一种机械手抓取、操纵物体的控制方法

1.本发明涉及机械手的控制信号模拟技术领域，尤其涉及一种机械手抓取、操纵物体的控制方法。

背景技术：

2.机器人需要视觉、力/扭矩、触觉等密集的传感器，通过获得的信息插入复杂的方程中，实现不同的动作。虽然机器人可以比人类获取更多的信息和计算能力，但机器人在普通人类环境中进行工作，难以适应不同的环境及条件，也就是说使用传统的控制方法，机器人缺乏灵活性和适应性。机械手在各领域工作环境中应用尤其广泛，目前，机械手在抓取和物体操纵方面的控制灵活度、准确性均不够理想。
3.专利申请cn114800508a公开了一种工业机器人的抓取控制系统及方法，工业机器人设置有机械臂，机械臂与摄像设备电联接；摄像设备包括信息获取模块以及发送模块；机械臂包括接收模块、信息处理模块以及抓取判断模块；采集流水线上的商品信息图片；发送模块用于将商品信息图片发送给接收模块；信息处理模块用于将接收模块接收的商品信息图片与全角度模板图进行匹配，其中全角度模板图设置有360个不同角度的模板图；抓取判断模块用于根据偏移角度旋转机械臂，使机械臂夹手的夹持角度与目标商品的偏移角度一致，并对目标商品执行抓取动作；其采用机械臂与图像信息采集结合，根据信息图片判断控制机械臂的夹取动作，而对抓取物体操纵的灵活度与准确性方面不够。

技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，将虚拟阻尼器与虚拟弹簧并联效应的联合空间速度阻尼信号、抓取力控制信号及物体操纵控制信号叠加，用于阻尼整形、抓取和操纵物体，提高了机械手抓取和物体操纵方面的灵活度、准确性。
5.为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
6.一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，包括以下步骤：
7.步骤一：建立二指机械手模型并对其各个关节进行描述；
8.步骤二：根据步骤一建立的二指机械手的模型，自定义机械手与物体的物理参数、初始值和期望值，进行手臂和物体系统的动力学推导；
9.步骤三：根据步骤二动力学推导，结合信号叠加原理，合成机械手抓取和物体操纵的控制信号u。
10.所述步骤一的具体方法为：
11.整个机械手系统的模型包括肩部、肘部、腕部和拇指的两个自由度、食指的两个自由度，q＝(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7)
t
；假设手臂系统在水平面中移动，并且手指与物体接触的表面是平行的，从机械手接触物体表面的初始状态到机械手抓住物体过程中所期望达到的抓取位置为xd＝(xd,yd)
t
；机械手指端是刚性的半圆形，手指末端和物体表面之间存在滚动
约束；
12.点o表示固定在机器人手臂第一个关节处的笛卡尔坐标原点，物体中心用o
c.m
表示。
13.所述步骤二的具体方法为：
14.机械手拇指和食指的半圆形指端中心的坐标几何参数 x
oj
＝(x
oj
,y
oj
)
t
[0015][0016]
式(1)中：qi(i＝1,...,7)为每个关节角度，
[0017]
li(i＝1,...,7)为每个关节之间连杆的长度，
[0018]
得到指端与物体的接触点几何参数xj＝(xj,yj)
t
[0019][0020]
式(2)中：rj(j＝1,2)为指端半径，
[0021]
x
0j
＝(x
0j
,y
0j
)
t
为半圆形指端的中心，
[0022]
θ为初始物体角度，
[0023]
指端和物体表面之间的约束q1,q2,r1,r2，
[0024]
指端与物体表面的接触约束q1,q2，则
[0025]
q1＝(x-x
01
)cosθ-(y-y
01
)sinθ-r
1-w1＝0
[0026]
q2＝-(x-x
02
)cosθ+(y-y
02
)sinθ-r
2-w2＝0
ꢀꢀ
(3)
[0027]
式(3)中：w1,w2为夹取物体的宽度，
[0028]
设指端在物体表面上的移动距离几何参数y1,y2，
[0029]
y1＝c
01-r1(π+θ-q
