[发明专利]对欠驱动二指爪机构进行柔顺控制的方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人控制方法，尤其涉及一种使用关节力矩阻抗控制器对欠驱动二指爪机构进行柔顺控制的方法。

背景技术

申请号为CN201310326633.7的名为“一种空间在轨服务机器人的自适应指爪机构”的发明专利，用于实现在轨捕获目标物，具有自适应性，可根据目标物形状自适应选择抓取模式，通用性强，应用于空间在轨服务机器人，极大提高了执行任务的效率。一种空间在轨服务机器人的自适应指爪机构并没有配置触觉传感器，尽管控制简单，却无法通过指爪与目标之间的接触力实现柔顺抓取。为实现指爪在未知性环境下的柔顺操作，指爪必须具有很强的感知能力，即配置触觉传感器，模拟人手皮肤感知指爪与环境之间的触觉信息，经过数据预处理获得目标刚度特性，为控制提供环境反馈信息。

配置了触觉感应器后的自适应指爪机构是一种欠驱动二指爪，它是一个时变、强耦合、非线性系统，由于其复杂的动力学模型存在建模不精确性，再加上一些主观因素和外界干扰造成的测量误差，实际情况下无法得到欠驱动二指爪精确、完整、可靠的动力学模型。因此，需要设计合理的控制器来弥补建模的不精确性、抑制外界干扰的不确定性，从而实现指爪位置、力的有效控制。传统的PID控制器不需要考虑系统动力学特性，不依赖系统动力学矩阵的惯性结构，属于线性控制器，设计简单、有效，但是PID控制器有其自身的不足点，一方面它难以实现高精度的位置跟踪效果，难以保证系统的静态与动态品质，另一方面也无法实现指爪的抓取力控制，不适应用于非线性欠驱动二指爪系统。位置/力混合控制器能满足上述要求的位置和力的混合控制，但是该控制器不能控制指爪抓取过程中的动态特性，特别是指爪的阻尼特性，因此不能保证指爪的柔顺抓取。而位置阻抗控制器是通过期望的阻抗控制器建立反馈力和位置之间的对应关系，以位置作为控制对象，不包含力的反馈控制，这会影响指爪抓取过程中的稳定性问题。关节力矩阻抗控制器解决了抓取过程中的稳定性问题，在该控制器中包括指爪位置、速度、加速度和力矩的反馈控制，指爪抓取过程中的动力学特性主要由惯量M、阻尼B、刚度K这三个阻抗参数决定。传统的位置/力混合控制器在自由空间到约束空间的运动过程中存在控制切换问题，而关节力矩阻抗控制器克服了不同空间运动中的切换问题，使指爪的运动更为平稳，同时也解决了位置阻抗控制器中抓取的稳定性问题，实现抓取力的柔顺控制。但是对于关节力矩阻抗控制器，其阻抗参数惯量M、阻尼B、刚度K是固定的常值，不能随目标变化而变化，对环境的适应性不足。

发明内容

本发明提供一种对欠驱动二指爪机构进行柔顺控制的方法，克服了指爪从自由空间到约束空间运动过程中存在的控制切换问题，控制器的阻抗参数能够根据不同目标环境而变化，达到目标刚度匹配的目的，能够有效提高抓取的鲁棒性和柔顺性，提高指爪抓取稳定性，增强指爪对环境的自适应能力。

为了达到上述目的，本发明提供一种欠驱动二指爪机构，包含：

基座，其用于支撑整个系统；

多连杆二指机构，其设置在基座上，用于抓取物体，该多连杆二指机构包含两个对称设置的欠驱动二指爪；

触觉传感器，其设置在多连杆二指机构上，用于测量多连杆二指机构与物体之间的接触力，每个触觉传感器具有m×n个传感器采集单元；

电机传动机构，其连接基座和多连杆二指机构，用于驱动多连杆二指机构运动；

控制器，其电性连接触觉传感器和电机传动机构，用于根据触觉传感器测量得到的信号建立完整的关节力矩阻抗控制器，输出主动驱动力矩给电机传动机构，从而驱动欠驱动二指爪使用与目标物体的刚度相匹配的抓取力来抓取目标物体。

所述的欠驱动二指爪包含：

主动杆，其一端通过主动轴连接基座和电机传动机构，另一端通过主动销连接中间杆；

中间杆，其一端通过主动销连接主动杆，另一端通过中间销连接接触杆；

从动杆，其一端通过从动轴连接基座，另一端通过从动销连接接触杆；

接触杆，其一端分别通过中间销连接中间杆和通过从动销连接从动杆，另一端上与物体接触面上设置有触觉传感器；

扭转弹簧，其一端连接主动杆，另一端连接中间杆，用于在欠驱动二指爪张开的过程中储存能量，并在欠驱动二指爪握紧的过程中释放能量。

所述的电机传动机构包含：

编码器，其设置在基座上，电性连接控制器，用于控制多连杆二指机构的抓取力输出；

驱动电机，其连接编码器；

主动齿轮，其与驱动电机同轴设置；

从动齿轮，其与主动齿轮啮合；

蜗杆，其与从动齿轮同轴设置；