面向兩臂兩手仿人機(jī)器人的自定義阻抗控制方法

當(dāng)使用帶有機(jī)器人手臂系統(tǒng)的工具時(shí)，抓取物體的剛度在與交互環(huán)境中起著關(guān)鍵作用，從而使任務(wù)得以成功執(zhí)行。然而，在機(jī)器人系統(tǒng)中，由于其魯棒性和控制的簡單性，在機(jī)器人系統(tǒng)中使用欠驅(qū)動(dòng)的手的數(shù)量迅速增加，對(duì)可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)剛度造成了限制。事實(shí)上，由于手和手臂的串聯(lián)耦合，由此產(chǎn)生的剛度是由兩個(gè)元件中最柔順的一個(gè)決定的。

為了解決這一問題，研究者提出了一種新的控制器，該控制器考慮了驅(qū)動(dòng)約束的物體剛度橢球體的有限可達(dá)幾何形狀，并利用了機(jī)器人手臂在重塑最終剛度以達(dá)到所需輪廓方面的貢獻(xiàn)。手指頭的協(xié)調(diào)加強(qiáng)說明了這一不足。所提出的方法通過一個(gè)執(zhí)行釘入孔任務(wù)的手臂系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

相關(guān)研究成果以“An approach to object-level stiffness regulation of hand-arm systems subject to under-actuation constraints”為題于2020年8月27日在《Autonomous Robots》雜志中發(fā)布。

實(shí)驗(yàn)前景

協(xié)作機(jī)器人技術(shù)是一種迅速出現(xiàn)的技術(shù)，因?yàn)樵絹碓蕉嗟男袠I(yè)正在尋求柔性自動(dòng)化系統(tǒng)的競爭力。這些機(jī)器人系統(tǒng)被設(shè)想與其人類同事一起工作，以便以富有成效和靈活的方式執(zhí)行廣泛的任務(wù)，這通常涉及操作和交互。因此，它們必須包含：能夠執(zhí)行操作的機(jī)器人末端執(zhí)行器（例如：機(jī)器人手、夾持器、吸盤）和在任務(wù)工作區(qū)驅(qū)動(dòng)這種末端執(zhí)行器的機(jī)器人手臂。

然而，用于手臂系統(tǒng)的阻抗控制器卻鮮有研究。有人提出了一種面向兩臂兩手仿人機(jī)器人的自定義阻抗控制方法。該方法是針對(duì)一個(gè)完全可控的身體-手-手臂系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，忽略了手指的滾動(dòng)效應(yīng)。開發(fā)阻抗控制器，主要由手臂驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的依從性，并使用機(jī)器手提供對(duì)象的牢固把握。在這些系統(tǒng)中使用的手的高自由度（自由度）的完全可控性允許執(zhí)行精細(xì)的操作任務(wù)。然而，這不僅意味著設(shè)計(jì)及其相關(guān)成本的復(fù)雜性不斷增加，而且從控制的角度來看也是如此。這種高度的復(fù)雜性是將這些系統(tǒng)部署到實(shí)際的工業(yè)和人-機(jī)器人交互環(huán)境中的問題的根本原因。

為了克服這一障礙，正在開發(fā)機(jī)器軟手和欠驅(qū)動(dòng)手嵌入結(jié)構(gòu)柔順性，可以在減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量的同時(shí)處理簡單的抓取任務(wù)和安全需求。從控制的角度來看，被稱為姿勢手協(xié)同效應(yīng)的協(xié)調(diào)動(dòng)作被認(rèn)為是解決控制冗余問題的一種方法。然而，這些動(dòng)作不足的機(jī)器軟手主要被用來完成物體周圍的完全閉合。

然而，精細(xì)的操作任務(wù)可能需要更復(fù)雜的掌握。例如，在有作品中研究了執(zhí)行任務(wù)所需的手握柔順性和運(yùn)動(dòng)學(xué)。實(shí)際上，在使用工具執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)，必須正確地選擇抓取點(diǎn)和阻抗以獲得所需的交互。

實(shí)驗(yàn)想法

提出了一個(gè)控制器來調(diào)節(jié)操作任務(wù)的剛度，該控制器使用指尖抓取器和手臂系統(tǒng)，并在手的水平上遵循欠驅(qū)動(dòng)原理。為了說明一個(gè)可能的應(yīng)用場景，使用了和配置相關(guān)剛度（CDS）欠驅(qū)動(dòng)原理的情況。假定抓取剛度的橢球表示，這樣的橢球體是由主軸的方向（橢球體的幾何學(xué)）和它的整體體積來定義的。在此框架下，共模剛度（CMS）提供了手指關(guān)節(jié)的協(xié)同強(qiáng)化，即只需一個(gè)參數(shù)就可以修改所有關(guān)節(jié)，從而導(dǎo)致橢球體體積的增加或者減少。通過改變手指的姿勢，軸向可以以一種更節(jié)能的方式改變。

