張慶利， 倪風(fēng)雷， 朱映遠(yuǎn)， 謝宗武， 劉宏，2

(1.機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱，150001;2.德宇航中心機(jī)器人及機(jī)電一體化研究所，慕尼黑，82230)

三手指空間手爪基于抓握力的模糊自適應(yīng)控制

張慶利1， 倪風(fēng)雷1， 朱映遠(yuǎn)1， 謝宗武1， 劉宏1，2

(1.機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱，150001;2.德宇航中心機(jī)器人及機(jī)電一體化研究所，慕尼黑，82230)

針對(duì)空間手爪在抓握目標(biāo)物體的過(guò)程中，因接觸碰撞而產(chǎn)生的擾動(dòng)力可能會(huì)造成機(jī)械臂抖動(dòng)和初始位姿改變，甚至將目標(biāo)物體彈出捕獲區(qū)，造成捕獲失敗的問(wèn)題，提出了基于抓握力的模糊自適應(yīng)控制策略，以削弱在抓握過(guò)程中因接觸碰撞產(chǎn)生的擾動(dòng)力，減小對(duì)機(jī)械臂造成的擾動(dòng)。首先介紹了哈爾濱工業(yè)大學(xué)(HIT)自行研制的三手指空間手爪，對(duì)其抓握過(guò)程和接觸碰撞進(jìn)行了分析，提出一種柔順控制策略，設(shè)計(jì)了基于抓握力的模糊自適應(yīng)控制器。通過(guò)模糊控制器實(shí)時(shí)地調(diào)整控制參數(shù)，不僅可使系統(tǒng)穩(wěn)定，而且具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì);控制器中的滑?？刂七€可以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。采用HIT在軌自維護(hù)機(jī)械臂在空間微重力運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行了抓握實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制器和提出的抓握策略能夠有效削弱抓握過(guò)程中的擾動(dòng)力。

空間手爪;柔順控制;碰撞擾動(dòng);模糊自適應(yīng)控制;抓握策略

0 引言

近年來(lái)關(guān)于空間機(jī)械臂方面的研究越來(lái)越多。對(duì)于失效或出現(xiàn)故障的航天器，利用空間機(jī)械臂將其捕獲、維修、回收或再利用，不僅可以節(jié)約大量的人力財(cái)力，還可以清除宇宙空間日益增多的太空垃圾，因此，空間機(jī)械臂需要首先捕獲空間自由漂浮的目標(biāo)物體。由于空間物體的位姿和速度的不可預(yù)知性，當(dāng)空間手爪進(jìn)行目標(biāo)捕獲時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生與目標(biāo)物體的接觸碰撞問(wèn)題。

目前，空間機(jī)械臂作為空間機(jī)械人學(xué)的分支，已成為當(dāng)今航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。針對(duì)抓取過(guò)程中的碰撞問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者提出了很多的研究方法。一類(lèi)方法是從減小碰撞力的角度出發(fā)，L.B.Wee等人提出了一種“梯度投影算法”來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，減小碰撞力［1］;Warker等人提出了利用可控動(dòng)量飛輪來(lái)吸收目標(biāo)物體角動(dòng)量，進(jìn)而達(dá)到減少碰撞力的目的［2］。另一類(lèi)方法是從控制算法的角度出發(fā)，Yoshikawa等人［3］提出了利用阻抗控制算法來(lái)捕捉非合作目標(biāo)，并闡述了在碰撞后保證目標(biāo)不被推走的條件;Nenchev等［4］提出了利用“Reaction null space”控制算法來(lái)處理碰撞產(chǎn)生的耦合角動(dòng)量，這種方法能夠有效地將機(jī)械臂與基座的動(dòng)力學(xué)解耦，但缺陷是受機(jī)械臂關(guān)節(jié)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩限制的影響;近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一定的研究，顧曉勤和譚朝陽(yáng)［5］研究了機(jī)械臂沖擊力學(xué)問(wèn)題，建立了捕獲過(guò)程的沖擊力學(xué)方程。從佩超和孫兆偉［6］基于空間機(jī)械臂的動(dòng)量守恒關(guān)系提出了“直臂抓取”的概念，并給出一種空間機(jī)械臂構(gòu)型規(guī)劃方法，該方法是要求對(duì)目標(biāo)物體和機(jī)械臂有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)建模，控制需要的各種參數(shù)要能通過(guò)準(zhǔn)確地?cái)?shù)學(xué)模型獲取，以及實(shí)際目標(biāo)捕獲過(guò)程中機(jī)械臂的工作空間問(wèn)題等難以實(shí)現(xiàn)該方法，故“直臂抓取”有一定的局限性。HUANG Pan－feng［7］等人研究了空間機(jī)械手和目標(biāo)物體之間的接觸碰撞動(dòng)力學(xué)并進(jìn)行了針對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真研究，但他是針對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃中的“避障”和“抗擾”問(wèn)題的研究，忽略了對(duì)手爪抓握空間目標(biāo)物體的過(guò)程中接觸碰撞和抓握控制策略問(wèn)題的研究。本文主要從空間手爪進(jìn)行目標(biāo)抓握的過(guò)程中的碰撞過(guò)程進(jìn)行分析研究，從控制和抓握策略上使抓握過(guò)程更加柔順，達(dá)到減小接觸碰撞力的目的。

