ROBOT2016_129-134_腱驱动空间五指灵巧手控制系统研究_韩冬

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图 3 灵巧手软件结构 Fig.3 Software system of the dexterous hand
2) 人机交互模块 人机交互界面是面向操作人员的，既可向操作 人员显示灵巧手系统的状态信息，也可响应操作人 员的命令．友好的人机交互界面可大大减轻操作人 员的工作负担，有利于实现对灵巧手的精确控制， 减少误操作率．根据在轨服务的任务要求，设计了 如图 4 所示的人机交互界面．
第 38 卷第 2 期 2016 年 3 月 DOI：10.13973/j.cnki.robot.2016.0129
机器人
ROBOT
Vol.38, No.2 Mar., 2016
腱驱动空间五指灵巧手控制系统研究
韩 冬 1,2 ，聂 宏 1 ，陈金宝 1 ，颜文彧 1 ，王小涛 1
210016； 2. 上海宇航系统工程研究所，上海 201108） （1. 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京
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控制系统硬件结构（Hardware structure of the control system）
Maxon ⭥ᵪ
本文设计的腱驱动空间五指灵巧手如图 1 所 示，该灵巧手具有尺寸小、负载能力大、抗干扰能 力强的特点，共 12 个自由度，其中拇指 4 个，食指 和中指各 3 个，小指和无名指各 1 个，由 16 个电 机驱动并通过腱绳传动．
The Control System of the Tendon-Driven Space Five-fingered Dexterous Hand
HAN Dong1,2 ，NIE Hong1 ，CHEN Jinbao1 ，YAN Wenyu1 ，WANG Xiaotao1
(1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201108, China)
为实现位置闭环控制，每个手指关节上安装了 霍尔传感器和磁钢，其测量角度的基本原理为：当 关节运动时，磁钢相对于霍尔传感器转动，霍尔传 感器周围的磁场发生变化，导致其输出信号变化， 通过标定的方法，即可得到精确的关节角度．由于 霍尔传感器输出的是模拟信号，因此需要采用高分 辨率的数据采集卡将其转换为数字信号．
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（NS2015085） ． 通信作者：韩冬，han dongnuaa@126.com 收稿／ 录用／ 修回：2015-12-27/2016-02-02/2016-02-21
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机 器
人
2016 年 3 月
能减少驱动器的数量，可采用“N + 1”的腱驱动方 案，即 N + 1 根腱绳控制 N 个自由度的手指 [14] ，但 这种方式使得关节空间和腱绳空间存在耦合．为解 决该问题，文 [15] 建立了关节力矩到腱张力的映射 关系，而实际应用中由于摩擦力的影响，腱张力很 难精确获得． 腱驱动灵巧手可适应空间复杂、 恶劣的环境， 具有更高的灵巧性和安全性．但腱驱动也导致控制 精度较低、响应迟滞的问题．为此，本文针对腱驱 动灵巧手建立了高效的软、硬控制系统，给出基于 位置的关节空间到腱空间的解耦方法．为解决腱预 紧力不同和响应迟滞导致多指运动不同步和控制 精度不高的问题，提出了实时多指协调运动控制算 法．通过抓取实验验证了灵巧手控制系统的精确性 和稳定性．
它采用可靠性高、 实时性好、 传输速率快的 EtherCAT 接口，可通过自带的采集接口获取霍尔传感 器、增量式编码器和绝对式编码器的数据，以实现 对电机的精确控制．电机使用 Maxon 公司的 EC13 无刷直流电机，该电机具有加速快、转矩大、转速 范围广等优点，同时配备 ENX10 型编码器，可实 现高达 π/53248 rad 的分辨率，为灵巧手的精确控制 提供保证．
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图 2 控制系统硬件结构 Fig.2 Hardware structure of the control system
图 1 腱驱动灵巧手 Fig.1 Tendon-driven dexterous hand
第 38 卷第 2 期
韩冬，等：腱驱动空间五指灵巧手控制系统研究
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本文利用 RTX （real-time extension）创建共享 内 存． RTX 是 美 国 IntervalZero 公 司 开 发 的 基 于 Windows 系统的实时解决方案，它拓展了 Windows 操作系统内核体系，实现独立的内核驱动模式，形 成与 Windows 操作系统并列的实时子系统 [16]．由 于 RTX 对传统的信号量机制进行了一些扩展，使 优先级倒置问题最小化，可有效解决共享内存互斥 访问的问题，保证灵巧手控制系统更实时、可靠地 运行．
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3) 虚拟显示模块 本文采用 Open Inventor 三维图形软件建立基于 树形结构的灵巧手虚拟场景，可实时监视灵巧手的 运动状态，进行虚拟抓取仿真，如图 5 所示．
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Fig.5
图 5 灵巧手虚拟场景 Virtual scene of the dexterous hand
4) 采集卡模块 读取采集卡的数据，并将其写入共享内存，以 便其他模块读取． 5) 数据手套模块 接收数据手套测量的人手关节信息，并将其写 入共享内存，以实现对灵巧手的遥操作． 6) 电机控制模块 从共享内存读取各电机的位移、速度命令并发 送给下位机，也可将电机的状态信息（实际位移） 写入共享内存． 该架构最大的优点是各功能模块独立运行，仅 依靠共享内存实现相互之间的通信，有利于实时控 制，便于搭建庞大的软件系统． 3.2 下位机软件 灵巧手下位机软件是在多轴运动控制器 GMAS 中实现的，它与上位机通过 Modbus/TCP 协议通信， 可实现多轴运动规划以及同步精确控制．