在以前的工作中，研究者開發(fā)了兩種不同的方法，在使用CMS/CDS生物啟發(fā)概念的同時(shí)，提供了很大的可操作范圍。CMS原則的實(shí)現(xiàn)限制了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作任務(wù)所需的控制輸入的數(shù)量，將控制引用簡化為2×n參數(shù)只適用于n+1，在哪里n是手的自由度數(shù)。然而，這種欠驅(qū)動(dòng)原理導(dǎo)致在保持抓取點(diǎn)的同時(shí)，手可到達(dá)的剛度幾何圖形的范圍有限，有可能限制手臂系統(tǒng)的整體行為。

因此，針對(duì)手的局限性，該控制器首先找到合適的抓取姿態(tài)，以滿足特定任務(wù)的對(duì)象級(jí)剛度方面的交互要求。然后使用ARM笛卡兒阻抗控制器來定位執(zhí)行任務(wù)所需的對(duì)象。此外，所述臂的阻抗控制器用于根據(jù)任務(wù)所需調(diào)節(jié)所獲得的手剛度。因此，本工作的主要貢獻(xiàn)可以概括為：制定一種控制策略，以調(diào)整驅(qū)動(dòng)原則約束的手臂系統(tǒng)的剛度，以及在抓取剛度控制中的適應(yīng)性。一個(gè)新的場景，一個(gè)移動(dòng)的機(jī)器手連接在一個(gè)機(jī)器人手臂上。

分別給出了所研究的欠驅(qū)動(dòng)情況下的被研究的手臂剛度問題和方法，得出主要結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)經(jīng)過

在手臂系統(tǒng)中，這兩種元件都有助于完成任務(wù)所需的整體剛度。此外，在與環(huán)境互動(dòng)時(shí)，需要對(duì)工具進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩ㄎ?。因此，將抓取剛度參?shù)定義在對(duì)象/工具框架層次上比在世界框架中更為合適。

對(duì)于仿真和實(shí)驗(yàn)，扭矩控制在自由度為7的機(jī)器人手臂，使用。這只手用一個(gè)定制的法蘭連接到機(jī)器人手臂的末端。

這個(gè)模型是需要的，以找到手的配置，在所期望的方向上給出最高的剛度在目標(biāo)水平，并建立一個(gè)穩(wěn)定的軌道朝它。使用該軟件，手臂也可以建模為一個(gè)手指的手，實(shí)際的手基礎(chǔ)位置可以定義從手臂末端-效應(yīng)器之一。請(qǐng)注意，一個(gè)額外的固定連接是建立在手臂上，以說明法蘭連接臂與手。

在這項(xiàng)工作中，ARM被認(rèn)為是完全可控的，是指導(dǎo)任務(wù)執(zhí)行的一種。因此，在給定手的欠驅(qū)動(dòng)約束和期望的基于任務(wù)的剛度的情況下，該方法首先嘗試找到通過任務(wù)在所需方向上最大限度地提高剛度的手配置。接下來，臂被配置成在任務(wù)所需的方向上定位對(duì)象和由此產(chǎn)生的剛度幾何學(xué)，從而要求做出嚴(yán)格的響應(yīng)。最后，手臂直角剛度控制器調(diào)整所產(chǎn)生的抓取剛度（在物體坐標(biāo)中）向預(yù)定的，期望的輪廓。

結(jié)論

經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要正確調(diào)整機(jī)器手和機(jī)器手臂兩種元件的剛度，才能實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)執(zhí)行，即驅(qū)動(dòng)孔內(nèi)釘。當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)沒有適當(dāng)調(diào)整時(shí)，手臂系統(tǒng)無法執(zhí)行任務(wù)。通過適當(dāng)調(diào)整每個(gè)欠驅(qū)動(dòng)情況下產(chǎn)生的限制，該方法可推廣到任何具有完全可控臂和欠驅(qū)動(dòng)手的系統(tǒng)。

給定任務(wù)的所需剛度被描述為一組方向，用于最大限度地提高剛度或滿足要求。通過多個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，證明了采用該方法可以實(shí)現(xiàn)手臂系統(tǒng)剛度的正確調(diào)整，從而成功地完成一項(xiàng)任務(wù)。
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