t
e1)
[0030]
y2＝c
02-r2(2π-θ-q
t
e2)
ꢀꢀ
(4)
[0031]
式(4)中：c
01
,c
02
为指端与物体的初始接触点，
[0032]
e1＝(1,1,1,1,1,0,0)
t
,e2＝(1,1,1,0,0,1,1)
t
，
[0033]
得指端在物体表面上的移动几何参数yj，
[0034]
yj＝(x
0j-x)sinθ+(y
0j-y)cosθ
ꢀꢀ
(5)
[0035]
式(5)中：x,y为物体的中心坐标
[0036]
由公式(4)(5)得到指尖与物体表面的滚动约束r1,r2[0037]
r1＝y
1-c
01
+r1(π+θ-q
t
e1)＝0
[0038]
r2＝y
2-c
02
+r2(2π-θ-q
t
e2)＝0 (6)
[0039]
则整个机械手和物体的拉格朗日方程k,l：
[0040][0041]
其中：
[0042][0043][0044][0045]
将公式(8)、公式(9)带入到公式(7)中，得
[0046][0047]
其中：fj,aj为拉格朗日乘数，
[0048]
h(q)为机器人部件的7
×
7惯性矩阵，
[0049]
i为绕质心oc.m的惯性矩，
[0050]
得到变分方程描述的哈密顿原理：
[0051][0052]
u为每个关节执行器产生的控制输入扭矩信号，
[0053]
根据公式(7)、公式(10)、公式(11)得到整个手臂和物体系统的动力学方程：
[0054][0055]
是斜对称矩阵，
[0056][0057][0058]
其中
[0059]
所述步骤二中自定义的初始值为各个关节的初始位置值，期望值为指端中心点的期望达到的位置值xd。
[0060]
所述步骤三的具体步骤为：
[0061]
将x
p
(x
p
,y
p
)
t
定义为指端之间的中心点，xd＝(xd,yd)
t
表示点x
p
的期望点，得到：
[0062]
虚拟阻尼器与虚拟弹簧并联效应的联合空间速度阻尼信号为
[0063][0064]
其中：ζ1＝2.0,k＝10[n/m]
[0065]
co为粘度系数(d-gain)的对角矩阵；
[0066]
抓取力控制信号为
[0067][0068]
其中：fd为机械手所需的抓取力
[0069]
物体操纵控制信号为：
[0070][0071][0072]
其中：δx＝x
p-xd,x
p
＝(x
01
+x
02
)/2
[0073]
k为虚拟弹簧的刚度
[0074]
为了实现抓取和物体操纵一起移动到期望位置xd，基于叠加原理将控制信号u合成如下：
[0075]
u＝ud+ug+u
p
ꢀꢀ
(18)
[0076]
则机器人关节阻尼
[0077][0078]
k＝10[n/m],ζ0＝0.8
ꢀꢀ
(19)
[0079]
其中：h(q(0))为初始惯性矩阵
[0080]
通过机器人关节阻尼公式可以得到关节阻尼c1至c7。
[0081]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0082]
本发明控制方法通过虚拟阻尼器与虚拟弹簧并联效应的联合空间速度阻尼信号、抓取力控制信号及物体操纵三个控制信号叠加，通过计算机仿真表明，本发明所提出的控制方案在机器人抓取和物体操纵方面取得了令人满意的性能；同时，基于虚拟弹簧-阻尼器假设的阻尼整形，在阻尼整形以产生机械手的平滑运动方面是有效的；对于抓取和物体操纵的控制灵活度、准确性大大提高。
附图说明
[0083]
图1是本发明二指机械手系统模型。
[0084]
图2是本发明机械手的端点运动轨迹。
[0085]
图3是本发明距离||δx(0)||随时间的变化曲线。
[0086]
图4是本发明x轴期望位置随时间的变化曲线。
[0087]
图5是本发明y轴期望位置随时间的变化曲线。
具体实施方式
[0088]
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0089]
一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0090]
