CN110883773B - 一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法，包括：初始化二指机械手的抓取位置、驱动力和期望接触力分别为最大抓取位置、最小驱动力和零，二指机械手按照初始化参数进行抓取操作；进行期望接触力跟踪控制，若当前接触力未达到当前期望接触力或者当前期望接触力为零时，不断调整当前抓取位置、驱动力直至接触力达到期望接触力，机械臂带动二指机械手执行设定任务；执行设定任务过程中，若机械手不稳定，则调整二指机械手的当前期望接触力并重新进行期望接触力跟踪控制直至机械手稳定。本方法在期望接触力未知的前提下实现了机械手自主感知、决策、控制抓取操作任务，自适应调整动作行为，提升了机械手抓取操作的智能性和鲁棒性。

Description

一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法，属于机械手抓取操作控制的技术领域。

背景技术

在机械手抓取操作任务中，接触力是基于机械手与被操作物体的直接接触所产生的力，可以在抓取操作过程中提供更加精确的物体状态信息。

目前在机械手抓取操作控制领域，多利用机械手的驱动力和抓取位置作为控制量，鲜少将手指与物体的接触信息考虑到控制系统中，即缺少接触力反馈，因此机械手对物体抓取操作过程中是否产生滑动、物体破坏以及其他不稳定抓取情况都无法准确判断，很难保证机械手抓取操作的稳定性和可靠性。

例如，已有的一种自动抓取方法(申请号：201711489764.1)，通过检测物体与机械手执行末端之间是否存在相对位移控制机械手抓取物体的力度，然而物体与机械手执行末端之间相对位移并不能准确描述物体状态，抓取柔软易变形物体时，可以使用较大变化范围的驱动力抓取物体使其处于稳定状态，同时物体的变形程度也会有较大的变化范围，可能对物体产生破坏性抓取。

本申请人已公开的一种用于机械手抓取任务的触觉伺服控制方法(申请号：201910355418.7)，该方法将手指与物体的接触信息考虑到控制系统中，分为抓取策略规划阶段和抓取控制阶段，需要通过建立目标物体的形状与机械手的抓取形式之间的映射关系，然后在实际抓取控制阶段获得修正后的触觉特征，从而进入相应的控制器对抓取任务进行控制。但该方法需要提前确定机械手与物体之间的期望接触力，适用于操作精度较高、物体只能在较小接触力范围被操作的场景。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法。本发明在期望接触力未知的前提下，基于触觉阵列信息来表征二指机械手抓取操作过程中与物体的接触力，为二指机械手抓取操作控制系统提供反馈，从而使其能够实现对不规则形状、不同尺寸、不同重量、不同质地物体的自适应抓取操作。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)参数设定

设二指机械手的驱动电机为该机械手提供的最小/最大驱动力为F_min/F_max；设二指机械手驱动力的最小变化量为ΔF；

设二指机械手的手指与物体接触产生的力为接触力；将二指机械手在抓取操作过程中刚好能够使物体一直保持在稳定状态并且不会对物体产生破坏的接触力定义为二指机械手的期望接触力，所述稳定状态是指二指机械手抓取操作过程中，物体与二指机械手相对位置保持不变，即不产生滑动行为的状态；设二指机械手期望接触力的最小变化量为Δf；

将二指机械手在抓取操作过程中二指之间的直线距离定义为二指机械手的抓取位置，设二指机械手在运动过程中二指之间能够达到的最小/最大直线距离为二指机械手的最小/最大抓取位置d_min/d_max，设二指机械手两手指间距离的最小变化量为Δd；

2)初始化二指机械手

初始化二指机械手的抓取位置、驱动力和期望接触力分别为最大抓取位置d_max、最小驱动力F_min和零，二指机械手按照初始化参数进行抓取操作，然后进入步骤3)；

3)期望接触力跟踪控制，具体包括以下步骤：

3-1)测量二指机械手的当前接触力，判断当前接触力是否达到当前的期望接触力，若达到且当前期望接触力不为零时，则进入步骤4)；若未达到或者当前期望接触力为零时，则进入步骤3-2)；

