基于力矩外環(huán)的軟物體抓取控制
王學(xué)林，周俊，姬長(zhǎng)英，姜莉
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031)
摘 要：為減少機(jī)械手抓取軟物體造成的損害，提出基于關(guān)節(jié)力矩預(yù)測(cè)的力矩外環(huán)在線抓取控制方案一該方案通過(guò)建立灰色預(yù)測(cè)模型直接預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)力矩的變化代替預(yù)測(cè)軟物體剛度的變化；并能同時(shí)控制機(jī)械手抓取過(guò)程中關(guān)節(jié)力矩偏差和角速度關(guān)系一在實(shí)際關(guān)節(jié)力矩和灰色預(yù)測(cè)力矩之間采用線性插值，按采樣周期將預(yù)測(cè)力矩逐漸加到力矩回路中一仿真表明，當(dāng)抓取具有剛度變化的軟物體時(shí)，基于關(guān)節(jié)力矩預(yù)測(cè)的力矩外環(huán)軟物體抓取控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手和軟物體之間的動(dòng)態(tài)接觸過(guò)程具有一定的自適應(yīng)性，可以快速跟蹤設(shè)定值，而且無(wú)大的超調(diào)和振蕩出現(xiàn)，使控制性能和動(dòng)態(tài)品質(zhì)得到較大改善，具有較強(qiáng)的魯棒性，是適合軟物體抓取的一種控制方法。
關(guān)鍵詞：抓取；控制；灰色力矩預(yù)測(cè)；機(jī)械手；軟物體
中國(guó)分類號(hào)：tp 24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a
1引言
抓取是一種復(fù)雜的基本操作，涉及機(jī)械手和被抓物體間的相互作用。在抓取軟物體、采摘水果時(shí)，常采用力控制，也叫主動(dòng)柔順控制，其典型特點(diǎn)是力和位置強(qiáng)耦合，是一種極其復(fù)雜的混合控制�；谖恢脙�(nèi)環(huán)的顯式力控制可以在不改動(dòng)原有位控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)力控制，具有廣泛的應(yīng)用。
機(jī)器人抓取未知物體時(shí)需要在線預(yù)測(cè)物體的剛度變化，目的是以指定的參考力快速移動(dòng)機(jī)械手指到估計(jì)的變形位置處，在這過(guò)程中確保力以****的收斂響應(yīng)速度到達(dá)接觸位置處，且無(wú)振蕩和超調(diào)出現(xiàn)。在抓取軟物體時(shí)，機(jī)械手往往有多個(gè)接觸點(diǎn)共同參與抓取，最終軟物體在有界力封閉條件下達(dá)到平衡。可是在線預(yù)測(cè)物體的多個(gè)接觸點(diǎn)剛度并不實(shí)際，為減小物體剛度變化對(duì)抓取的影響提出基于力矩外環(huán)預(yù)測(cè)的軟物體抓取控制方案。
2力矩外環(huán)預(yù)測(cè)的軟物體抓取控制
提出的灰色關(guān)節(jié)力矩預(yù)測(cè)的力矩外環(huán)軟物體抓取控制框架圖，如圖l所示。
采用外部力矩環(huán)的目的是減小跟蹤方向的位置誤差，增加力控制精度，減小位控系繞隨機(jī)干擾。該方案把力矩控制回路置于位置控制器的外層，力矩控制器的輸出q作為位置控制器的輸入，末端執(zhí)行器的作用力可以看作位置伺服系統(tǒng)的干擾，由于位置控制器具有很高的伺服剛度，與機(jī)械手自身的作用力相比較而言，對(duì)位置系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。位置伺服系統(tǒng)中參數(shù)的變化，由位置環(huán)給予控制，對(duì)力矩環(huán)影響大為減弱。力矩環(huán)的前向通道包含一階積分環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入的力響應(yīng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。
在圖l力矩外環(huán)回路中，由外環(huán)的灰色估計(jì)器實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)力矩的變化，在當(dāng)前力矩和預(yù)測(cè)力矩之間實(shí)行線性插值，避免力超調(diào)和振蕩出現(xiàn)；同時(shí)推導(dǎo)機(jī)械手抓取過(guò)程中的角速度傳遞函數(shù)，角速度的變化同樣會(huì)影響抓取的質(zhì)量。
本文主要研究軟物體抓取過(guò)程中力控制，即從機(jī)械手接觸到穩(wěn)固抓取軟物體的過(guò)程控制。下面以兩指手抓取軟物體為例，系統(tǒng)介紹基于灰色關(guān)節(jié)力矩預(yù)測(cè)的軟物體抓取控制。
3機(jī)械手建模
一種在工農(nóng)業(yè)常用的機(jī)械手抓取、采摘示圖，如圖2所示。
圖中，2指的是緊定螺釘，須人工調(diào)整開(kāi)合度，兩指完全對(duì)稱安裝，用一臺(tái)電機(jī)同時(shí)控制兩機(jī)械考慮單手指建模，設(shè)連桿的質(zhì)量均勻分布，質(zhì)心距連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心為l，連桿總長(zhǎng)為2l，連桿運(yùn)動(dòng)的粘性摩擦系數(shù)為s，彈性摩擦系數(shù)為ε，當(dāng)δ的值比較小時(shí)，認(rèn)為連桿的質(zhì)心在其中心，根據(jù)牛頓定律得到其運(yùn)動(dòng)方程：
式中i= 4ml2/3力轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；mg為機(jī)械手重量；θ為手工調(diào)整的角度，認(rèn)為關(guān)節(jié)處的電機(jī)能滿足控制需要，系統(tǒng)初值為零且不計(jì)重力影響。
由式(1)，得到采摘機(jī)械手的傳遞函數(shù)為
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