多指靈巧手控制系統(tǒng)及阻抗控制策略研究.pdf

1、多指靈巧手是仿人機(jī)器人的關(guān)鍵系統(tǒng)之一,其靈巧操作性,抓取穩(wěn)定性和可控制性決定了機(jī)器人進(jìn)行類人靈巧操作任務(wù)的能力,極大的影響了機(jī)器人的智能化水平。因此多指靈巧手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略研究不僅是仿人機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn),更越來越成為機(jī)器人擬人化研究所面臨的緊迫任務(wù)。本文結(jié)合國家“863”計(jì)劃的主題項(xiàng)目“新一代五指仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抓取操作的研究”進(jìn)行了多指靈巧手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并著重于靈巧手柔順性控制策略進(jìn)行了深入研究。
　　本文首先

2、針對(duì)多指仿人靈巧手HIT/DLR II的特點(diǎn),提出了面向靈巧操作任務(wù)的機(jī)器人靈巧手控制軟件平臺(tái)。該平臺(tái)由Simulink-QNX實(shí)時(shí)控制層,分布式通信模塊和機(jī)器人虛擬模型構(gòu)成,提供了分布式實(shí)時(shí)控制計(jì)算,面向控制器設(shè)計(jì)和集成的友好環(huán)境,并無縫連接實(shí)時(shí)環(huán)境和非實(shí)時(shí)環(huán)境。由于HIT/DLR II靈巧手具有內(nèi)置式設(shè)計(jì),多自由度和多傳感器的特點(diǎn),本文進(jìn)行了分層式的控制系統(tǒng)研制,將靈巧手控制系統(tǒng)分為驅(qū)動(dòng)控制層,嵌入式控制層和實(shí)時(shí)控制層并分別進(jìn)行設(shè)計(jì)

3、。同時(shí)采用高速實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)將各層有機(jī)結(jié)合,形成高集成度和高效率的硬件控制系統(tǒng)。靈巧手軟件控制平臺(tái)和分層式控制系統(tǒng)所形成的集中-分層式控制系統(tǒng)具有靈活度高,開放性和模塊化,并且穩(wěn)定高效的特點(diǎn),為靈巧手控制,以及與各種仿人機(jī)器人的臂-手-視覺聯(lián)合操作奠定了軟/硬件基礎(chǔ)。
　　針對(duì)內(nèi)置式多指仿人靈巧手HIT/DLR II高集成度設(shè)計(jì),柔性傳動(dòng)系統(tǒng)以及耦合關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文提出了提出了具有自適應(yīng)摩擦力補(bǔ)償?shù)年P(guān)節(jié)力矩放反饋機(jī)器人靈巧手阻抗

4、控制策略。首先建立了具有柔性關(guān)節(jié)和耦合關(guān)節(jié)的機(jī)器人靈巧手動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)具有關(guān)節(jié)力矩反饋的機(jī)器人靈巧手進(jìn)行了關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間阻抗控制的研究。由于靈巧手通常進(jìn)行小范圍的精細(xì)操作,因此手指關(guān)節(jié)摩擦力極大的影響了靈巧手阻抗控制器的控制性能。而且由于手指關(guān)節(jié)的特殊設(shè)計(jì)以及不同手指和關(guān)節(jié)的差異性,關(guān)節(jié)摩擦力模型和參數(shù)很難通過摩擦力辨識(shí)進(jìn)行確定,因此本文提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的摩擦力觀測器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)摩擦力的自適應(yīng)觀測和補(bǔ)償,并由此提出機(jī)器人

5、靈巧手的自適應(yīng)阻抗控制策略。對(duì)于具有摩擦力補(bǔ)償?shù)倪B續(xù)時(shí)間阻抗控制閉環(huán)系統(tǒng),本文進(jìn)行了穩(wěn)定性分析并證明了系統(tǒng)的輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性,為靈巧手關(guān)節(jié)摩擦力觀測器設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。阻抗控制及摩擦力觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的靈巧手自適應(yīng)摩擦力補(bǔ)償和阻抗控制策略的有效性。
　　機(jī)器人多指靈巧手完成抓取操作任務(wù)需要多個(gè)手指的協(xié)調(diào)控制,為此本文基于空間虛擬彈簧結(jié)構(gòu)建立了多指靈巧手物體空間6自由度協(xié)調(diào)阻抗控制策略,并進(jìn)行了阻尼項(xiàng)設(shè)計(jì)以改善動(dòng)

6、態(tài)性能。針對(duì)模塊化設(shè)計(jì)并可自由組成n(n≥3)個(gè)手指的多指靈巧手,本文首先建立了基于n(n≥3)個(gè)手指指尖笛卡爾坐標(biāo)位置的物體空間坐標(biāo)系。在此基礎(chǔ)之上,基于物體空間虛擬平移,旋轉(zhuǎn)彈簧建立了物體空間6自由度協(xié)調(diào)阻抗控制策略,并基于虛擬物體的概念,利用物體空間坐標(biāo)系和各手指指尖笛卡爾坐標(biāo)位置建立了空間虛擬連接彈簧,從而在控制被抓取物體空間6維位置和姿態(tài)的同時(shí),控制抓取內(nèi)力并實(shí)現(xiàn)柔順性抓取。通過建立物體空間和關(guān)節(jié)空間的映射關(guān)系,將虛擬彈簧驅(qū)動(dòng)

7、力映射至關(guān)節(jié)空間以實(shí)現(xiàn)多指空間協(xié)調(diào)控制,并基于該映射變換建立了物體空間坐標(biāo)系中的空間協(xié)調(diào)阻抗控制的阻尼項(xiàng),從而獲得了更好的阻抗控制動(dòng)態(tài)性能。多指靈巧手空間6自由度協(xié)調(diào)阻抗控制策略直接控制被抓取物體的目標(biāo)期望位置和姿態(tài),因此更容易定義和控制被抓取物體與環(huán)境之間的接觸力和抓取內(nèi)力,繼而控制其柔順性,并且多機(jī)器人/被抓取物體系統(tǒng)的整體慣量在物體層的協(xié)調(diào)控制策略中更容易補(bǔ)償。物體空間協(xié)調(diào)阻抗控制策略給上層運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供了一個(gè)簡單直觀的控制接口,極