多自由度空間機械手嵌入式控制系統研究

李 楠 霍 宏 葉玉璇 楊俊峰 陸俊百

北京航天自動控制研究所，北京100854

隨著航天技術的迅速發展，主要太空強國的空間活動變得日益復雜和頻繁，航天器在軌維護［1］、深空探索［2］、空間站建設［3］和非合作目標捕獲［4］等復雜太空活動以及代替人類進行空間站值守的機器人宇航員［5］項目催生了空間機械手的迅速發展與廣泛應用。目前空間機械手主要分為2 大類［6］:1)多用途靈巧機械手，多用于裝備機器人宇航員和火星探索機器人等;2)是滿足特定任務的專用夾持器，多用于空間站建設、航天器轉運等。專用夾持器雖然結構簡單，控制方便，負載能力強，但僅對少量特定接口和形狀的物體適用，不能滿足航天作業中各種靈巧和精細操作任務的要求。而多指靈巧機械手自適應能力強，可抓取多種物體和工具，具備完成復雜的維修與捕獲任務的能力而成為今后空間機械手研究的熱點。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械手樣機設計了控制系統，以實現機械手對目標物體穩定、可靠的抓取控制。

1 機械手本體

文中的空間機械手在結構和外形設計上考慮了人手的特點，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 枚集成于手掌內部的直流伺服電機分別驅動，從而使每根手指都具備單獨動作的能力。各個手指均由近指節、中指節、指尖以及基關節、中關節和遠關節組成，內部傳動采用4 連桿耦合機構實現，從而使機械手具有了5個自由度和多達15個轉動關節，如圖1 所示。對假手掌部也進行了模仿人手曲面的設計:在高度方向，食指、無名指、小指基關節分別相對中指基關節下移;在厚度方向，相對中指基關節前移，再相對各自電機軸線旋轉，從而形成弧面，見圖1。

圖1 空間機械手結構

2 機械手嵌入式控制系統

空間機械手嵌入式控制系統由傳感器系統和運動控制系統組成。傳感器系統由關節力矩傳感器、關節位置傳感器和電機編碼器組成，用于向運動控制系統提供所需的手指力矩、位置和速度信息。運動控制系統用于實現對機械手各手指的運動控制，并通過通訊接口與上位機通訊。下面將對該控制系統進行詳細介紹。

2.1 傳感器系統

憑借豐富的感知能力，人手得以在各種環境中對不同物體進行自如的操作。同樣，在空間機械手控制系統中，具有感知功能的傳感器系統對機械手的操作性能也具有重要影響。傳感器系統作為閉環運動控制策略中的反饋信號獲取環節，需要向控制器提供傳感信息。因此，傳感器系統中所采用傳感器的數量多少、性能高低以及種類的豐富程度將大大影響機械手的操作性能和抓取智能。

本文的空間機械手集成了3 種傳感器，分別為基關節巨磁阻式絕對位置傳感器、基關節一維應變式力矩傳感器以及電機編碼器。其中，每根手指均配備有基關節絕對位置傳感器，而基關節力矩傳感器僅配備在除小指外的其他各手指內。另外，拇指、食指和中指這3 根主要的動作與操作手指均帶有電機編碼器。傳感器的具體配置如圖2 所示。

2.1.1 基關節絕對位置傳感器

該傳感器的敏感元件是巨磁阻式(Giant Magneto Resistive，GMR)傳感器芯片，安裝在基關節內電機軸正上方。而在電機軸的軸端則安裝有一個圓柱形磁鋼。當電機軸轉動時，固定在軸端的磁鋼隨轉軸一起旋轉，其旋轉磁場與GMR 元件表面平行。GMR 元件在旋轉磁場的作用下，輸出相位相差90°的正弦和余弦信號，通過有源低通濾波器對該信號進行放大和濾波處理，然后送入運動控制系統的DSP，通過A/D 采樣通道進行模/數轉換。基于GMR 的基關節絕對位置傳感器的測量與處理原理如圖3 所示。

對傳感器信號Sin_out 和Cos_out 完成采樣之后，還需要對其進行規一化處理，從而得到幅值為［－1，1］的信號數據Vsin和Vcos，然后再使用式(1)和(2)進行計算，即可得到旋轉角度θ。

圖2 空間機械手手指內集成的傳感器示意

2.1.2 基關節力矩傳感器

基關節力矩傳感器用于檢測手指基關節處的力矩。設計時為了實現高度的集成化，直接選擇手指基關節處的驅動連桿作為力矩傳感器的彈性體，將應變片粘貼在驅動連桿懸臂梁處的上、下表面，見圖4。

當電機轉動時，驅動力引起驅動連桿的彈性變形即可促使其上、下表面的應變片阻值發生變化。力矩傳感器的檢測電路如圖4 所示，由2 片應變片和2個電阻組成橋式電路，將應變片的阻值變化轉化成電壓變化接入到儀表放大器。然后經過低通RC 濾波器濾波后，由運動控制系統的DSP 通過A/D 轉換通道完成信號采集。再根據分壓值與力矩的線性關系，經標定后便可實現對基關節力矩的測量。