本文首先介紹了HIT自行研制的三手指空間手爪系統(tǒng);基于設(shè)計(jì)的空間手爪對(duì)抓握空間目標(biāo)物體時(shí)的接觸、抓握并鎖緊目標(biāo)的過(guò)程中產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題進(jìn)行分析研究;提出了基于抓握力的模糊自適應(yīng)控制策略，以有效控制抓握過(guò)程中的抓握力，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的柔順抓握，從而削弱由于接觸碰撞而產(chǎn)生的擾動(dòng)力;最后通過(guò)抓握實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的抓握策略和控制器的有效性。

1 接觸碰撞分析

1.1 三手指空間手爪

三手指空間手爪的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，手爪采用三手指結(jié)構(gòu)，單雙相對(duì)布置，指尖采用100°彎鉤形狀，手爪前端對(duì)稱(chēng)中心處設(shè)有長(zhǎng)V形槽，用于對(duì)目標(biāo)器姿態(tài)的調(diào)整。動(dòng)力系統(tǒng)采用直流無(wú)刷電機(jī)加諧波減速器結(jié)構(gòu)，由錐齒輪對(duì)稱(chēng)傳遞動(dòng)力;采用數(shù)字霍爾和磁編碼器作為電機(jī)位置的感知，在手指驅(qū)動(dòng)軸的輸出端安裝有力/力矩傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)手指抓握力的檢測(cè);在V形槽底部布置觸覺(jué)傳感器，用以反饋目標(biāo)物體的抓握狀態(tài);控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括電源、驅(qū)動(dòng)、通訊、控制等電路放置在手爪后部電氣箱內(nèi)。

圖1 三手指空間手爪Fig.1 Three-fingered space robot end-effector

手爪通過(guò)V形槽和手指的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)捕獲接口(安裝在目標(biāo)器上的一種把手，用于實(shí)現(xiàn)手爪對(duì)目標(biāo)器的抓握和定位)的定位，在兩側(cè)分別布置呈對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)的單/雙手指，沿V形槽方向具有一定的寬度，增加了與捕獲接口的接觸面積，提高了抓握的穩(wěn)定性。該手爪具有穩(wěn)定抓握、多感知、高精度、大夾持力、大容錯(cuò)誤差校正能力的特點(diǎn)。

1.2 抓握過(guò)程

三手指空間手爪對(duì)目標(biāo)器的抓握過(guò)程如圖2所示，首先，手爪隨機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)接近目標(biāo)器捕獲接口，當(dāng)捕獲接口進(jìn)入捕獲位置，開(kāi)始抓握過(guò)程。由錐齒輪驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿，手指運(yùn)動(dòng)推動(dòng)捕獲接口依序完成手爪收攏、閉合和鎖緊，將捕獲接口壓入V形槽。V形槽產(chǎn)生4個(gè)約束。手指采用斜楔形結(jié)構(gòu)，插入捕獲接口后部，產(chǎn)生1個(gè)約束。手指兩側(cè)的限位柱結(jié)構(gòu)對(duì)捕獲接口側(cè)面支撐架配合，對(duì)捕獲接口的第6個(gè)自由度粗定位，最后由捕獲接口的小平面和V形槽配合產(chǎn)生第6個(gè)約束。最終將目標(biāo)器鎖緊到手爪的V型槽上，完成整個(gè)抓握過(guò)程。