3-2)以当前抓取位置减小Δd更新当前抓取位置，并以该更新的当前抓取位置和步骤1)设定的最小驱动力F_min驱动二指机械手的手指运动；测量二指机械手的当前抓取位置，并判断其是否达到步骤1)设定的最小抓取位置d_min，若达到，则判定执行设定任务失败，所述自适应控制方法结束；若未达到，则进入步骤3-3)；

3-3)测量二指机械手的当前接触力，判断该当前接触力是否为零，若为零，则返回步骤3-2)；若不为零，则进入步骤3-4)；

3-4)判断二指机械手的当前接触力是否超过安全接触力阈值，若超过，则返回步骤3-1)；若未超过，则进入步骤3-5)；所述安全接触力阈值为当前期望接触力的50％～90％；

3-5)以二指机械手的当前驱动力增加ΔF更新当前驱动力，以该更新的当前驱动力和当前抓取位置驱动二指机械手的手指运动，判断当前驱动力是否达到步骤1)设定的最大驱动力F_max，若未达到，则返回步骤3-4)，若达到，则返回步骤3-1)；

4)机械臂带动二指机械手执行设定任务，在此过程中，控制二指机械手运动的驱动电机参数保持不变，测量二指机械手当前的接触力并判断二指机械手在此过程中的抓取操作是否产生不稳定状态，若未产生不稳定状态，则进入步骤5)；若产生不稳定状态，则进入步骤6)；所述不稳定状态是二指机械手抓取操作过程中，接触力小于所述安全接触力阈值的状态；

5)判断设定任务是否完成，若完成，则判定执行设定任务成功，所述自适应控制方法结束；若未完成，则返回步骤4)；

6)将机械臂复位，令二指机械手的当前期望接触力增加Δf以更新当前期望接触力，并判断当前期望接触力是否达到最大接触力，若达到，则判定执行设定任务失败，所述自适应控制方法结束；若未达到，则返回步骤3)；所述最大接触力为当前期望接触力的120％～200％。

本发明特点及有益效果：

本发明方法创新地仅仅使用物体与二指机械手执行末端接触力作为反馈量，由触觉阵列传感器测量获得，该数据量是直接表征并且能够准确反映物体与二指机械手的接触状态，通过调节驱动力和抓取位置，实现物体与二指机械手抓取操作的自适应控制。

其次，本发明方法无需提前预知二指机械手抓取操作任务中与物体之间的期望接触力，减少了工程人员由于经验差异导致期望接触力设置不合理而产生的抓取操作任务失败的风险，或者由于工程人员多次测试最佳接触力而获得期望接触力的时间成本。

最后，由于本发明方法中仅仅使用接触力物理量作为控制系统中的反馈量调节抓取操作过程，减少了控制系统中的传感硬件部件和相应电子电路部件，降低了搭建实际控制系统的成本，同时减小了控制系统的设计难度，易于工程化应用实现。

附图说明

图1为本发明实施例的抓取操作任务自适应控制方法的整体流程图。

图2为图1所示控制方法中涉及的期望接触力跟踪控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述一个本发明的用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法的应用实例。

本发明提出的一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法，所述二指机械手安装在一台机械臂末端，二指机械手的两指的运动由电机驱动。在二指机械手两指之间安装红外距离传感器，用于实时检测二指机械手在抓取操作过程中二指之间的直线距离。在二指机械手的其中任一指表面安装有触觉传感器(本实施例中采用申请号为201811226659.3的智能压阻柔性压力阵列传感器)，共23个测量点，用于实时检测二指机械手在抓取操作过程手指与被抓取物体间的接触力大小。

参见图1，本发明提出的一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法，包括以下步骤：

1)参数设定

设二指机械手的驱动电机为该机械手提供的最小/最大驱动力为F_min/F_max，该最小/最大驱动力由驱动电机的额定功率和转速决定(计算公式：F_min＝9549×P/n_max，F_max＝9549×P/n_min，其中，P是驱动电机的额定输出功率，单位：千瓦，n_max、n_min分别是驱动电机的最大、最小转速，单位：转每分)；设二指机械手驱动力的最小变化量为ΔF，该物理量由驱动手指运动的驱动电机的转速精度和额定功率决定。

