CN108214558B - 一种用于欠驱动机械手的被抓握物体刚度估计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于欠驱动机械手被抓物体刚度估计方法。机械手指机构需要安装两组传感器，分别是在手指末端表面的力传感器和电机末端的编码器。该方法根据欠驱动机械手机构在自由空间和接触空间里运动学模型和力学模型的差异，通过读取抓握接触力信号与电机编码器信息，计算出被抓物体与机械手指的等效刚度，然后解耦计算出被抓物体的刚度。本发明主要应用于欠驱动机械手，抓握不同的物体时能更准确的识别出物体的刚度。

Description

一种用于欠驱动机械手的被抓握物体刚度估计方法

技术领域

本发明属于仿人机械手技术领域，特别涉及一种用于欠驱动机械手估计被抓握物体刚度的方法。

背景技术

人手具有强大的自主控制能力，在抓握物体时，通常是根据观察被抓物体的软硬特征，根据人的经验，调整人体的骨骼肌，顺应地抓握不同刚度的物体，如以较小的力柔性地抓握软物体，以较大的力刚性地抓握硬物体，并且由于人手皮肤上拥有大量的感知神经，通过触感信息和视觉信息一起形成反馈机制，可以较好的控制抓取力和抓取精度，完美的完成抓握动作。然而，机械手在设计好后，刚度通常是固定不变的，如果想获得同人手类似的刚度变化，只有通过主动变刚度控制来实现。否则，若解码不当，当假肢手抓取物体时，过大的力会引起一些被抓物体的变形或者甚至被破坏，而另一方面，过小的抓握力会导致抓取不稳定。

要实现变刚度控制，首先必须知道被抓物体的刚度信息，但是被抓对象的刚度很难直接测量，只能通过假肢手进行间接测量。目前用于机器人的刚度估计方法一般有根据固有振动频率信号处理法以及时域分析法。第一种方法测量比较准确，但是常常用于离线分析，并且需要力反馈具有欠阻尼特性；第二种方法可以在线使用，通过定义的方法进行计算，但是需要较长时间才能得出准确的刚度信息。此外，这两种方法都是针对刚性的机械手，并且被抓物体都为实验装置，没有应用于日常物体的报道。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于欠驱动机械手被抓物体刚度估计方法。机械手指机构需要安装两组传感器，分别是在手指末端表面的力传感器和电机末端的编码器。该方法根据欠驱动机械手在自由空间和接触空间里运动学模型和力模型的差异，通过读取抓握接触力信号与电机编码器信息，计算出被抓物体与机械手指的等效刚度，然后解耦计算出被抓物体的刚度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括以下步骤：

步骤一，建立欠驱动机械手的运动学模型，具体为：根据欠驱动机械手的几何特征关系，分别建立在自由空间和接触空间中抓握点运动位置与电机转角的函数关系；

步骤二，假定欠驱动假肢手在抓握过程分为物体变形阶段和机械手指变形阶段，在物体变形阶段时，根据步骤一中欠驱动机构在运动空间的运动学关系建立物体变形量与电机转角的函数关系；

步骤三，在机械手指变形阶段时，根据接触空间欠驱动机械手的力输出特性与分配关系，建立在接触空间中抓握点的抓握接触力与电机输出力矩之间的函数关系；

步骤四，根据步骤二和步骤三的函数关系计算系统总体等效刚度；

步骤五，假肢手抓握硬度极大的物体，物体的变形量极小可忽略不计，读取抓握接触力信息与电机编码器信息，此时根据步骤四计算的系统总体等效刚度即为假肢机构的手指等效刚度；

步骤六，根据步骤四计算的系统总体等效刚度和步骤五得到的手指等效刚度求解出被抓握物体刚度的计算公式；

步骤七，假肢手抓握其他未知刚度的物体，读取此时的抓握接触力信息与电机编码器信息，根据步骤六的公式解耦计算出准确的被抓物体的刚度信息。

附图说明

图1为典型欠驱动机械手结构示意图

图2为欠驱动机械手接触到被抓物体，假定机械手不变形而被抓物体变形的示意图。

图3为欠驱动机械手接触到被抓物体，假定机械手变形而被抓物体不变形的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