圖2 空間手爪抓握過(guò)程Fig.2 Grasp progress of space robot end-effector

1.3 碰撞分析

由于機(jī)械臂和目標(biāo)器組成的系統(tǒng)在抓握目標(biāo)的過(guò)程中不受外力和外力矩的作用，則系統(tǒng)總動(dòng)量守恒。當(dāng)自由漂浮機(jī)器人與目標(biāo)器接觸的瞬間，手爪受到?jīng)_擊力Fc的作用，假設(shè)沖擊力作用的時(shí)間無(wú)限小，則該沖擊力對(duì)機(jī)械臂造成的沖量為有限值［8］，即

以研究的自由漂浮空間手爪和六自由度空間目標(biāo)模擬器的接觸碰撞過(guò)程進(jìn)行分析，如圖3所示(下標(biāo)c表示質(zhì)心center的縮寫(xiě))。

由文獻(xiàn)［9］可以得出，沖量Ic在關(guān)節(jié)n處，在x，y，z軸方向的映射分別為Iox，Ioy，Ioz。如圖 1所示，沖量 Ic與 x，y，z軸的夾角分別為 α，β，γ，Oc為手爪質(zhì)心。則碰撞后手爪的角速度為

其中:ωxo，ωyo，ωzo分別為手爪初始角速度在 x，y，z軸的分量;Jx，Jy，Jz分別為手爪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在 x，y，z軸的分量，由碰撞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理得到:

圖3 空間手爪碰撞力分析Fig.3 Collision force analyzing of space robot end-effector

假設(shè)碰撞中沿z軸的運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有變化，則

由式(4)可以看出，由于實(shí)際的各種原因，沖量Ic在末端關(guān)節(jié) n 處，在 x，y，z軸方向的映射 Iox，Ioy，Ioz不可能同時(shí)為0，因此，由于碰撞而產(chǎn)生的沖量Ic對(duì)關(guān)節(jié)造成的擾動(dòng)力是不可避免的。如果不考慮在碰撞過(guò)程中手爪和目標(biāo)器之間的彈性形變，用平均值來(lái)表示碰撞作用力的大小，即

利用增廣逆慣量(Ex－IIT)的概念［10］，自由漂浮空間機(jī)器人手爪的加速度可以表示為

其中:G*為系統(tǒng)增廣逆慣量;C*為只與速度有關(guān)的矩陣。

當(dāng)自由漂浮空間機(jī)器人手爪與目標(biāo)物體接觸碰撞的瞬間，對(duì)機(jī)械臂和目標(biāo)模擬器分別有:其中:下標(biāo)jc表示機(jī)械臂;下標(biāo)obj表示目標(biāo)物體。

由于碰撞前后包括空間目標(biāo)器的整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)量和動(dòng)量矩守恒，由式(9)、式(10)整理得

其中:0≤ei≤1(i=1，…，6);ε 為碰撞恢復(fù)系數(shù)［11］;

E為單位矩陣，則系統(tǒng)沖量可以表示為

2 抓握力的模糊自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

2.1 抓握策略

根據(jù)式(15)分析，由于碰撞而產(chǎn)生的系統(tǒng)擾動(dòng)力的大小不僅取決于機(jī)械臂和目標(biāo)器的相對(duì)位形，以及機(jī)械臂和目標(biāo)器之間的相對(duì)速度，同時(shí)還取決于碰撞過(guò)程的作用時(shí)間Δt。