设二指机械手的手指与物体接触产生的力为接触力f，等于触觉阵列传感器所有测量点的数据之和；将二指机械手在抓取操作过程中刚好能够使物体一直保持在稳定状态并且不会对物体产生破坏的接触力定义为二指机械手的期望接触力为f_exp，所述稳定状态是指二指机械手抓取操作过程中，物体与二指机械手相对位置保持不变，即不产生滑动行为的状态；设二指机械手期望接触力的最小变化量为Δf，该物理量由触觉传感器的精度决定。

将二指机械手在抓取操作过程中二指之间的直线距离定义为二指机械手的抓取位置，设二指机械手在运动过程中二指之间能够达到的最小/最大直线距离为二指机械手的最小/最大抓取位置d_min/d_max，设二指机械手两手指间距离(即抓取位置)的最小变化量为Δd，该物理量由驱动二指机械手的电机旋转/直线步进精度决定。

2)初始化二指机械手

初始化二指机械手的抓取位置、驱动力和期望接触力分别为最大抓取位置d_max、最小驱动力F_min和零，二指机械手按照初始化参数进行抓取操作，然后进入步骤3)。

3)期望接触力跟踪控制，参见图2，具体包括以下步骤：

3-1)分别通过触觉传感器和红外距离传感器测量二指机械手的当前接触力和当前抓取位置，判断当前接触力是否达到当前的期望接触力f_exp，若达到且当前期望接触力f_exp不为零时，则进入步骤4)(即图2中所示“退出”)；若未达到或者当前期望接触力f_exp为零时，则进入步骤3-2)。

3-2)以当前抓取位置减小一个Δd更新当前抓取位置，并以该更新的当前抓取位置和最小驱动力F_min驱动二指机械手的手指运动；通过红外距离传感器测量二指机械手的(更新的)当前抓取位置，并判断其是否达到步骤1)设定的最小抓取位置d_min，若达到，则判定执行设定任务失败，本方法结束(主要由于物体初始位置与形态或者物体自身物理属性(如质量、体积、质地等)等原因不适合二指机械手抓取操作，从而导致任务失败，并非由于本方法不当导致的任务失败，可通过调整二指机械手的构型以适应物体初始位置或者物体自身物理属性后重新执行本发明方法)；若未达到，则进入步骤3-3)。

3-3)通过触觉传感器测量二指机械手的当前接触力，判断该当前接触力是否为零，若为零，则返回步骤3-2)；若不为零，则进入步骤3-4)；

3-4)继续判断二指机械手的当前接触力是否超过安全接触力阈值f_safe，若超过，则返回步骤3-1)；若未超过，则进入步骤3-5)；所述安全接触力阈值f_safe为当前期望接触力f_exp的50％～90％。

3-5)以二指机械手的当前驱动力增加一个ΔF更新当前驱动力，以该更新的当前驱动力和当前抓取位置驱动二指机械手的手指运动，判断(更新的)当前驱动力是否达到步骤1)设定的最大驱动力F_max，若未达到，则返回步骤3-4)，若达到，则返回步骤3-1)。

4)机械臂带动二指机械手执行设定任务(例如抬起、平移、旋转等任务)，在此过程中，控制二指机械手运动的驱动电机参数保持不变，通过触觉传感器测量二指机械手当前的接触力并判断二指机械手在此过程中的抓取操作是否产生不稳定状态，若未产生不稳定状态，则进入步骤5)；若产生不稳定状态，则进入步骤6)；所述不稳定状态是二指机械手抓取操作过程中，接触力小于所述安全接触力阈值f_safe的状态。

5)判断设定任务是否完成，若完成，则判定执行设定任务成功，本方法结束；若未完成，则返回步骤4)。

6)将机械臂复位，令二指机械手的当前期望接触力增加一个Δf以更新当前期望接触力，并判断(更新的)当前期望接触力是否达到最大接触力f_max，若达到，则判定执行设定任务失败(主要由于物体初始位置与形态或者物体自身物理属性(如质量、体积、质地等)等原因不适合二指机械手抓取操作，从而导致任务失败，并非由于本方法不当导致的任务失败，可通过调整二指机械手的构型以适应物体初始位置或者物体自身物理属性后重新执行本发明方法)，本方法结束；若未达到，则返回步骤3)。所述最大接触力f_max为当前期望接触力f_exp的120％～200％。

