【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人，特别涉及用于多指灵巧手基于刚性图论的精确操纵控制的方法。该方法旨在提高机器人手抓取操纵的准确性和稳定性，使其操纵脆弱物体时防止物体损坏，同时避免手指关节陷入奇异位形，实现更高效、安全的性能。
技术介绍
1、在多指灵巧手操纵技术的发展过程中，实现高效且精准的抓取操纵控制一直是研究的重点。特别是在要求灵巧手模拟人手进行精细操作的场景下，如何确保抓取稳定性和操作安全性，成为技术发展的关键挑战。现有的技术在抓取力规划和控制策略方面，往往无法有效保证手指在执行抓取任务时保持其初始构型，即手指指尖在物体上的初始抓取点位置，从而容易导致抓取对象的滑落或错位，尤其是在处理光滑或易变形的物体时。
2、如授权公开号为cn117428786a的中国专利提供一种基于二次型规划的多指灵巧手抓取力最优化控制方法。该专利技术主要关注于多指灵巧手的抓取力优化问题，将抓取力建立为最优化控制的二次型规划方案，再转化为非线性方程组的形式，最后使用基于神经动力学的抗扰动最优抓取力求解器进行求解。达到多指灵巧手操纵物体，能够实现抵抗外部扰动的同时最小化操纵力，以免损坏物体。然而该专利技术并未考虑如何保持手指在物体上接触点的初始构型以及如何在操纵的过程中避免手指陷入奇异构型的问题。
3、为了解决上述问题，本方案提出了一种创新方法，即通过将刚性图论应用于灵巧手的指尖抓取力规划中，优化抓取力的分配，以确保在整个抓取过程中手指能够保持初始构型，极大地降低了滑落的风险。此外，本方案还通过构造优化问题来调节抓取内力，有效实现了施加力的最
4、与此同时，针对现有技术中灵巧手容易因手指关节的不当位置而陷入奇异位置的问题，本方案进一步创新地在雅可比矩阵的零空间内设计了一种控制算法。这种方法不仅防止了手指关节的奇异位置现象，还避免了因手指关节陷入奇异位置导致的控制失灵和动作不准确的问题，显著提高了灵巧手的操作灵活性和可靠性。
5、综上所述，与现有技术相比，本方案在保持灵巧手抓取稳定性、防止操作失误以及提升抓取效率方面具有显著优势，为灵巧手的抓取力规划及控制技术提供了一种全新的解决思路。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的主要目的是提供一种在刚性约束下的多指灵巧手抓取力规划控制方法，能够有效解决
技术介绍
中的问题：在多手指灵巧手操纵物体时，能够确保手指在与物体互动时接触点能够保持初始构型，同时防止手指关节陷入奇异位置，提高操纵过程的准确性和稳定性，如流程图1所示,本专利技术的具体技术方案如下：
2、一种基于刚性图论的多指灵巧手精确操纵控制方法，其框架包括以下具体步骤:
3、s1：建立多指灵巧手精确操纵的耦合动力学模型，综合分析灵巧手的机械结构及各个关节的运动特征。首先，详细研究每根手指的自由度和几何形状，以确定其可能的运动范围和方向。通过理论计算，构建雅可比矩阵，用于描述手指关节空间与笛卡尔空间之间的转换关系。与此同时，构建抓取矩阵，以准确反映手指和物体之间的接触关系，包括接触点的位置、力的分布以及可能的摩擦力。整个过程确保在不同场景下，耦合动力学模型能够准确描述多指灵巧手与物体之间的交互，使灵巧手在操纵物体时具有稳定性和灵活性；
4、s2：规划指尖接触力，在该步骤中加入了刚性约束，使得规划指尖接触力的目标是确保在操纵目标物体时，灵巧手能够稳定地抓取并保持接触点的初始构型；为了实现这一目标，首先要根据期望物体运动计算操纵力，确保其大小和方向与操作需求相符，这可以通过建模、仿真和实验数据采集等方式进行，同时优化操纵力，以确保物体在移动和旋转过程中保持稳定；其次，在刚性约束和摩擦约束下，规划内力以维持接触点的初始构型，通过摩擦分析，计算手指与物体之间的摩擦系数，并根据不同约束条件规划内力的分布和大小，确保手指在操纵过程中保持平衡；最终，这个规划过程确保多指灵巧手能够稳定地抓取和操纵物体，同时保持接触点的准确构型；