由式(15)可以得出，在抓握空間目標(biāo)物體的過(guò)程中，要減小目標(biāo)物體對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)的擾動(dòng)力，一方面需要削弱目標(biāo)物體對(duì)機(jī)械臂沖量Ic的大小;另一方面通過(guò)增加碰撞接觸時(shí)間Δt來(lái)減小碰撞擾動(dòng)力Fc。由于碰撞沖量Ic的大小很難控制，這里通過(guò)采用改變碰撞接觸時(shí)間Δt的思想來(lái)改變目標(biāo)器抓握過(guò)程中的碰撞擾動(dòng)力Fc(即采用柔順抓握方式來(lái)增加抓握過(guò)程中接觸碰撞的時(shí)間)。

基于自行研制的三手指空間手爪及六自由度目標(biāo)模擬器，提出了一種基于手指位置和抓握力的柔順抓握策略。當(dāng)手爪沒(méi)有和目標(biāo)器手柄接觸時(shí)(手指處于自由空間)，PD位置控制部分占有主導(dǎo)地位，手指首先進(jìn)行精確的位置跟蹤;隨著手指的進(jìn)一步抓握，與目標(biāo)物體接觸并發(fā)生碰撞，手爪的控制系統(tǒng)根據(jù)力矩傳感器的信息，檢測(cè)與捕獲接口的相互作用力，手指進(jìn)入零力控制過(guò)程;同時(shí)，手爪將依靠手指和V型槽的自身機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)目標(biāo)器的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整和校正，零力控制過(guò)程相當(dāng)于增加了碰撞作用的時(shí)間(式(15)中的Δt);然后，手指抓握力逐漸增加，手指的控制方式轉(zhuǎn)為以抓握力為主的柔順控制方式。手指的控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示，在控制器中引入模糊控制規(guī)則，來(lái)調(diào)整位置和基于抓握力的柔順控制的份額ξ，實(shí)現(xiàn)位置控制和柔順阻抗控制的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

圖4 手指抓握運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The frame of fingers’grasp motion controller

2.2 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，滑?？刂凭哂袕?qiáng)魯棒性、能夠抵御外部的干擾和參數(shù)攝動(dòng)等不確定性因素的影響，但滑?？刂拼嬖谠鲆孢^(guò)大和抖振的缺點(diǎn)。為了能夠利用滑?？刂频膹?qiáng)魯棒性和抗不確定性因素影響的優(yōu)點(diǎn)，使用在滑模變結(jié)構(gòu)控制時(shí)引入模糊規(guī)則［12－13］以克服滑?？刂埔鸬亩墩瘳F(xiàn)象，根據(jù)系統(tǒng)的輸出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)滑?？刂频妮敵?。

根據(jù)上述分析，系統(tǒng)的控制律由兩部分組成，即

其中:τM為電機(jī)的輸入控制量;τFC為前饋補(bǔ)償量，包括兩部分，確定性擾動(dòng)力的前饋補(bǔ)償量和摩擦力線(xiàn)性部分的前饋補(bǔ)償量，可以通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型或離線(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到;τFS為模糊滑?？刂破鬏敵鲅a(bǔ)償量，包括未知擾動(dòng)、摩擦非線(xiàn)性部分、手指的抓握力等不確定量，很難通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型或者離線(xiàn)實(shí)驗(yàn)去確定他的大小，引入模糊控制規(guī)則對(duì)其不確定部分進(jìn)行補(bǔ)償。

在實(shí)際系統(tǒng)中，要測(cè)量系統(tǒng)所有的狀態(tài)變量是非常困難的。設(shè)計(jì)時(shí)，選取系統(tǒng)最主要的兩個(gè)狀態(tài)變量來(lái)設(shè)計(jì)切換面［14－15］，即抓握力與期望力的誤差eτ和誤差的變化率，切換面方程為

