基于力矩外環(huán)的軟物體抓取控制
王學林，周俊，姬長英，姜莉
(南京農業(yè)大學工學院，江蘇南京210031)
摘 要：為減少機械手抓取軟物體造成的損害，提出基于關節(jié)力矩預測的力矩外環(huán)在線抓取控制方案一該方案通過建立灰色預測模型直接預測關節(jié)力矩的變化代替預測軟物體剛度的變化；并能同時控制機械手抓取過程中關節(jié)力矩偏差和角速度關系一在實際關節(jié)力矩和灰色預測力矩之間采用線性插值，按采樣周期將預測力矩逐漸加到力矩回路中一仿真表明，當抓取具有剛度變化的軟物體時，基于關節(jié)力矩預測的力矩外環(huán)軟物體抓取控制系統(tǒng)對機械手和軟物體之間的動態(tài)接觸過程具有一定的自適應性，可以快速跟蹤設定值，而且無大的超調和振蕩出現，使控制性能和動態(tài)品質得到較大改善，具有較強的魯棒性，是適合軟物體抓取的一種控制方法。
關鍵詞：抓��；控制；灰色力矩預測；機械手；軟物體
中國分類號：tp 24 文獻標識碼：a
1引言
抓取是一種復雜的基本操作，涉及機械手和被抓物體間的相互作用。在抓取軟物體、采摘水果時，常采用力控制，也叫主動柔順控制，其典型特點是力和位置強耦合，是一種極其復雜的混合控制�；谖恢脙拳h(huán)的顯式力控制可以在不改動原有位控系統(tǒng)的基礎上實現力控制，具有廣泛的應用。
機器人抓取未知物體時需要在線預測物體的剛度變化，目的是以指定的參考力快速移動機械手指到估計的變形位置處，在這過程中確保力以****的收斂響應速度到達接觸位置處，且無振蕩和超調出現。在抓取軟物體時，機械手往往有多個接觸點共同參與抓取，最終軟物體在有界力封閉條件下達到平衡。可是在線預測物體的多個接觸點剛度并不實際，為減小物體剛度變化對抓取的影響提出基于力矩外環(huán)預測的軟物體抓取控制方案。
2力矩外環(huán)預測的軟物體抓取控制
提出的灰色關節(jié)力矩預測的力矩外環(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，與機械手自身的作用力相比較而言，對位置系統(tǒng)的影響可以忽略不計。位置伺服系統(tǒng)中參數的變化，由位置環(huán)給予控制，對力矩環(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)對單位階躍輸入的力響應無穩(wěn)態(tài)誤差。
在圖l力矩外環(huán)回路中，由外環(huán)的灰色估計器實時預測關節(jié)力矩的變化，在當前力矩和預測力矩之間實行線性插值，避免力超調和振蕩出現；同時推導機械手抓取過程中的角速度傳遞函數，角速度的變化同樣會影響抓取的質量。
本文主要研究軟物體抓取過程中力控制，即從機械手接觸到穩(wěn)固抓取軟物體的過程控制。下面以兩指手抓取軟物體為例，系統(tǒng)介紹基于灰色關節(jié)力矩預測的軟物體抓取控制。
3機械手建模
一種在工農業(yè)常用的機械手抓取、采摘示圖，如圖2所示。
圖中，2指的是緊定螺釘，須人工調整開合度，兩指完全對稱安裝，用一臺電機同時控制兩機械考慮單手指建模，設連桿的質量均勻分布，質心距連桿的轉動中心為l，連桿總長為2l，連桿運動的粘性摩擦系數為s，彈性摩擦系數為ε，當δ的值比較小時，認為連桿的質心在其中心，根據牛頓定律得到其運動方程：
式中i= 4ml2/3力轉動慣量；mg為機械手重量；θ為手工調整的角度，認為關節(jié)處的電機能滿足控制需要，系統(tǒng)初值為零且不計重力影響。
由式(1)，得到采摘機械手的傳遞函數為
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