步骤一：建立二指机械手模型并对其各个关节进行描述；整个机械手系统的模型如图1所示，包括肩部、肘部、腕部和拇指的两个自由度、食指的两个自由度，q＝(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7)
t
；假设手臂系统在水平面中移动，并且手指与物体接触的表面是平行的，从机械手接触物体表面的初始状态到机械手抓住物体过程中所期望达到的抓取位置为xd＝(xd,yd)
t
；机械手指端是刚性的半圆形，手指末端和物体表面之间存在滚动约束；点o表示固定在机器人手臂第一个关节处的笛卡尔坐标原点，物体中心用o
c.m
表示。
[0091]
步骤二：根据步骤一建立的二指机械手的模型，自定义机械手与物体的物理参数、初始值和期望值，进行手臂和物体系统的动力学推导：
[0092]
机械手拇指和食指的半圆形指端中心的坐标几何参数 x
oj
＝(x
oj
,y
oj
)
t
[0093][0094]
式(1)中：qi(i＝1,...,7)为每个关节角度，
[0095]
li(i＝1,...,7)为每个关节之间连杆的长度，
[0096]
得到指端与物体的接触点几何参数xj＝(xj,yj)
t
[0097][0098]
式(2)中：rj(j＝1,2)为指端半径，
[0099]
x
0j
＝(x
0j
,y
0j
)
t
为半圆形指端的中心，
[0100]
θ为初始物体角度，
[0101]
指端和物体表面之间的约束q1,q2,r1,r2，
[0102]
指端与物体表面的接触约束q1,q2，则
[0103]
q1＝(x-x
01
)cosθ-(y-y
01
)sinθ-r
1-w1＝0
[0104]
q2＝-(x-x
02
)cosθ+(y-y
02
)sinθ-r
2-w2＝0
ꢀꢀ
(3)
[0105]
式(3)中：w1,w2为夹取物体的宽度，
[0106]
设指端在物体表面上的初始距离为yi，移动距离几何参数为y1,y2，
[0107]
y1＝c
01-r1(π+θ-q
t
e1)
[0108]
y2＝c
02-r2(2π-θ-q
t
e2)
ꢀꢀ
(4)
[0109]
式(4)中：c
01
,c
02
为指端与物体的初始接触点，
[0110]
e1＝(1,1,1,1,1,0,0)
t
,e2＝(1,1,1,0,0,1,1)
t
，
[0111]
得指端在物体表面上的移动几何参数yj，
[0112]
yj＝(x
0j-x)sinθ+(y
0j-y)cosθ
ꢀꢀ
(5)
[0113]
式(5)中：x,y为物体的中心坐标由公式(4)(5)得到指尖与物体表面的滚动约束r1,r2[0114]
r1＝y
1-c
01
+r1(π+θ-q
t
e1)＝0
[0115]
r2＝y
2-c
02
+r2(2π-θ-q
t
e2)＝0
ꢀꢀ
(6)
[0116]
则整个机械手和物体的拉格朗日方程k,l：
[0117][0118]
其中：
[0119][0120][0121][0122]
将公式(8)、公式(9)带入到公式(7)中，得
[0123][0124]
其中：fj,aj为拉格朗日乘数，
[0125]
h(q)为机器人部件的7
×
7惯性矩阵，
[0126]
i为绕质心oc.m的惯性矩，
[0127]
得到变分方程描述的哈密顿原理：
[0128][0129]
u为每个关节执行器产生的控制输入扭矩信号，
[0130]
根据公式(7)、公式(10)、公式(11)得到整个手臂和物体系统的动力学方程：
[0131][0132]
是斜对称矩阵，
[0133][0134]
[0135]
其中
[0136]
所述步骤二中自定义的初始值为各个关节的初始位置值，期望值为指端中心点的期望达到的位置值xd；
[0137]
表1为自定义物理数据上臂(l1)、前臂(l2)、手掌(l3)、食指(l4，l5)和拇指(l6，l7) 的长度以及相应的质量、惯性矩和指尖半径。
[0138][0139][0140]
物体的物理参数如表2所示
[0141]
ω1,ω2宽度0.01500(m)h高度0.05000(m)m质量0.05000(kg)i惯性矩1.417
×
10-5
(kgm2)
[0142]
