一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法技术

本发明专利技术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。

An adaptive control method for grasping operation of two finger manipulator

【技术实现步骤摘要】
一种用于二指机械手抓取操作的自适应控制方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术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Fmin/Fmax；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dmin/dmax，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dmax、最小驱动力Fmin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Fmin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dmin，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Fmax，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％。本专利技术特点及有益效果：本专利技术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，本专利技术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，由于本专利技术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为本专利技术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专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。为了更好地理解本专利技术，以下详细阐述一个本专利技术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。本专利技术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(本实施例中采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n1)参数设定/n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

【技术特征摘要】
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/最大驱动力为Fmin/Fmax；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dmin/dmax，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dmax、最小驱动力Fmin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Fmin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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙富春，陈洋，方斌，杨东超，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11