驅(qū)動(dòng)。另外，配以CPLD 芯片EPM7064 作為協(xié)處理芯片用于對(duì)電機(jī)編碼器信號(hào)進(jìn)行倍頻和判向處理，并將處理后的信息轉(zhuǎn)遞給DSP。采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MPC17531 完成對(duì)PWM 控制信號(hào)的功率放大。另外采用CAN 總線收發(fā)器芯片構(gòu)建通訊接口。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。機(jī)械手嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)物如圖6 所示。

圖4 基關(guān)節(jié)力矩傳感器信號(hào)測(cè)量原理

圖5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框架

2.3 運(yùn)動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)

為減少機(jī)械手抓取物體時(shí)的沖擊，提高抓取柔順性和穩(wěn)定性，在對(duì)各手指的運(yùn)動(dòng)控制中采用了基于位置的阻抗控制策略，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)在自由空間的位置控制和約束空間的力矩控制。由于該阻抗控制策略可以將反饋的力矩信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置修正量，使手指像彈簧一樣工作，從而降低了假手抓取物體的瞬時(shí)接觸力，使抓取更加柔順。控制框圖如圖7 所示。

圖6 空間機(jī)械手嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)物圖

圖中位置控制環(huán)使用增量式PID 控制器，直流電機(jī)通過PWM 方式控制。絕對(duì)位置傳感器向PID控制器返回電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)位置θ?？刂莆恢忙萩與實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)位置θ 作差，得到位置偏差量Δθ。根據(jù)方程(3)和(4)可得輸出量Un。

其中，Δθn，Δθn－1，Δθn－2分別為第n，n －1，n －2個(gè)采樣時(shí)刻的位置偏差值，ΔUn為第n個(gè)采樣時(shí)刻的輸出量增量值，Un－1為第n －1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出量，Kp，Ki和Kd分別為PID 控制器的比例、積分、微分系數(shù)，Keq為折算比例系數(shù)。

圖7 基于位置的阻抗控制框圖

力矩環(huán)中，力矩傳感器測(cè)量值Tcon通過阻抗濾波器產(chǎn)生一個(gè)修正位置θm:

式中，Md是目標(biāo)慣量，Bd是目標(biāo)阻尼，Kd是目標(biāo)剛度。修正位置θm與期望位置θh相減得到控制位置θc作為位置控制器的輸入。

3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)控制系統(tǒng)對(duì)空間機(jī)械手的控制效果，設(shè)計(jì)了多指抓取控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文將機(jī)械手與上位機(jī)通過CAN 總線連接，如圖8 所示，上位機(jī)通過控制界面向機(jī)械手發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵質(zhì)圓柱體的抓取。各個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為:食指、中指、無名指和小指按基關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)0°→40°→50°→60°→70°→0°的順序抓握，拇指按基關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)0°→15°→21°→27°→33°→0°的順序動(dòng)作，圖9 是各手指在抓過程中的位置傳感器和力矩傳感器數(shù)據(jù)。

圖8 假手運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖9 機(jī)械手抓取實(shí)驗(yàn)曲線

從圖9 可以看出，拇指和食指最先碰觸到抓取物，然后中指和無名指相繼與抓取物接觸，小指在從60°→70°的運(yùn)動(dòng)過程中最后與抓取物接觸。在逐級(jí)握緊過程中，力矩梯次增強(qiáng)。由于采用了阻抗控制算法，在抓取過程中，實(shí)現(xiàn)了從自由空間到約束空間的柔順過渡，減小了沖擊，使抓取過程更穩(wěn)定。

4 結(jié)論

為多自由度空間機(jī)械手設(shè)計(jì)的嵌入式控制系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)集成于空間機(jī)械手的手掌及手指內(nèi)部，以DSP 為控制處理核心，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、處理和傳遞。通過基于位置的阻抗控制算法完成手指的運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)降低了機(jī)械手抓取物體時(shí)的沖擊力，提高了抓取的柔順性、可靠性和適應(yīng)性。

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