为了验证提出的控制信号的有效性，给出初始值和期望值如表3
[0143][0144]
步骤三：根据步骤二动力学推导，结合信号叠加原理，合成机械手抓取和物体操纵的控制信号u。
[0145]
通常，在执行任务时，人类通过无意识地将手臂，手和物体识别为合并的单元来自然地使物体迟交。因此，我们将x
p
(x
p
,y
p
)
t
定义为不是物体上的点，而是指端之间的中心点，xd＝(xd,yd)
t
表示点x
p
的期望点，然后，用于实现这种物体操作的控制信号，则：
[0146]
虚拟阻尼器与虚拟弹簧并联效应的联合空间速度阻尼信号
[0147][0148]
其中：ζ1＝2.0,k＝10[n/m]
[0149]
co为粘度系数(d-gain)的对角矩阵；
[0150]
则抓取力
[0151][0152]
其中：fd为机械手所需的抓取力
[0153]
则物体操纵
[0154][0155]
[0156]
其中：δx＝x
p-xd,x
p
＝(x
01
+x
02
)/2
[0157]
k为虚拟弹簧的刚度；
[0158]
为了实现抓取和物体操纵一起移动到期望位置xd，基于叠加原理将控制信号u合成如下：
[0159]
u＝ud+ug+u
p
ꢀꢀ
(18)
[0160]
则机器人关节阻尼
[0161][0162]
k＝10[n/m],ζ0＝0.8
ꢀꢀ
(19)
[0163]
其中：初始惯性矩阵h(q(0))如下
[0164][0165]
通过机器人关节阻尼公式可以得到关节阻尼c1至c7。
[0166]
c1＝1.25[nms],c2＝0.81[nms],c3＝0.20[nms],c4＝0.053[nms],
[0167]
c5＝0.032[nms],c6＝0.082[nms],c7＝0.043[nms]
[0168]
为验证控制信号的有效性，进行计算机仿真：
[0169]
机械手能够同时实现抓取和物体操纵的控制信号；所提出的控制信号仅由最初在任务空间和联合空间速度阻尼中设计的控制信号的雅可比转置组成，实现方法简单，基于计算机数值模拟的结果表明，为实现冗余度机械手的运动而提出的“虚拟弹簧-阻尼器假设”对机械手的阻尼成形是有效的，能够产生平滑的运动，仿真实验结果见：
[0170]
图2为机械手的端点运动轨迹；
[0171]
图3为距离||δx(0)||随时间的变化曲线；
[0172]
图4为x轴期望位置随时间的变化曲线；
[0173]
图5为y轴期望位置随时间的变化曲线；
[0174]
从仿真的结果可以看出所有的瞬态响应在4秒左右都达到了期望值，并且运动轨迹平滑。
[0175]
以上所述内容仅为本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的基本原则之内所作的任何修改、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立二指机械手模型并对其各个关节进行描述；步骤二：根据步骤一建立的二指机械手的模型，自定义机械手与物体的物理参数、初始值和期望值，进行手臂和物体系统的动力学推导；步骤三：根据步骤二动力学推导，结合信号叠加原理，合成机械手抓取和物体操纵的控制信号u。2.根据权利要求1所述的一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法为：整个机械手系统的模型包括肩部、肘部、腕部和拇指的两个自由度、食指的两个自由度，q＝(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7)
t
；假设手臂系统在水平面中移动，并且手指与物体接触的表面是平行的，从机械手接触物体表面的初始状态到机械手抓住物体过程中所期望达到的抓取位置为x
d
＝(x
d
,y
d
)
t
；机械手指端是刚性的半圆形，手指末端和物体表面之间存在滚动约束；点o表示固定在机器人手臂第一个关节处的笛卡尔坐标原点，物体中心用o
c.m
表示。3.根据权利要求1所述的一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法为：机械手拇指和食指的半圆形指端中心的坐标几何参数x