圖5 錄屬度函數(shù)Fig.5 Membership function

模糊控制的等效控制律

根據(jù)這個(gè)等效控制律，閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)漸近穩(wěn)定。由于λ嚴(yán)格正定，S(t)及其差分量(t)將漸近于0。根據(jù)式(7)、式(8)對(duì)滑模面變量S(t)及其差分(t)的定義，系統(tǒng)的抓握力的誤差eτ和誤差變化率也將逐步趨近于0。對(duì)二維模糊控制系統(tǒng)，當(dāng)誤差較大時(shí)控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，這時(shí)對(duì)誤差在控制系統(tǒng)中的加權(quán)應(yīng)該大些;相反，當(dāng)誤差較小時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，為此必須盡快減小超調(diào)，這就要求控制規(guī)則中對(duì)誤差變化加權(quán)大些。根據(jù)上述原則得到表1所示的模糊控制規(guī)則。

采用瑪達(dá)尼(Mamdani)推理法處理模糊推理規(guī)則，可得到模糊變結(jié)構(gòu)部分所得到的控制輸入量。則電機(jī)的輸入控制量τM值可表示為

其中:τFC為前饋補(bǔ)償量;ξ為模糊控制器輸出;KP，KD分別為位置控制的位置和速度反饋的比例和微分增益系數(shù);eP，分別為位置誤差和位置誤差的變化率;KτP，KτD分別為柔順控制的抓握力反饋的比例和微分增益系數(shù)，eτ，分別為抓握力和期望力的誤差及誤差變化率。

表1 控制規(guī)則表Table 1 Rules of fuzzy sliding mode control

3 抓握試驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖6所示，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人所自行研制的空間衛(wèi)星在軌自維護(hù)機(jī)械臂、捕獲接口、六自由度空間目標(biāo)模擬器、JR3六維力/力矩傳感器、中央控制器、空間環(huán)境微重力試驗(yàn)臺(tái)，以及各子系統(tǒng)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制和傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.6 The composition of experiment system

基于PC的中央控制器用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂笛卡爾層軌跡規(guī)劃(250ms時(shí)間間隔的期望位置，速度，加速度信息)，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，傳感器數(shù)據(jù)信息分析運(yùn)算，故障診斷，通訊等功能［16］。模塊化的關(guān)節(jié)及手爪的電氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)及手爪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、傳感器信息采集、CAN總線(xiàn)通訊、關(guān)節(jié)層運(yùn)動(dòng)規(guī)劃(2ms時(shí)間間隔的期望位置，速度，加速度信息)等。JR3六維力/力矩傳感器(14位分辨率，線(xiàn)性度小于1%)安裝在機(jī)械臂的腕部，用以測(cè)量在捕獲目標(biāo)器的過(guò)程中，手爪和目標(biāo)器之間的碰撞產(chǎn)生的擾動(dòng)力和擾動(dòng)力矩。為了模擬空間微重力的空間環(huán)境，本實(shí)驗(yàn)使用空間在軌自維護(hù)機(jī)械臂攜帶三手指空間手爪，在微重力試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)六自由度空間目標(biāo)模擬器進(jìn)行抓握實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

3.2 抓握試驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證上述抓握策略和控制器的有效性，這里采用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析:1)使用設(shè)計(jì)的控制器和抓握策略驅(qū)動(dòng)手指對(duì)目標(biāo)器負(fù)載進(jìn)行抓握實(shí)驗(yàn)，比較手指位置跟蹤和抓握力的變化過(guò)程，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制器的性能;2)為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制器和抓握策略的有效性，采用PD位置控制器直接抓握和采用設(shè)計(jì)的控制器和抓握策略驅(qū)動(dòng)手指對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行柔順抓握，對(duì)比抓握過(guò)程中產(chǎn)生的擾動(dòng)力大小，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的抓握策略和控制器的有效性。

3.2.1 控制器性能驗(yàn)證

使用設(shè)計(jì)的控制器和抓握策略驅(qū)動(dòng)手指對(duì)目標(biāo)器負(fù)載進(jìn)行抓握實(shí)驗(yàn)，手指的抓握力和運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。

圖7 手指抓握力與位置跟蹤曲線(xiàn)Fig.7 The curves of fingers’grasp force and position tracking

