CN117539175A - 一种具有柔顺结构的力控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有柔顺结构的力控制***，其包括控制器以及执行器；所述控制器包括数据处理单元、电机驱动单元以及通讯单元；所述控制器和所述执行器之间通过所述通讯单元进行通讯。所述执行器包括电机、力传感器以及柔顺机构；所述柔顺机构可与外部执行对象接触；所述力传感器将所述柔顺机构与外部执行对象接触后力传感器测量结果反馈至数据处理单元进行控制。本发明的力控制***能改善力控制***的性能。

Description

一种具有柔顺结构的力控制***

技术领域

本发明涉及力控制技术领域，特别涉及一种具有柔顺结构的力控制***。

背景技术

力控***是一类基于力传感器反馈的控制***。在传统的力控制***中，将力传感器的检测信息作为力反馈信号，实现执行器与环境作用力的控制。基于作用力控制指令，力控制***可以通过执行器输出恒定或以某种规律变化的作用力，实现精密加工、按摩、人机交互等复杂工作。

但是，与位置控制、速度控制不同，力控制更关注控制***与环境之间的作用关系。力控制***所作用的环境具有难以预测的复杂性，且力信号会受到环境变化的影响。在实际控制***工作过程中，力测量值会有较大波动，特别在执行器与硬度较大的环境接触或脱离时。力反馈信号的阶跃式跳变会导致控制算法输出幅值较大的控制信号，导致***震荡，甚至破坏稳定性。此外，力传感器通常对噪声十分敏感，特别是低成本的力传感器。由于力控制***的带宽较高，控制器极易产生噪声响应，破环***的稳定性。

因此，有必要提出一种具有柔顺结构的力控制***及测试方法，改善力控制***的性能，降低环境的复杂力学特性对力控制***的影响。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种具有柔顺结构的力控制***，所述具有柔顺结构的力控制***包括：控制器以及执行器；

所述控制器包括：数据处理单元、电机驱动单元以及通讯单元；

所述控制器和所述执行器之间通过所述通讯单元进行通讯；

所述执行器包括：电机、力传感器以及柔顺机构；

所述电机由所述电机驱动单元进行驱动，并连接所述力传感器；

所述柔顺机构一端连接所述力传感器，另一端可与外部执行对象接触；

所述力传感器将所述柔顺机构与外部执行对象接触后力传感器测量结果反馈至数据处理单元进行控制。

在一些实施例中，所述通讯单元为电气接口。

在一些实施例中，所述控制器还包括信号采集单元；

所述信号采集单元与所述力传感器以及数据处理单元连接，用于将所述力传感器测量结果经过信号处理后反馈至数据处理单元。

在一些实施例中，所述具有柔顺结构的力控制***通过外部通讯接口与上位机通讯，接收外部控制指令。

在一些实施例中，所述电机包括旋转电机、直线电机、音圈电机、压电陶瓷。

在一些实施例中，所述力传感器包括：应变管式、膜片式、应变梁式力传感器。

在一些实施例中，所述数据处理单元包括：单片机、数字信号处理器；所述电机驱动单元为电机驱动器；所述信号采集单元为力传感器信号处理单元。

在一些实施例中，所述执行器还包括导轨；所述电机为音圈电机，所述音圈电机包括：外壳以及设置于外壳内的音圈电机定子以及音圈电机动子，所述音圈电机定子与所述外壳固定连接；所述力传感器一端连接音圈电机动子，另一端连接所述导轨；所述导轨设置在所述外壳上；所述柔顺机构为弹簧，其与所述导轨连接，并可在所述导轨的既定轨道内运动。

在一些实施例中，所述力传感器为应变管式压力传感器。

在一些实施例中，所述导轨为圆柱形导轨。

本发明的技术效果：本发明公开的具有柔顺结构的力控制***包括控制器以及执行器；所述控制器包括：数据处理单元、电机驱动单元以及通讯单元；所述控制器和所述执行器之间通过所述通讯单元进行通讯；所述执行器包括：电机、力传感器以及柔顺机构；所述柔顺机构可与外部执行对象接触；所述力传感器将所述柔顺机构与外部执行对象接触后力传感器测量结果反馈至数据处理单元进行控制。本发明的力控制***能改善力控制***的性能。本发明通过在力控制***中的柔顺机构，使控制***与环境间接接触，降低环境的复杂力学特性对力控制***的影响。并通过柔性机构消除力信号的跳变、噪声，改善控制性能，增强稳定性，提高力控制的应用范围，通过物理方法改善了力控制***的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例的一种具有柔顺结构的力控制***的结构框图；

图2是根据本发明一个实施例的一种具有柔顺结构的力控制***的控制器功能结构框图；

图3是根据本发明一个实施例的一种具有柔顺结构的力控制***的执行器的结构示意图；

图4是图3中的抖动抑制结果示意图，其中：图4(a)是对比例，图4(b)是本实施例的抖动抑制结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参考图1至图3所示，本发明提供了一种具有柔顺结构的力控制***100。所述具有柔顺结构的力控制***100包括：控制器10以及执行器20；