最终，通过上述自适应控制方法，实时检测二指机械手抓取操作过程中手指与物体的接触情况，估计物体状态，实现对物体的稳定抓取。

综上，本发明方法仅使用接触力作为机械手抓取操作控制系统中的反馈量调节抓取操作过程，无需提前预知或者测量其他物理量输入到控制系统的反馈环节调节抓取操作过程，实现了机械手自主感知、决策、控制抓取操作任务，自适应调整动作行为，全面的提升了机械手抓取操作的智能性和鲁棒性。

Claims (1)

1.一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)参数设定：

设二指机械手的驱动电机为该机械手提供的最小驱动力为F_min，最大驱动力为F_max；设二指机械手驱动力的最小变化量为ΔF；

设二指机械手的手指与物体接触产生的力为接触力；将二指机械手在抓取操作过程中刚好能够使物体一直保持在稳定状态并且不会对物体产生破坏的接触力定义为二指机械手的期望接触力，所述稳定状态是指二指机械手抓取操作过程中，物体与二指机械手相对位置保持不变，即不产生滑动行为的状态；设二指机械手期望接触力的最小变化量为Δf；

将二指机械手在抓取操作过程中二指之间的直线距离定义为二指机械手的抓取位置，设二指机械手在运动过程中二指之间能够达到的最小直线距离为二指机械手的最小抓取位置d_min，最大直线距离为二指机械手的最大抓取位置d_max，设二指机械手两手指间距离的最小变化量为Δd；

2)初始化二指机械手：

初始化二指机械手的抓取位置、驱动力和期望接触力分别为最大抓取位置d_max、最小驱动力F_min和零，二指机械手按照初始化参数进行抓取操作，然后进入步骤3)；

3)期望接触力跟踪控制，具体包括以下步骤：

3-1)测量二指机械手的当前接触力，判断当前接触力是否达到当前的期望接触力，若达到且当前期望接触力不为零时，则进入步骤4)；若未达到或者当前期望接触力为零时，则进入步骤3-2)；

3-2)以当前抓取位置减小Δd更新当前抓取位置，并以该更新的当前抓取位置和步骤1)设定的最小驱动力F_min驱动二指机械手的手指运动；测量二指机械手的当前抓取位置，并判断其是否达到步骤1)设定的最小抓取位置d_min，若达到，则判定执行设定任务失败，所述自适应控制方法结束；若未达到，则进入步骤3-3)；

3-3)测量二指机械手的当前接触力，判断该当前接触力是否为零，若为零，则返回步骤3-2)；若不为零，则进入步骤3-4)；

3-4)判断二指机械手的当前接触力是否超过安全接触力阈值，若超过，则返回步骤3-1)；若未超过，则进入步骤3-5)；所述安全接触力阈值为当前期望接触力的50％～90％；

3-5)以二指机械手的当前驱动力增加ΔF更新当前驱动力，以该更新的当前驱动力和当前抓取位置驱动二指机械手的手指运动，判断当前驱动力是否达到步骤1)设定的最大驱动力F_max，若未达到，则返回步骤3-4)，若达到，则返回步骤3-1)；

4)机械臂带动二指机械手执行设定任务，在此过程中，控制二指机械手运动的驱动电机参数保持不变，测量二指机械手当前的接触力并判断二指机械手在此过程中的抓取操作是否产生不稳定状态，若未产生不稳定状态，则进入步骤5)；若产生不稳定状态，则进入步骤6)；所述不稳定状态是二指机械手抓取操作过程中，接触力小于所述安全接触力阈值的状态；

5)判断设定任务是否完成，若完成，则判定执行设定任务成功，所述自适应控制方法结束；若未完成，则返回步骤4)；

6)将机械臂复位，令二指机械手的当前期望接触力增加Δf以更新当前期望接触力，并判断当前期望接触力是否达到最大接触力，若达到，则判定执行设定任务失败，所述自适应控制方法结束；若未达到，则返回步骤3)；所述最大接触力为当前期望接触力的120％～200％。

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