[发明专利]一种机械手抓取、操纵物体的控制方法

权利要求书

1.一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：建立二指机械手模型并对其各个关节进行描述；

步骤二：根据步骤一建立的二指机械手的模型，自定义机械手与物体的物理参数、初始值和期望值，进行手臂和物体系统的动力学推导；

步骤三：根据步骤二动力学推导，结合信号叠加原理，合成机械手抓取和物体操纵的控制信号u。

2.根据权利要求1所述的一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法为：

整个机械手系统的模型包括肩部、肘部、腕部和拇指的两个自由度、食指的两个自由度，q＝(q₁,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇)^T；假设手臂系统在水平面中移动，并且手指与物体接触的表面是平行的，从机械手接触物体表面的初始状态到机械手抓住物体过程中所期望达到的抓取位置为x_d＝(x_d,y_d)^T；机械手指端是刚性的半圆形，手指末端和物体表面之间存在滚动约束；

点O表示固定在机器人手臂第一个关节处的笛卡尔坐标原点，物体中心用O_c.m表示。

3.根据权利要求1所述的一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法为：

机械手拇指和食指的半圆形指端中心的坐标几何参数x_oj＝(x_oj,y_oj)^T

式(1)中：q_i(i＝1,...,7)为每个关节角度，l_i(i＝1,...,7)为每个关节之间连杆的长度，

得到指端与物体的接触点几何参数x_j＝(x_j,y_j)^T

式(2)中：r_j(j＝1,2)为指端半径，

x_0j＝(x_0j,y_0j)^T为半圆形指端的中心，

θ为初始物体角度，

指端和物体表面之间的约束Q₁,Q₂,R₁,R₂，

指端与物体表面的接触约束Q₁,Q₂，则

Q₁＝(x-x₀₁)cosθ-(y-y₀₁)sinθ-r₁-w₁＝0

Q₂＝-(x-x₀₂)cosθ+(y-y₀₂)sinθ-r₂-w₂＝0 (3)

式(3)中：w₁,w₂为夹取物体的宽度，

设指端在物体表面上的移动距离几何参数Y₁,Y₂，

Y₁＝c₀₁-r₁(π+θ-q^Te₁)

Y₂＝c₀₂-r₂(2π-θ-q^Te₂) (4)

式(4)中：c₀₁,c₀₂为指端与物体的初始接触点，

e₁＝(1,1,1,1,1,0,0)^T,e₂＝(1,1,1,0,0,1,1)^T，

得指端在物体表面上的移动几何参数Y_j，

Y_j＝(x_0j-x)sinθ+(y_0j-y)cosθ (5)

式(5)中：x,y为物体的中心坐标

由公式(4)、公式(5)得到指尖与物体表面的滚动约束R1,R₂

R₁＝Y₁-c₀₁+r₁(π+θ-q^Te₁)＝0

R₂＝Y₂-c₀₂+r₂(2π-θ-q^Te₂)＝0 (6)

则整个机械手和物体的拉格朗日方程K,L：

其中：

将公式(8)、公式(9)带入到公式(7)中，得

其中：f_j,A_j为拉格朗日乘数，

H(q)为机器人部件的7×7惯性矩阵，

I为绕质心Oc.m的惯性矩，

得到变分方程描述的哈密顿原理：

u为每个关节执行器产生的控制输入扭矩信号，

根据公式(7)、公式(10)、公式(11)得到整个手臂和物体系统的动力学方程：

是斜对称矩阵，

其中