[发明专利]一种适用于机械手在手操作的目标旋转检测方法

权利要求书

1.一种适用于机械手在手操作的目标旋转检测方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：对检测系统进行标定和初始化，包括机械臂、机械手和力/力矩传感器的标定和初始化；

步骤二：控制机械臂和机械手对目标进行抓取，抓取完成时刻记为初始时刻t₀，在时间区间[t₀，t₁]内，利用力/力矩传感器检测作业目标的受力状态，通过区间运算和质心位置模型，计算机械手坐标系O-XYZ下的作业目标质心的初始坐标区间和初始旋转半径区间

步骤二中质心位置模型，由力矩平衡条件，力/力矩传感器的输出力矩M_S与作业目标所生成力矩M_O的大小相等且方向相反，即M_S＝-M_O，其中，力/力矩传感器的输出力矩M_S满足公式（ 1 ） ；

在机械手坐标系O-XYZ下，力/力矩传感器的输出力矩M_S与作业目标所生成力矩M_O在各坐标轴的投影大小满足公式(2)；

通过力/力矩传感器检测作业目标处的力和力矩信息，并在各坐标轴上进行投影得到(M_S-X,M_S-Y,M_S-Z)、(M_O-X,M_O-Y,M_O-Z)和(F_O-X,F_O-Y,F_O-Z)，由于力/力矩传感器所检测的力和力矩均为作业目标的重力作用产生，因此，(l_X，l_Y，l_Z)即为作业目标的质心相对于机械手中心的位置坐标(l_X，l_Y，l_Z)，即机械手坐标系O-XYZ下作业目标的质心坐标P(x,y,z)；

在时间区间[t₀，t₁]，力/力矩传感器的输出力F_S和输出力矩M_S满足公式(3)和(4)；

其中，和为力传感器输出值的下限和上限；和为力矩传感器输出值的下限和上限；和为机器人抓取目标后，无任何操作下一段时间内力/力矩传感器的输出均值；和为力和力矩的区间波动半径，在机器人抓取目标后，可以通过无任何操作下的一段时间内力和力矩计算得到；

通过区间运算法则和质心位置模型，计算机械手坐标系O-XYZ下作业目标质心的初始坐标区间

作业目标质心的初始旋转半径区间的计算方法是，在时间区间[t₀，t₁]内，利用力/力矩传感器检测作业目标的受力状态，则传感器的力F_S和力矩M_S满足如下公式；

通过区间运算法则和质心位置模型，计算机械手坐标系O-XYZ下作业目标的初始质心坐标区间初始坐标区间满足公式(7)；

在机械手坐标系O-XYZ下，根据空间Cartesian距离的计算准则，对初始质心坐标区间进行区间运算，进而得到作业目标质心的初始旋转半径区间初始旋转半径区间满足公式(8)；

步骤三：利用力/力矩传感器实时检测作业目标的受力状态，依据检测结果判断此时作业目标所处的条件；

如果力/力矩传感器为无脉冲波动输出，则采用纯重力条件的旋转检测方法进行目标旋转检测；在纯重力条件下，利用力/力矩传感器的力输出值和力矩输出值，根据步骤二中作业目标的质心坐标P(x,y,z)和质心旋转半径d的计算方法，计算出当前i时刻作业目标的质心坐标Pⁱ(x,y,z)和质心旋转半径dⁱ，通过判别i时刻的质心坐标Pⁱ(x,y,z)和质心旋转半径dⁱ是否满足质心的初始坐标区间和初始旋转半径区间的约束，从而检测作业目标是否发生旋转；

如果力/力矩传感器的输出值出现脉冲波动，则采用外部碰撞条件的旋转检测方法进行目标旋转检测；在外部碰撞条件下，建立作业目标与机械手的旋转摩擦模型和接触面的摩擦力矩约束FR_M；

FR_M＝{M|||M||≤M_f＝F(η,F_n)}

根据机械手的实际结构，计算机械手和作业目标的接触摩擦力矩值M_f，

其中，η是机械手与作业目标的接触旋转摩擦系数，通过先验旋转实验获取，F_n为机械手的抓取力，R和r分别是机械手指尖的外径和内径；

通过力/力矩传感器检测实时接触力矩Mⁱ，判断实时接触力矩Mⁱ是否满足摩擦力矩约束FR_M，从而检测作业目标是否发生旋转；

步骤四：机器人完成当前状态下作业目标的旋转检测后，若作业目标当前状态不产生旋转，则完成对作业目标的操作任务；若作业目标当前状态产生旋转，重复步骤三，直至作业目标当前状态不产生旋转，直至机器人完成对作业目标的操作任务。