基于力矩外环的软物体抓取控制
王学林，周俊，姬长英，姜莉
(南京农业大学工学院，江苏南京210031)
摘 要：为减少机械手抓取软物体造成的损害，提出基于关节力矩预测的力矩外环在线抓取控制方案一该方案通过建立灰色预测模型直接预测关节力矩的变化代替预测软物体刚度的变化；并能同时控制机械手抓取过程中关节力矩偏差和角速度关系一在实际关节力矩和灰色预测力矩之间采用线性插值，按采样周期将预测力矩逐渐加到力矩回路中一仿真表明，当抓取具有刚度变化的软物体时，基于关节力矩预测的力矩外环软物体抓取控制系统对机械手和软物体之间的动态接触过程具有一定的自适应性，可以快速跟踪设定值，而且无大的超调和振荡出现，使控制性能和动态品质得到较大改善，具有较强的鲁棒性，是适合软物体抓取的一种控制方法。
关键词：抓取；控制；灰色力矩预测；机械手；软物体
中国分类号：tp 24 文献标识码：a
1引言
抓取是一种复杂的基本操作，涉及机械手和被抓物体间的相互作用。在抓取软物体、采摘水果时，常采用力控制，也叫主动柔顺控制，其典型特点是力和位置强耦合，是一种极其复杂的混合控制。基于位置内环的显式力控制可以在不改动原有位控系统的基础上实现力控制，具有广泛的应用。
机器人抓取未知物体时需要在线预测物体的刚度变化，目的是以指定的参考力快速移动机械手指到估计的变形位置处，在这过程中确保力以****的收敛响应速度到达接触位置处，且无振荡和超调出现。在抓取软物体时，机械手往往有多个接触点共同参与抓取，最终软物体在有界力封闭条件下达到平衡。可是在线预测物体的多个接触点刚度并不实际，为减小物体刚度变化对抓取的影响提出基于力矩外环预测的软物体抓取控制方案。
2力矩外环预测的软物体抓取控制
提出的灰色关节力矩预测的力矩外环软物体抓取控制框架图，如图l所示。
采用外部力矩环的目的是减小跟踪方向的位置误差，增加力控制精度，减小位控系绕随机干扰。该方案把力矩控制回路置于位置控制器的外层，力矩控制器的输出q作为位置控制器的输入，末端执行器的作用力可以看作位置伺服系统的干扰，由于位置控制器具有很高的伺服刚度，与机械手自身的作用力相比较而言，对位置系统的影响可以忽略不计。位置伺服系统中参数的变化，由位置环给予控制，对力矩环影响大为减弱。力矩环的前向通道包含一阶积分环节，使系统对单位阶跃输入的力响应无稳态误差。
在图l力矩外环回路中，由外环的灰色估计器实时预测关节力矩的变化，在当前力矩和预测力矩之间实行线性插值，避免力超调和振荡出现；同时推导机械手抓取过程中的角速度传递函数，角速度的变化同样会影响抓取的质量。
本文主要研究软物体抓取过程中力控制，即从机械手接触到稳固抓取软物体的过程控制。下面以两指手抓取软物体为例，系统介绍基于灰色关节力矩预测的软物体抓取控制。
3机械手建模
一种在工农业常用的机械手抓取、采摘示图，如图2所示。
图中，2指的是紧定螺钉，须人工调整开合度，两指完全对称安装，用一台电机同时控制两机械考虑单手指建模，设连杆的质量均匀分布，质心距连杆的转动中心为l，连杆总长为2l，连杆运动的粘性摩擦系数为s，弹性摩擦系数为ε，当δ的值比较小时，认为连杆的质心在其中心，根据牛顿定律得到其运动方程：
式中i= 4ml2/3力转动惯量；mg为机械手重量；θ为手工调整的角度，认为关节处的电机能满足控制需要，系统初值为零且不计重力影响。
由式(1)，得到采摘机械手的传递函数为
| 
