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多指灵巧手控制系统及阻抗控制策略研究

【摘要】:多指灵巧手是仿人机器人的关键系统之一,其灵巧操作性,抓取稳定性和可控制性决定了机器人进行类人灵巧操作任务的能力,极大的影响了机器人的智能化水平。因此多指灵巧手控制系统设计和控制策略研究不仅是仿人机器人领域的热点,更越来越成为机器人拟人化研究所面临的紧迫任务。本文结合国家“863”计划的主题项目“新一代五指仿人灵巧手的结构设计及抓取操作的研究”进行了多指灵巧手控制系统的设计,并着重于灵巧手柔顺性控制策略进行了深入研究。 本文首先针对多指仿人灵巧手HIT/DLR II的特点,提出了面向灵巧操作任务的机器人灵巧手控制软件平台。该平台由Simulink-QNX实时控制层,分布式通信模块和机器人虚拟模型构成,提供了分布式实时控制计算,面向控制器设计和集成的友好环境,并无缝连接实时环境和非实时环境。由于HIT/DLR II灵巧手具有内置式设计,多自由度和多传感器的特点,本文进行了分层式的控制系统研制,将灵巧手控制系统分为驱动控制层,嵌入式控制层和实时控制层并分别进行设计。同时采用高速实时通信系统将各层有机结合,形成高集成度和高效率的硬件控制系统。灵巧手软件控制平台和分层式控制系统所形成的集中-分层式控制系统具有灵活度高,开放性和模块化,并且稳定高效的特点,为灵巧手控制,以及与各种仿人机器人的臂-手-视觉联合操作奠定了软/硬件基础。 针对内置式多指仿人灵巧手HIT/DLR II高集成度设计,柔性传动系统以及耦合关节的结构特点,本文提出了提出了具有自适应摩擦力补偿的关节力矩放反馈机器人灵巧手阻抗控制策略。首先建立了具有柔性关节和耦合关节的机器人灵巧手动力学模型,并对具有关节力矩反馈的机器人灵巧手进行了关节空间和笛卡尔空间阻抗控制的研究。由于灵巧手通常进行小范围的精细操作,因此手指关节摩擦力极大的影响了灵巧手阻抗控制器的控制性能。而且由于手指关节的特殊设计以及不同手指和关节的差异性,关节摩擦力模型和参数很难通过摩擦力辨识进行确定,因此本文提出了基于扩展卡尔曼滤波器的摩擦力观测器,实现了对摩擦力的自适应观测和补偿,并由此提出机器人灵巧手的自适应阻抗控制策略。对于具有摩擦力补偿的连续时间阻抗控制闭环系统,本文进行了稳定性分析并证明了系统的输入-状态稳定性,为灵巧手关节摩擦力观测器设计提供了重要的理论依据。阻抗控制及摩擦力观测实验结果验证了本文所提出的灵巧手自适应摩擦力补偿和阻抗控制策略的有效性。 机器人多指灵巧手完成抓取操作任务需要多个手指的协调控制,为此本文基于空间虚拟弹簧结构建立了多指灵巧手物体空间6自由度协调阻抗控制策略,并进行了阻尼项设计以改善动态性能。针对模块化设计并可自由组成n(n≥3)个手指的多指灵巧手,本文首先建立了基于n(n≥3)个手指指尖笛卡尔坐标位置的物体空间坐标系。在此基础之上,基于物体空间虚拟平移,旋转弹簧建立了物体空间6自由度协调阻抗控制策略,并基于虚拟物体的概念,利用物体空间坐标系和各手指指尖笛卡尔坐标位置建立了空间虚拟连接弹簧,从而在控制被抓取物体空间6维位置和姿态的同时,控制抓取内力并实现柔顺性抓取。通过建立物体空间和关节空间的映射关系,将虚拟弹簧驱动力映射至关节空间以实现多指空间协调控制,并基于该映射变换建立了物体空间坐标系中的空间协调阻抗控制的阻尼项,从而获得了更好的阻抗控制动态性能。多指灵巧手空间6自由度协调阻抗控制策略直接控制被抓取物体的目标期望位置和姿态,因此更容易定义和控制被抓取物体与环境之间的接触力和抓取内力,继而控制其柔顺性,并且多机器人/被抓取物体系统的整体惯量在物体层的协调控制策略中更容易补偿。物体空间协调阻抗控制策略给上层运动规划提供了一个简单直观的控制接口,极大的方便了机器人任务的定义和规划。另外,基于空间连接弹簧能量场,本文还建立了多指灵巧手自我碰撞保护控制策略,并通过相对方向坐标到关节空间的映射关系设计了自我碰撞保护的阻尼项。最后本文进行了3,4和5指灵巧手的空间协调阻抗控制实验,以及自我碰撞保护控制实验。实验结果验证了多指协调控制策略和自我碰撞保护控制策略的有效性。

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