建立欠驱动机械手的数学解析模型，推算总体等效刚度、手指刚度和被抓物体刚度的函数关系，并估算出被抓物体的刚度的具体步骤如下：

步骤一，欠驱动机械手的运动学模型的建立：

本发明所述的一种具有快速反射抓取功能的多模式欠驱动仿人手指装置的实施例，其原理结合图1进行阐述。

如图1所示为一种欠驱动机械手机构，在建立坐标原点为O点的直角坐标系下，封闭四连杆多边形OEAB和OABD可用矢量法表达为：

其中，l_i表示第i根连杆的杆长(i＝1,2,3,4,5)，θ_i和

表示第i根杆到x轴正半轴之间的夹角和速度，ψ、c₁均为机构初始角度和机构参数。

由于欠驱动的特点，其运动状态一般分为自由空间和接触空间。

在机械手未接触物体时，如图1所示，杆1是输入杆，直接与驱动电机连接，杆2和杆3(杆6)是耦合运动的，近指节的速度和杆2的速度相同，远指节的速度与杆3的速度相同。根据公式(1)和公式(2)，其运动规律为，输入杆和输出杆之间的速度关系为:

其中

和

分别表示第1和2个指节的速度，M_t1与M_t2是欠驱动机构运动学的相关参数，在本例中具体为：

在图1所示的本例中，远指节和近指节的运动关系接近1:1，并且近指节、远指节和输入杆的运动比例关系近似为1:1:1.6。因此近指节和远指节与输入杆(电机)的角速度关系可以写为：

在机械手接触物体时，机构进入接触空间，近指节(杆2)碰到物体被固定，弹性元件开始变形并释放欠驱动系统的一个自由度，此时，远指节旋转角速度与输入角速度的关系为：

步骤二，建立物体弹性变形阶段的物体变形量与电机转角的函数关系：

抓握时，要从电机旋转信息推导物体的变形量是十分复杂的，因为被抓握物体和手指都会发生变形，生活中被抓握物体的刚度一般呈非线性特征。给予一定电压驱动手指运动，在t₀时刻与被抓握物体接触，并在t₂时刻达到力平衡状态。若驱动电压较小，则可以在短时间内达到平衡，此时手指指尖和物体之间接触点的切向滑动距离也很小。因此，假设在整个过程中手指指尖的力方向垂直于手指的接触表面，编码器记录的电机旋转角度为Δθ₁，需要计算的物体变形量为δ。

可以将被抓握物体等效成弹簧阻尼系统，因此，可将手指抓握过程分为两个阶段：物体弹性变形阶段和手指变形阶段。假设在第一阶段中，仅发生物体的弹性变形，手指机构不变形，物体变形达到最大值并保持稳定。第二阶段时，假设仅发生手指机构变形而物体不变形。这种假设与实际情况并不矛盾，因为初始时刻和稳定时刻的状态都与实际情况相符，仅仅只是将抓握变形的过程理想化，这样假设的目的是要从手指机构模型推导出更为准确的刚度信息。

首先在物体弹性变形阶段，假设手指机构不变形，那么手指的运动特性属于耦合运动阶段。如图2所示，此时电机的旋转角度为Δθ_1-1，手指机构从O-A₁-I₁运动到O-A₂-I₂。此时，接触点从H₁移动到H₂，手指末端接触抓握力为F₁，同时物体受到弹性形变的反力为R₁。

由于给予的驱动电压为恒定值，电机驱动速度也为恒定，此阶段中，电机转动微小角度为Δθ_1-1，并且此时电机的运动速度为

所以根据公式(7)，在这段时间内，手指近指节和远指节运动旋转角度为：

根据图2，通过点A₂作一根线段A₂I₀与A₁I₁平行，因此∠I₀A₂I₂＝Δα₂，将物体的变形δ(H₁H₂)依据线段A₂I₀分为δ₁和δ₂两部分。因为变形角度非常小，根据几何关系有：

A₁A₂＝2l₂sin(Δα₁/2)≈Δα₁l₂ (10)

其中，点A₂到线段A₁I₁的距离为δ₁，可以得到：

δ₁＝cos(α₂-Δα₂/2)A₁A₂≈Δα₁l₂cosα₂ (11)

同时，点H₂到A₂I₀的距离为δ₂，即为：

δ₂＝l_A1H1tanΔα₂≈Δα₂l_A1H1 (12)

