[发明专利]对欠驱动二指爪机构进行柔顺控制的方法

摘要

一种对欠驱动二指爪机构进行柔顺控制的方法，采用虚弹簧法进行动力学建模获得欠驱动二指爪机构的逆向动力学方程，根据触觉传感器获得目标刚度信息和作用在欠驱动二指爪指尖的接触力，接触力代入逆向动力学方程获得所需的主动驱动力矩，定义接触力误差函数，建立完整的关节力矩阻抗控制器，输出修正后的主动驱动力矩，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。本发明提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。

主权项

一种对欠驱动二指爪机构进行柔顺控制的方法，其特征在于，所述的欠驱动二指爪机构包含：基座(4)，其用于支撑整个系统；多连杆二指机构，其设置在基座(4)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(3)，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(3)具有m×n个传感器采集单元；电机传动机构，其连接基座(4)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(3)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(201)，其一端通过主动轴(209)连接基座(4)和电机传动机构，另一端通过主动销(206)连接中间杆(202)；中间杆(202)，其一端通过主动销(206)连接主动杆(201)，另一端通过中间销(207)连接接触杆(204)；从动杆(203)，其一端通过从动轴(210)连接基座(4)，另一端通过从动销(208)连接接触杆(204)；接触杆(204)，其一端分别通过中间销(207)连接中间杆(202)和通过从动销(208)连接从动杆(203)，另一端上与物体接触面上设置有触觉传感器(3)；扭转弹簧(205)，其一端连接主动杆(201)，另一端连接中间杆(202)，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(101)，其设置在基座(4)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(102)，其连接编码器(101)；主动齿轮(103)，其与驱动电机(102)同轴设置；从动齿轮(104)，其与主动齿轮(103)啮合；蜗杆(105)，其与从动齿轮(104)同轴设置；两个涡轮(106)，每个涡轮(106)对应一个欠驱动二指爪，涡轮(106)通过主动轴(209)连接中间杆(202)和基座(4)，并与蜗杆(105)啮合；根据编码器(101)的输出，驱动电机(102)带动主动齿轮(103)转动，从动齿轮(104)随主动齿轮(103)转动，并带动蜗杆(105)转动，蜗杆带动涡轮(106)转动，涡轮(106)将动力传动给主动杆(201)，从而带动欠驱动二指爪张开或握紧；所述的对欠驱动二指爪机构进行柔顺控制的方法使用关节力矩阻抗控制器对欠驱动二指爪机构进行与目标刚度相匹配的柔顺控制，包含以下步骤：步骤S1、采用虚弹簧法对欠驱动二指爪机构进行动力学建模，获得欠驱动二指爪的逆向动力学方程；步骤S2、欠驱动二指爪机构抓取目标物体，通过触觉传感器采集的信息计算作用在欠驱动二指爪指尖的接触力，结合接触力信息对目标物体进行刚度识别，获得目标刚度信息；步骤S3、将欠驱动二指爪指尖的接触力代入欠驱动二指爪的逆向动力学方程，计算欠驱动二指爪所需的主动驱动力矩；步骤S4、定义接触力误差函数，建立完整的关节力矩阻抗控制器，输出修正后的主动驱动力矩，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；所述的步骤S1中，将主动轴(209)等效为关节O1，将主动销(206)等效为关节O2，将中间销(207)等效为关节O3，将从动销(208)等效为关节O4，将从动轴(210)等效为关节O5，将主动杆(201)等效为连杆L1，将中间杆(202)等效为连杆L2，将中间销和从动销之间的接触杆(204)等效为连杆L3，将剩余的接触杆(204)等效为连杆S，将从动杆(203)等效为连杆L4，将主动轴和从动轴的连线等效为连杆d，连杆S和L3以恒定夹角β固连，连杆d固定在基座内，xO1y、x2O4y2和x1O5y1分别是以指爪关节O1、关节O4和关节O5为原点建立的坐标系，将连杆L1、L2、L3、L4与基关节坐标系x轴之间的夹角定义为系统的状态变量连杆d与x轴方向的夹角为α，F1为从动杆与物体间的接触力，F2为指爪与物体间的接触力，将关节O4切断，使用虚拟弹簧O4O'4连接杆L3和连杆L4，增加了系统的自由度；在坐标系xO1y中，每个连杆的质心矢量为：式中，在坐标系xO1y中，每个连杆的质心速度为：在坐标系xO1y中，每个连杆的动能为：式中，mi(i＝1,2,3,4)为第i个连杆的质量，为第i个连杆的转动惯量；关节O2处扭转弹簧的弹性势能为：式中，a0中为弹簧的初始形变角；关节O4处虚拟弹簧的弹性势能为：Vk=12k1||Δ||2=Σi12k1||Δi||2=12k1Δ1x2+12k1Δ1y2---(11)]]>式中，k1为虚拟弹簧的弹簧刚度，Δ为虚拟弹簧的偏移量，根据式(9)知，系统的总动能为：E=Σi=14Ti---(13)]]>由于在空间环境下不考虑系统的重力势能，因此根据式(10)和式(11)知，系统的总势能为：U＝Vk+Vs   (14)设L＝E‑U，指爪机构的Lagrange方程写成：式中，δW为系统非有势力的虚功：F1·δrc1=F1xδxc1+F1yδyc1F2·δrc2=F2xδxc2+F2yδyc2---(17)]]>结合式(16)～式(23)，并将式(16)对(i＝1,2,3,4)进行微分，得系统的广义力：式中，F1x、F1y、F2x、F2y为F1、F2在x1、y1、x2、y2轴上的投影；结合式(13)、(14)、(15)、(24)，得欠驱动二指爪系统完整的正向动力学方程：式中，M为指爪的惯量矩阵，包含了机构的离心力和科里奥利力项，H为弹簧力，即：式中：M33=J3+m3Lc32,M44=J4+m4Lc42,]]>将正向动力学方程式(25)转换成如下形式：式中，对式(27)的等式左右两边求逆，得：从式(28)得k1Δx和k1Δy的值；根据式(26)，正向动力学方程式(25)转换成：式中，T‑Text＝τ，T表示主动驱动源在每个关节上的作用力矩，T＝[Ta 0 0 0]T，Text是外力在关节处的作用力矩，Text＝[‑τ'1 ‑τ2 ‑τ3 ‑τ4]T；综上，欠驱动二指爪的逆向动力学方程为：