由圖7可以看出，手指在自由空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指和捕獲接口沒(méi)有發(fā)生接觸碰撞，控制器的位置PD控制部分占據(jù)主導(dǎo)地位，手指沿著期望位置軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng);當(dāng)手指與目標(biāo)物體接觸碰撞發(fā)生時(shí)，手指進(jìn)入約束空間，手指首先進(jìn)入零力控制階段，依靠手指和V型槽對(duì)目標(biāo)器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，之后，抓握力控制部分逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，抓握力緩慢增加到58N左右并達(dá)到穩(wěn)定，手指根據(jù)抓握力的緩慢變化，進(jìn)行柔順抓握，最終手指到達(dá)期望位置，鎖緊目標(biāo)器的捕獲接口。

設(shè)計(jì)的控制器，手指在自由空間內(nèi)，位置跟蹤精度較高，當(dāng)進(jìn)入約束空間，手指以抓握力為主導(dǎo)，使抓握力得到了較好的控制，電機(jī)的輸出力矩隨著抓握力和期望位置的改變而緩慢變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)物體的柔順抓握。

3.2.2 抓握實(shí)驗(yàn)對(duì)比

1)傳統(tǒng)抓握方式:采用經(jīng)典PD位置控制進(jìn)行抓握

機(jī)械臂在中央控制器的控制下，將手爪帶到捕獲區(qū)后，手爪以PD位置控制方式驅(qū)動(dòng)手指對(duì)目標(biāo)器進(jìn)行直接抓握，手指收攏直至鎖緊目標(biāo)器捕獲接口。手指的運(yùn)動(dòng)軌跡及擾動(dòng)力曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 手指PD位置控制直接抓握過(guò)程腕部受力曲線(xiàn)Fig.8 The curves of disturbance force on PD position control

由圖8所示的試驗(yàn)受力曲線(xiàn)可知，手爪和目標(biāo)器在碰撞前的速度是相對(duì)靜止的，當(dāng)手指以較高速度到達(dá)與目標(biāo)器的接觸點(diǎn)時(shí)，即產(chǎn)生強(qiáng)烈的接觸碰撞，使得目標(biāo)器以較高的速度運(yùn)動(dòng)到手爪的V型槽上，進(jìn)而產(chǎn)生第二次接觸碰撞，手指在控制器的驅(qū)動(dòng)下，繼續(xù)閉合，直至將目標(biāo)器的捕獲手柄鎖緊在V型槽上。由圖可以得出，擾動(dòng)力在x軸方向的分量為－120～50N;在y軸方向的分量為－285～20N;在z軸方向?yàn)椋?5～5N。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，這種方式手指的運(yùn)動(dòng)速度較高，但是由碰撞產(chǎn)生的擾動(dòng)力較大，引起機(jī)械臂的強(qiáng)烈抖動(dòng)，使得機(jī)器人捕獲時(shí)的初始位姿產(chǎn)生較大偏轉(zhuǎn)。

2)采用本文設(shè)計(jì)的抓握策略進(jìn)行抓握

采用設(shè)計(jì)的控制器和抓握策略，對(duì)目標(biāo)器進(jìn)行抓握(目標(biāo)器和手爪的初始位姿保持一致)。手指的運(yùn)動(dòng)軌跡及擾動(dòng)力曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 手爪柔順抓握過(guò)程腕部受力曲線(xiàn)Fig.9 The curves of disturbance force on compliance grasp