2.1.3 電機編碼器

拇指、食指和中指的驅動電機采用Faulhaber 公司的直流有刷微電機，電機后部集成磁阻編碼器。該編碼器輸出2 路相位差90°的信號。電機每轉1周，各路信號會輸出50個方波脈沖。電機編碼器可用于測量電機的轉速、轉向和位置信息。編碼器信號分辨率較高，但只能提供相對位置，可與基關節位置傳感器聯合使用來確定手指的當前位置，以獲得較高的測量精度。

圖3 GMR 傳感器測量原理圖

2.2 運動控制系統設計

運動控制系統在機械手的控制過程中需要完成多種任務，主要包括:1)執行控制流程和算法計算;2)傳感器數據采集;3)電機驅動;4)與上位機通訊。根據上述功能需求，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現運動控制系統的電路設計。在處理器芯片選擇上，需要該芯片具有很高的運算速度來實現實時流程控制和算法計算，大量的A/D 轉換通道進行傳感器數據采集，多通道的PMW 波輸出能力來產生對各個手指直流電機的控制信號，還需要具有豐富快速的通訊接口來完成與上位機交換數據的任務。而外圍電路的設計主要是輔助處理器核心完成對電機編碼器信號的處理，PWM 控制信號到驅動信號的轉換，傳感器信號的濾波以及通訊接口的物理層實現。根據上述設計思路，本文選擇TI 公司生產的DSP 芯片TMS320F2810 作為該系統的處理核心，該芯片是一種32 位定點處理器，工作頻率為150MHz，擁有豐富的外圍設備，包括:2 路串行通訊接口(SCI)模塊，1路區域網絡控制器(CAN)，1 路串行外圍接口(SPI)模塊，16 通道12 位A/D 轉換器，12 路(6 組)PWM通道以及3 路外部中斷通道。設計中，14個A/D 轉換通道用于采集5個位置傳感器和4個力矩傳感器的信號，通過CAN 總線與上位機通訊，通過5 組PWM 信號經3 片直流電機驅動芯片完成對5個電機的調速控制與驅動。另外，配以CPLD 芯片EPM7064 作為協處理芯片用于對電機編碼器信號進行倍頻和判向處理，并將處理后的信息轉遞給DSP。采用直流電機驅動芯片MPC17531 完成對PWM 控制信號的功率放大。另外采用CAN 總線收發器芯片構建通訊接口。運動控制系統的結構如圖5 所示。機械手嵌入式控制系統實物如圖6 所示。

圖4 基關節力矩傳感器信號測量原理

圖5 運動控制系統框架

2.3 運動控制算法設計

為減少機械手抓取物體時的沖擊，提高抓取柔順性和穩定性，在對各手指的運動控制中采用了基于位置的阻抗控制策略，可同時實現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轉換為位置修正量，使手指像彈簧一樣工作，從而降低了假手抓取物體的瞬時接觸力，使抓取更加柔順。控制框圖如圖7 所示。

圖6 空間機械手嵌入式控制系統實物圖

圖中位置控制環使用增量式PID 控制器，直流電機通過PWM 方式控制。絕對位置傳感器向PID控制器返回電機實際轉動位置θ。控制位置θc與實際轉動位置θ 作差，得到位置偏差量Δθ。根據方程(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個采樣時刻的位置偏差值，ΔUn為第n個采樣時刻的輸出量增量值，Un－1為第n －1個采樣時刻的輸出量，Kp，Ki和Kd分別為PID 控制器的比例、積分、微分系數，Keq為折算比例系數。

圖7 基于位置的阻抗控制框圖

力矩環中，力矩傳感器測量值Tcon通過阻抗濾波器產生一個修正位置θm:

式中，Md是目標慣量，Bd是目標阻尼，Kd是目標剛度。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 機械手運動控制實驗

為了檢驗控制系統對空間機械手的控制效果，設計了多指抓取控制實驗進行驗證。本文將機械手與上位機通過CAN 總線連接，如圖8 所示，上位機通過控制界面向機械手發送運動控制指令，實現對鐵質圓柱體的抓取。各個手指的運動規律為:食指、中指、無名指和小指按基關節旋轉0°→40°→50°→60°→70°→0°的順序抓握，拇指按基關節旋轉0°→15°→21°→27°→33°→0°的順序動作，圖9 是各手指在抓過程中的位置傳感器和力矩傳感器數據。

圖8 假手運動控制實驗平臺

圖9 機械手抓取實驗曲線

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°的運動過程中最后與抓取物接觸。在逐級握緊過程中，力矩梯次增強。由于采用了阻抗控制算法，在抓取過程中，實現了從自由空間到約束空間的柔順過渡，減小了沖擊，使抓取過程更穩定。

4 結論

為多自由度空間機械手設計的嵌入式控制系統由傳感器系統和運動控制系統構成。該系統集成于空間機械手的手掌及手指內部，以DSP 為控制處理核心，實現了閉環運動控制、傳感器數據采集、處理和傳遞。通過基于位置的阻抗控制算法完成手指的運動控制。實驗表明，該控制系統降低了機械手抓取物體時的沖擊力，提高了抓取的柔順性、可靠性和適應性。

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