所述控制器10包括：数据处理单元、电机驱动单元以及通讯单元；

所述控制器10和所述执行器20之间通过所述通讯单元进行通讯；

所述执行器20包括：电机21、力传感器22以及柔顺机构23；

所述电机21由所述电机驱动单元进行驱动，并连接所述力传感器22；

所述柔顺机构23一端连接所述力传感器22，另一端可与外部执行对象接触；

所述力传感器22将所述柔顺机构23与外部执行对象接触后力传感器22测量结果反馈至数据处理单元进行控制。

在一些实施例中，所述通讯单元为电气接口。

在一些实施例中，所述控制器10还包括信号采集单元；

所述信号采集单元与所述力传感器22以及数据处理单元连接，用于将所述力传感器22测量结果经过信号处理后反馈至数据处理单元。

在一些实施例中，所述具有柔顺结构的力控制***100通过外部通讯接口与上位机30通讯，接收外部控制指令。

在一些实施例中，所述电机包括旋转电机、直线电机、音圈电机、压电陶瓷。

在一些实施例中，所述力传感器包括：应变管式、膜片式、应变梁式力传感器。

在一些实施例中，所述数据处理单元包括：单片机、数字信号处理器；所述电机驱动单元为电机驱动器；所述信号采集单元为力传感器信号处理单元。

在一些实施例中，所述执行器20还包括导轨24；所述电机21为音圈电机，所述音圈电机包括：外壳211以及设置于外壳211内的音圈电机定子212以及音圈电机动子213，所述音圈电机定子212与所述外壳211固定连接；所述力传感器22一端连接音圈电机动子213，另一端连接所述导轨24；所述导轨24设置在所述外壳211上；所述柔顺机构23为弹簧，其与所述导轨24连接，并可在所述导轨24的既定轨道内运动。

在一些实施例中，所述力传感器为应变管式压力传感器。

在一些实施例中，所述导轨为圆柱形导轨。

在一些具体实施例中，执行器为多种机械结构与电气元件的集合，包含电机、力传感器、导轨、柔顺机构、限位机构等。其中，电机为作用力输出装置，可以在电信号的作用下产生运动，具体包括旋转电机、直线电机、音圈电机、压电陶瓷等；力传感器为反馈信号获取装置，可以测量作用力或力矩，具体包括应变管式、膜片式、应变梁式等力传感器；导轨为自由度约束装置，配合力传感器测量的自由度，也可以采用其他形式的运动副；柔顺机构为作用力过渡装置，为具有弹性阻尼的机械结构，具体包括弹簧、橡胶垫、钢丝绳等；限位机构为行程约束机构，为执行器运动保护机构，对于无约束环境(例如旋转)，可去除约束结构。控制器为控制算法实现的基本单元，包含数据处理单元、电机驱动单元、信号采集单元、通讯单元、其他单元等。其中，数据处理单元为算法计算单元，实现控制算法，具体包括单片机、数字信号处理器(DSP)等；电机驱动单元为电机驱动器，具体形式与选用的电机相匹配；信号采集单元为力传感器信号处理单元，具体形式与传感器信号匹配；通讯单元为控制***的外部通讯接口，具体包括网口、串口等；其他单元指电源等控制***必备功能。

本发明公开的具有柔顺结构的力控制***包括控制器以及执行器；所述控制器包括：数据处理单元、电机驱动单元以及通讯单元；所述控制器和所述执行器之间通过所述通讯单元进行通讯；所述执行器包括：电机、力传感器以及柔顺机构；所述柔顺机构可与外部执行对象接触；所述力传感器将所述柔顺机构与外部执行对象接触后力传感器测量结果反馈至数据处理单元进行控制。本发明的力控制***能改善力控制***的性能。本发明通过在力控制***中的柔顺机构，使控制***与环境间接接触，降低环境的复杂力学特性对力控制***的影响。并通过柔性机构消除力信号的跳变、噪声，改善控制性能，增强稳定性，提高力控制的应用范围，控制算法也基于柔顺机构的力学特性设计，通过物理方法改善了力控制***的性能。

本发明通过柔顺结构建立执行器与环境之间的联系，不再需要环境模型，也不需要操作者与先验知识，适合更加普遍的力控制应用场景。此外，控制器设计基于柔顺机构的力学特性完成，该特性已知，且不随环境变化，可以实现更高的控制器性能与稳定性。