在自由空間，手指沒(méi)有接觸捕獲接口，此時(shí)的抓握力近似為0，手指PD位置控制部分占有主導(dǎo)地位;當(dāng)手指接觸到目標(biāo)器手柄，根據(jù)電流，力矩，位置傳感器的信息，控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手指的位置和抓握力。當(dāng)檢測(cè)到碰撞發(fā)生時(shí)，手指進(jìn)入零力控制階段，同時(shí)，手爪通過(guò)手指和V型槽的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)目標(biāo)器的位姿進(jìn)行校正，1s以后，手爪以手指的抓握力和位置作為控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)，進(jìn)入基于抓握力的柔順抓握過(guò)程(阻抗控制)，最終鎖緊目標(biāo)器捕獲接口。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，手指處于自由空間時(shí)，手指以位置PD為主的控制方式使手指收攏，當(dāng)手指與目標(biāo)器捕獲接口發(fā)生碰撞(在調(diào)姿點(diǎn)附近達(dá)到抓握力的控制閾值τD)，產(chǎn)生的碰撞擾動(dòng)力在x，y，z方向的最大值分別為18N，－12N，－2N;隨后手指進(jìn)入約束空間，手指的驅(qū)動(dòng)方式采用基于抓握力的柔順抓握方式繼續(xù)抓握并鎖緊目標(biāo)器捕獲接口，抓握力的大小隨著柔順抓握的進(jìn)行而緩慢增加，直至鎖緊目標(biāo)。由圖可以看出，在整個(gè)抓握過(guò)程中，由于碰撞產(chǎn)生的擾動(dòng)力在x，y，z軸3個(gè)方向上均得到較大改善，最大值達(dá)到18N左右，目標(biāo)器和末端作用力只發(fā)生了較小的碰撞，抓握過(guò)程更加柔順。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了HIT三手指空間手爪的設(shè)計(jì)，對(duì)抓握空間目標(biāo)物體時(shí)的接觸、抓握并鎖緊目標(biāo)的過(guò)程及該過(guò)程中產(chǎn)生的接觸碰撞力進(jìn)行了分析和研究，在此基礎(chǔ)上，提出了一種柔順抓握策略，并設(shè)計(jì)了基于抓握力自適應(yīng)的模糊控制器，使之可以根據(jù)抓握力的變化，在線(xiàn)調(diào)整控制器參數(shù);根據(jù)抓握過(guò)程中不同階段的要求，方便地進(jìn)行控制參數(shù)的局部調(diào)整，以達(dá)到柔順抓握目標(biāo)的目的;采用哈工大機(jī)器人所自行研制的衛(wèi)星在軌自維護(hù)機(jī)械臂、三手指空間手爪以及六自由度空間目標(biāo)模擬器等，在空間微重力試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的控制器和柔順控制策略是有效的。

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(編輯:于智龍)

Fuzzy-based grasp-force-adaptive control for three-fingered space robot end-effector

ZHANG Qing-li1， NI Feng-lei1， ZHU Ying-yuan1， XIE Zong-wu1， LIU Hong1，2
(1.State Key Laborary of Robotics and System，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China;2.Institute of Robotics and Mechatronics，German Aerospace Center，Berlin 82230，German)

When space robot is capturing an object，the disturbance force produced by interactive collisions may induce the robot arm dithering and distortion;moreover，it may also pop-up the target object away from the capture zone，which would lead to the failure of capturing operation.In allusion to this problem，the fuzzy-based grasp-force-adaptive control strategy was proposed to weaken the disturbance force produced by interactive collisions and to minish the dithering to the robot arm.The design of three-fingered space robot end-effector of Harbin Institute of Technology(HIT)was introduced firstly;and the interactive collisions and the grasping progress were analyzed.The compliance control strategy was proposed，and a robust controller of fuzzy-bassed grasp force adaptive impedance control was designed.The control scheme modified control parameters real-time by fuzzy controller so that the stability and the dynamic behavior were improved;sliding mode controller in the control loop enhanced the robustness of the system.Using satellite on orbit self-servicing manipulator designed by HIT，the strategy proposed and the controller designed were validated by some grasp experiments on micro-gravity platform.Experimental results show that the proposed strategy and the controller designed can eliminate the disturbance force effectively.

space robot end-effector;compliance control;collision disturbance;fuzzy adaptive control;grasp strategy

TP 242

A

1007－449X(2011)04－0090－08

2010－10－26

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863計(jì)劃”(2008AA12A213)

張慶利(1982—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)槎鄠鞲衅骺臻g手爪，空間機(jī)器人及控制;

倪風(fēng)雷(1975—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)械臂，柔性關(guān)節(jié)，空間機(jī)器人及控制;

朱映遠(yuǎn)(1977—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)械臂，空間手爪;

謝宗武(1973—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)械臂，靈巧手;

劉 宏(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人靈巧手，假手，空間機(jī)器人技術(shù)。