oj
＝(x
oj
,y
oj
)
t
式(1)中：q
i
(i＝1,...,7)为每个关节角度，l
i
(i＝1,...,7)为每个关节之间连杆的长度，得到指端与物体的接触点几何参数x
j
＝(x
j
,y
j
)
t
式(2)中：r
j
(j＝1,2)为指端半径，x
0j
＝(x
0j
,y
0j
)
t
为半圆形指端的中心，θ为初始物体角度，指端和物体表面之间的约束q1,q2,r1,r2，指端与物体表面的接触约束q1,q2，则q1＝(x-x
01
)cosθ-(y-y
01
)sinθ-r
1-w1＝0q2＝-(x-x
02
)cosθ+(y-y
02
)sinθ-r
2-w2＝0
ꢀꢀ
(3)
式(3)中：w1,w2为夹取物体的宽度，设指端在物体表面上的移动距离几何参数y1,y2，y1＝c
01-r1(π+θ-q
t
e1)y2＝c
02-r2(2π-θ-q
t
e2)
ꢀꢀ
(4)式(4)中：c
01
,c
02
为指端与物体的初始接触点，e1＝(1,1,1,1,1,0,0)
t
,e2＝(1,1,1,0,0,1,1)
t
，得指端在物体表面上的移动几何参数y
j
，y
j
＝(x
0j-x)sinθ+(y
0j-y)cosθ
ꢀꢀ
(5)式(5)中：x,y为物体的中心坐标由公式(4)、公式(5)得到指尖与物体表面的滚动约束r1,r2r1＝y
1-c
01
+r1(π+θ-q
t
e1)＝0r2＝y
2-c
02
+r2(2π-θ-q
t
e2)＝0
ꢀꢀ
(6)则整个机械手和物体的拉格朗日方程k,l：其中：其中：其中：将公式(8)、公式(9)带入到公式(7)中，得其中：f
j
,a
j
为拉格朗日乘数，h(q)为机器人部件的7
×
7惯性矩阵，i为绕质心oc.m的惯性矩，得到变分方程描述的哈密顿原理：u为每个关节执行器产生的控制输入扭矩信号，根据公式(7)、公式(10)、公式(11)得到整个手臂和物体系统的动力学方程：公式(11)得到整个手臂和物体系统的动力学方程：是斜对称矩阵，
其中4.根据权利要求1所述的一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，所述步骤二中自定义的初始值为各个关节的初始位置值，期望值为指端中心点的期望达到的位置值x
d
。5.根据权利要求1所述的一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤为：将x
p
(x
p
,y
p
)
t
定义为指端之间的中心点，x
d
＝(x
d
,y
d
)
t
表示点x
p
的期望点，则：虚拟阻尼器与虚拟弹簧并联效应的联合空间速度阻尼信号其中：ζ1＝2.0,k＝10[n/m]co为粘度系数(d-gain)的对角矩阵；则抓取力其中：f
d
为机械手所需的抓取力则物体操纵则物体操纵其中：δx＝x
p-x
d
,x
p
＝(x
01
+x
02
)/2k为虚拟弹簧的刚度为了实现抓取和物体操纵一起移动到期望位置x
d
，基于叠加原理将控制信号u合成如下：u＝u
d
+u
g
+u
p
ꢀꢀ
(18)则机器人关节阻尼k＝10[n/m],ζ0＝0.8
ꢀꢀ
(19)其中：h(q(0))为初始惯性矩阵
通过机器人关节阻尼公式可以得到关节阻尼c1至c7。

技术总结

一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，首先，建立二指机械手模型并对其各个关节进行描述；其次，根据步骤一建立的二指机械手的模型，自定义机械手与物体的物理参数、初始值和期望值，进行手臂和物体系统的动力学推导；最后，根据步骤二动力学推导，结合信号叠加原理，合成机械手抓取和物体操纵的控制信号u；本发明控制方法通过虚拟阻尼器与虚拟弹簧并联效应的联合空间速度阻尼信号、抓取力控制信号及物体操纵三个控制信号叠加，在机器人抓取和物体操纵方面取得了令人满意的性能；经计算机仿真表明，本发明根据虚拟弹簧-阻尼器假设的阻尼整形，在阻尼整形以产生机械手的平滑运动方面是有效的；对于抓取和物体操纵的控制灵活度、准确性大大提高。确性大大提高。确性大大提高。