Abstract: A real-time control system is designed for a tendon-driven five-fingered dexterous hand for on-orbit service. In order to satisfy the special requirements for synchronism and real-timeness of multi-finger operation for tendon-driven hand, a modular software architecture based on RTX (real time extension) shared memory is proposed, which can integrate man-machine interface, virtual display, tele-operation and data transmission. This software architecture has virtues of good scalability, clear structure and high transmission efficiency. The decoupling matrixes from joint-space to tendon-space are presented to solve the problem of tendon-driven coupling, and they are used for the real-time coordinated motion control of multiple fingers to ensure the fingers simultaneously reach the desired positions and decrease the negative effects of tendondriven delay. Finally, the proposed control system is proven to be stable and reliable by the experiments of multi-finger dexterous grasp and tele-operation. Keywords: on-orbit service; five-fingered dexterous hand; shared memory; multi-finger coordination
摘 要：以适用于空间在轨服务的腱驱动五指灵巧手为研究对象，设计具有一定实时性的控制系统．为满足 腱驱动灵巧手多指操作对同步性和实时性的特殊要求，提出基于 RTX（real time extension）共享内存的模块化软件 架构，可集成人机交互、虚拟显示、遥操作以及数据传输等模块，具有扩展性好、结构清晰、传输效率高的优点． 针对腱驱动耦合的问题，提出关节空间到腱空间的解耦矩阵，并据此给出实时多指协调运动控制方法，以确保各 手指同时到达期望位置，减小腱驱动迟滞造成的不利影响．最后通过多指灵巧抓取以及遥操作实验，验证所提控 制系统的稳定性、可靠性． 关键词：在轨服务；五指灵巧手；共享内存；多指协调 中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1002-0446(2016)-02-0129-06
Hale Waihona Puke Baidu
航天大学的 BH 系列灵巧手 [4] 和哈尔滨工业大学 的 DLR-HIT II 灵巧手 [5-7]．该类型灵巧手的优点是 控制精度高、迟滞小、易于模块化设计 [8] ，但由于 对电机、机构、硬件电路等的设计制造提出严格要 求，因此大大增加了技术复杂度和研制成本，同时 手指尺寸和重量也很难有效减小，限制了手指的灵 巧性． 驱动外置式灵巧手将传动机构和大部分的电气 系统置于前臂处，一方面可充分减小手指的尺寸 和重量，实现更灵活的操作，另一方面可采用大力 矩电机和腱绳驱动手指运动，使负载更大，例如美 国 R2 手 [9-11]、日本 Gifu 灵巧手 [12-13]、英国 Shadow 手．为了实现对腱驱动灵巧手的完全控制同时尽可
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引言（Introduction）
研究具有高智能，能够独立决策、判断、思考 的空间机器人是空间自主在轨服务技术的关键 [1-2]． 空间灵巧手作为在轨服务智能机器人的末端执行 器，具有更好的通用性和适应性，将在辅助或代替 航天员出舱进行在轨维护、在轨装配等领域起到重 要的作用 [3]． 多指灵巧手已在小型化、智能化、拟人化、可 靠性等方面得到了很大提高，按驱动方式可分为 驱动内置式和驱动外置式． 其中驱动内置式灵巧 手的典型特点是高度集成化，即控制器、 驱动器、 传动机构等均集成在手指、 手掌内，如北京航空
为了实现精确、灵活、智能的抓取操作，灵巧 手的硬件系统采用层次化设计理念，包括数据手 套、上位机、多轴运动控制器、电机驱动器、直流 无刷电机以及数据采集卡和关节传感器等，如图 2 所示． 数据手套可控制灵巧手完成复杂的抓取操作． 上位机可实现人机交互、任务规划、数据采集和处 理以及命令发送等．多轴运动控制器采用 ELMO 公 司的 Gold Maestro （GMAS）控制器，该控制器通 过 EtherCAT 总线与驱动器连接，能实现多达 96 根 轴的实时同步控制，满足灵巧手多轴协调控制的要 求． 驱动器采用 ELMO 公司的 Gold Solo Whistle，
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控制系统软件结构（Software structure of the control system）
根据控制系统的硬件结构，软件部分包括上位 机软件和下位机软件，如图 3 所示． 3.1 上位机软件 上位机软件采用模块化的设计方法，并通过共 享内存技术实现不同模块之间的数据交换，具有扩 展性好、传输速率快的特点． 1) 共享内存 共享内存的作用是数据存储和交换，其他模块 可向共享内存写数据，也可读数据．