下面通过具体的实施例来进行进一步详细说明。

图3是根据本发明一个实施例的一种具有柔顺结构的力控制***100的执行器20的一种具体实施方式。

该实施例的具体应用场景为一种模拟穴位按摩的执行器20。所述执行器20包括：电机21、力传感器22、柔顺机构23以及导轨24；所述电机21为音圈电机，所述音圈电机包括：外壳211以及设置于外壳211内的音圈电机定子212以及音圈电机动子213，所述音圈电机定子212与所述外壳211固定连接；所述力传感器22一端连接音圈电机动子213，另一端连接所述导轨24；所述导轨24设置在所述外壳211上；所述柔顺机构为弹簧，其与所述导轨24连接，并可在所述导轨24的既定轨道内运动。

该力控制***100为单自由度力控制***100，电机类型为音圈电机，力传感器为应变管式压力传感器，导轨为圆柱形导轨。

音圈电机定子212与外壳211固定连接，可安装于固定支架或机械臂末端；力传感器22一端连接音圈电机动子213，另一端连接导轨24的滑块。

导轨24通过安装架与外壳211连接，约束运动方向。

采用弹簧作为柔顺机构将导轨24的可移动滑块与弹簧末端的硅胶按摩末端连接。

驱动器为基于ARM处理器的控制***。数据处理单元为STM32芯片，能够实现控制算法计算和通讯、控制数据处理；电机驱动单元为全桥直流电机驱动芯片，可将控制信号转化为具有负载能力的驱动信号；信号采集单元为电压模拟信号处理电路，包括滤波电路与模/数转换电路；通讯单元为RS-422串口通讯电路；其他单元为电源带电路。

由于弹簧的弹性系数与阻尼系数已知，因此控制算法设计时基于该参数进行控制器设计。以电机动力学模型与弹簧环境模型为基础设计控制器参数，实际***采用积分滑模控制器，控制器参数不需要随环境变化。

工作时，控制器接收外部控制指令并驱动音圈电机动子运动，带动力传感器、导轨的滑块、弹簧、连接弹簧的硅胶垫一起运动；由于硅胶垫一侧与指压对象接触，由此导致弹簧压缩，力传导至力传感器；力传感器测量结果经过信号处理后反馈至数据处理单元，完成闭环控制。由于弹簧本身具有低通滤波的力学特性，可以实现稳定可靠的信号平滑与滤波。

如图4所示，其中，图4(a)是对比例，是没有设置本发明实施例的柔顺机构的执行器在在相同的控制参数与环境条件下的抖动效果。图4(b)是本发明实施例的具有柔顺机构的执行器抖动抑制结果。可以明显看出：在相同的控制参数与环境条件下，图4(b)本发明实施例的具有柔顺机构的执行器能够更好的提高控制效果，其能抑制抖动，实现稳定可靠的信号平滑与滤波。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制，任何在本发明的精神范围内所做的改动或等效替换均属于本发明的保护范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在本发明的描述中，需要理解的是，本发明实施例中提及的参数、变量以及程序名等符号均可替代成不至混淆的任何其他代号。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，包括：

控制器以及执行器；

所述控制器包括：数据处理单元、电机驱动单元以及通讯单元；

所述控制器和所述执行器之间通过所述通讯单元进行通讯；

所述执行器包括：电机、力传感器以及柔顺机构；

所述电机由所述电机驱动单元进行驱动，并连接所述力传感器；

所述柔顺机构一端连接所述力传感器，另一端可与外部执行对象接触；

所述力传感器将所述柔顺机构与外部执行对象接触后力传感器测量结果反馈至数据处理单元进行控制。

2.根据权利要求1所述的具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，所述通讯单元为电气接口。

3.根据权利要求1所述的具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，所述控制器还包括信号采集单元；

所述信号采集单元与所述力传感器以及数据处理单元连接，用于将所述力传感器测量结果经过信号处理后反馈至数据处理单元。

4.根据权利要求1所述的具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，所述具有柔顺结构的力控制***通过外部通讯接口与上位机通讯，接收外部控制指令。

5.根据权利要求1所述的具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，所述

电机包括旋转电机、直线电机、音圈电机、压电陶瓷。

6.根据权利要求1所述的具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，所述

力传感器包括：应变管式、膜片式、应变梁式力传感器。

7.根据权利要求1所述的具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，所述数据处理单元包括：单片机、数字信号处理器；

所述电机驱动单元为电机驱动器；

所述信号采集单元为力传感器信号处理单元。

8.根据权利要求1所述的具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，所述执行器还包括导轨；

所述电机为音圈电机，所述音圈电机包括：外壳以及设置于外壳内的音圈电机定子以及音圈电机动子，所述音圈电机定子与所述外壳固定连接；

所述力传感器一端连接音圈电机动子，另一端连接所述导轨；

所述导轨设置在所述外壳上；

所述柔顺机构为弹簧，其与所述导轨连接，并可在所述导轨的既定轨道内运动。

9.根据权利要求8所述的具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，所述力传感器为应变管式压力传感器。

10.根据权利要求8所述的具有柔顺结构的力控制***，其特征在于，所述导轨为圆柱形导轨。