式中A₁H₁长度为手指与物体的接触点到远指节中关节轴的距离。

因此，物体变形量δ为：

δ＝δ₁+δ₂＝Δα₁l₂cosα₂+Δα₂l_A1H1 (13)

根据公式(7)，可以将公式(13)表述为物体变形量δ和电机的旋转角度Δθ_1-1，即：

δ/J_T1＝Δθ_1-1 (14)

其中：J_T1＝A(l₂cosα₂+l_A1H1) (15)

步骤三，建立机械手指变形阶段的抓握接触力与电机输出力矩的函数关系：

由于欠驱动机构的特殊性，当欠驱动机构与物体接触时进入接触空间，每个指节仍然可能发生局部运动，在该阶段中，手指机构仅发生局部微小变形，且被抓握的物体不变形。如图3所示，假设在该阶段中，电机转动微小角度为Δθ_1-2，此时接触点从H₃滑动到H₂，并且手指机构的等效位置从O-A₂-I₂移动到O-A₃-I₃。因为在该阶段物体变形量保持恒定，所以抓握接触力的值保持为F₁，根据机构的几何关系，抓握接触力F₁和电机输出力矩τ之间的关系为：

或者表示为：

式中：J_T2＝l₁cosα₂(sinθ₁₂+cosα₂cotθ₂₄) (18)

步骤四，计算系统总体等效刚度：

根据上述过程，在抓握时，计算整个系统总体等效刚度K_E为：

步骤五，估算欠驱动机构的手指机构刚度：

定义手指机构的等效刚度为K_T，当机械手抓握不可变形的超硬物体，如陶瓷杯，金属杯等，此时K_O≈+∞，抓握接触力为F_T，电机的转角为Δθ_T，那么这种情况下测得整个系统的刚度为手指机构的等效刚度，即：

步骤六，推出被抓握物体刚度的计算公式：

定义被抓握物体的刚度为K_O，因此在整个过程中，电机的总运动角度为：

合并公式(19)和(21)，可推导出被抓握物体的刚度K_O为：

步骤七，假肢手抓握其他未知刚度的物体，读取此时的抓握接触力信息与电机编码器信息，根据步骤六的公式(22)解耦计算出准被抓物体的刚度信息。

Claims (1)

1.一种用于欠驱动机械手的被抓握物体刚度估计方法，其特征在于：所述估计被抓物体刚度的方法包括以下步骤：

第一步：建立欠驱动机械手的运动学模型和力学模型，具体为：根据欠驱动机械手的几何特征关系，分别建立在自由空间和接触空间中各个指节运动位置与电机转角的函数关系：

其中：θ_i和

表示第i根杆到x轴正半轴之间的夹角和速度，

和

分别表示近指节和远指节的速度，P₁，P₂和M_t1分别表示欠驱动机构运动学参数；

第二步：将抓握过程分解为物体变形阶段和机械手指变形阶段，在物体变形阶段时，根据步骤1中欠驱动机构的在运动空间的运动学关系建立物体变形量δ与此时电机转角Δθ_1-1的函数关系，其中电机转角Δθ_1-1由安装在电机末端的编码器采集读取：

δ/J_T1＝Δθ_1-1 (3)

其中：J_T1表示欠驱动机构运动学参数；

第三步：在机械手指变形阶段时，根据接触空间欠驱动机械手的力输出特性与分配关系，建立在接触空间下抓握点的抓握接触力F₁与电机输出力矩τ之间的函数关系，其中抓握接触力F₁由安装在手指末端表面的力传感器采集读取：

其中：J_T2表示欠驱动机构运动学参数；

第四步：根据步骤2和步骤3的函数关系计算系统总体等效刚度K_E：

第五步：假肢手抓握硬度极大的物体，读取抓握接触力信息与电机编码器信息，此时，抓握接触力为F_T，电机的转角为Δθ_T，根据步骤4计算的系统总体等效刚度K_E即为假肢机构的手指等效刚度K_T：

第六步：根据步骤4计算的系统总体等效刚度和步骤五得到的手指等效刚度求解出被抓握物体刚度K_O的计算公式：

第七步：假肢手抓握其他未知刚度的物体，读取此时的抓握接触力信息与编码器的电机转角信息，根据公式(7)解耦计算出被抓物体的刚度信息。

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