5、s3：为了确保多指灵巧手在操纵物体时远离关节奇异位置，应用雅可比矩阵的零空间，零空间是雅可比矩阵中使得输出结果为零的向量空间，通过利用这一特性，可以确保手指在操作过程中避免进入关节的奇异位置，从而提高灵巧手的操作稳定性；为实现这一目标，首先要分析雅可比矩阵，确定其零空间范围；然后，制定操纵策略，确保手指在操纵物体时，运动路径保持在雅可比矩阵的零空间内，这一过程包括调整关节角度和控制手指运动轨迹，以避免关节奇异位置的风险，通过这种方法，多指灵巧手在操作时能够更加平稳、灵活，并降低由于关节奇异位置可能引起的操作问题；
6、s4：采用pd(比例-微分)控制算法来设计控制律，以确保多指灵巧手对目标物体的位置和方位进行精确操纵；首先，定义了目标物体的位置误差和方位误差，作为控制器的输入；随后，设计了pd控制器，其中比例项(p)用于响应位置误差，微分项(d)用于响应方位误差，以此来调节控制量与误差之间的关系；控制律的设计目标是使多指灵巧手能够稳定地保持在目标位置和方位上，考虑到手指的动力学特性和环境条件，在实际应用中，通过实时采集传感器数据监测误差，并根据这些误差实时调节pd控制器的参数，以确保系统能够快速而准确地响应外部变化，通过这一步骤，能够设计出一个能够精确操纵目标物体位置和方位的pd控制器，从而实现多指灵巧手的精确控制；
7、本专利技术进一步的改进在于，所述s1中的具体步骤为：
8、s101：该步骤建立了多手指的动力学模型，其数学表达式如下：
9、
10、其中，m为手指的根数，n为每根手指的关节数，ni表示第i根手指的关节个数，q为关节变量，为关节变量的一阶导数，为关节变量的二阶导数，jh为手的雅可比矩阵，jht为手的雅可比矩阵的转置，m(q)为手的惯性矩阵，为手的科里奥力矩阵，g(q)＝[g1… gm]t为手的重力向量，fc＝[fc1 … fcm]t为手在接触点处施加的接触力向量，为输入关节力矩。
11、s102：该步骤建立了物体运动的动力学方程，其数学表达式如下：
12、其中，其中x＝[pt,ηt]t∈r6表示物体的状态，表示物体状态的一阶导数，表示物体状态的二阶导数，p为物体的位置信息，η为物体的欧拉角方位信息，mo(x)为物体的惯性矩阵，为物体的科里奥力矩阵，go(x)为物体的重力向量，g(x)为抓取矩阵，和接触方式以及接触点在物体上的位置有关，fc为手指施加的接触力；
13、s103：该步骤给出手指五物体间的速度、力、力矩转换关系，即
14、其中为接触点速度，vo为物体的线速度，ωo为物体的角速度，g为抓取矩阵，gt为抓取矩阵的转置，为抓取力螺旋，t为其次变换矩阵；
15、s104：该步骤给出，如图2所示的多手指抓取操纵物体的耦合学方程
16、其中，为状态变量，包括物体位姿以及关节角变量，jh+为雅可比矩阵的伪逆，为惯性矩阵，为科里奥力矩阵，为重力向量，fint本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于刚性图论的多指灵巧手精确操纵控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于刚性图论的多指灵巧手精确操纵控制方法，其特征在于：所述S1中的具体步骤为：
3.根据权利要求2所述的一种基于刚性图论的多指灵巧手精确操纵控制方法，其特征在于：所述S2中的具体步骤为：
4.根据权利要求3所述的一种基于刚性图论的多指灵巧手精确操纵控制方法，其特征在于：所述S3中的具体步骤为：
5.根据权利要求4所述的一种基于刚性图论的多指灵巧手精确操纵控制方法，其特征在于：所述S4中的具体步骤为：
【技术特征摘要】
1.一种基于刚性图论的多指灵巧手精确操纵控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于刚性图论的多指灵巧手精确操纵控制方法，其特征在于：所述s1中的具体步骤为：
3.根据权利要求2所述的一种基于刚性图论的多指灵巧手精确操纵控制方法...
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