本发明专利技术公开了一种苹果采摘机器人末端执行器抓取力主动柔顺控制方法，属于采摘机器人控制技术领域，该抓取力控制方法特征在于由苹果采摘机器人末端执行器上配置的力传感器以及编码器采集得到作用于抓取对象上的作用力和以及位置变换量，将采集得到的位移和力作为变遗忘因子的递归最小二乘法辨识器的输入，对阻抗控制器刚度系数进行在线辨识，并且根据二阶阻抗控制器的输出结果实时自动调整适应于不同环境要求的阻抗控制器的刚度参数。该控制方法可以有效降低采摘机器人对苹果的抓取损伤率，并且提高机器人在野外工作的抗干扰能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及苹果采摘机器人控制领域，尤其是关于一种基于变刚度系数阻抗控制的苹果采摘机器人末端执行器抓取力主动柔顺控制方法，属于农业信息化领域。
技术介绍
我国是一个农业大国，实现农业生产的现代化、机械化和自动化是社会发展的必然趋势。果实采摘是农业生产中最耗时耗力的一个环节，具有成本高、季节性强、需要大量劳动力等特点。但由于工业生产的迅速发展，大量农业劳动力缺失以及人口老龄化加剧等原因，使得能够从事农业生产的劳动力越来越少，单靠人工劳动已经不能满足现有的需求。为了解决所存在的问题，农业机器人应运而生，末端执行器作为与果蔬直接接触的部件，在农业机器人研究中占据了重要的地位，现有末端执行器研究中，存在着两个难点：1.末端执行器的设计不具有通用性，现有的末端执行器都是针对一种或一类果蔬进行设计的，并且所采用的被动柔顺方法难于实现对果蔬的无损采摘，阻碍了农业机器人的推广；2.现有的末端执行器抓取控制技术无法实现对果蔬的主动柔顺抓取，末端执行器抓取力过大会损伤果蔬，较小的抓取力会导致在抓取过程中出现果蔬跌落，从而也导致果蔬的损伤，这也阻碍了农业机器人的商业推广。所以专利技术一种主动柔顺抓取控制机制，使其能对抓取作用力进行感知，适应和控制，对实现末端执行器对果蔬的柔顺抓取采摘尤为重要。
技术实现思路
本方案为解决现有苹果采摘机器人末端执行器抓取力控制技术的不足，无法实现柔顺抓取控制的缺陷，提出一种双闭环的机器人末端执行器抓取力主动柔顺控制方法，其中位置内环使用增量式PID控制，力外环使用变刚度系数的阻抗控制，这种控制方法能够兼顾抓取力与末端执行器的位移变换，并且对于农业机器人的野外工作环境也具有一定的适应性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤1采用力传感器得到末端执行器作用在苹果上的抓取力f，采用位置编码器和机器人运动学方程得到位移量△x；利用力传感器和位置编码器对f、△x进行采样，采样次数为N，且N>3；步骤2根据检测得到的抓取力和位移量数据，利用辨识器对等效刚度系数keq进行在线辨识，其中，在辨识器中引入变遗忘因子的递归最小二乘法对等效刚度系数进行辨识，将变遗忘因子设为关于测量值与计算值误差的函数，使遗忘因子能随着抓取力误差的变换而自动调整；将末端执行器与苹果发生碰撞时的动力学模型简化为一阶导纳模型：y＝keq·△x；其中，y为力传感器检测的抓取力，△x为位置编码器测量的位移变换量，keq为所求取的等效刚度系数；步骤3通过等效刚度公式得到阻抗控制刚度参数，利用辨识得到的等效刚度系数keq对阻抗控制器刚度系数进行调整，所述的阻抗控制器为：fe-fr=mt(x··-x··r)+bt(x·-x·r)+kt(x-xr);]]>其中，mt,bt,kt分别是阻抗控制器的惯性系数，阻尼系数和刚度系数，xr是设定的加速度，速度和位移，x是实际的加速度，速度和位移；fe,fr是实际的抓取力和给定的抓取力；步骤4将阻抗控制器输出的位置量与给定的位置信号进行叠加得到位置控制器的输入信号，通过位置控制器输出驱动电机的电压信号；位置控制器为增量式PID控制器：u(t)=u(t-1)+kp*[(e(t)-e(t-1))+TT1e(k)+TDT(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))]]]>其中，u(t)，u(t-1)分别表示第t，t-1次采样时刻位置控制器的输出，e(t)，e(t-1)，e(t-2)分别是第t，t-1，t-2次采样时刻的偏差值，kp为比例控制增益，T、TD、T1分别是PID控制器采样时间，微分时间，积分时间；步骤5将位置控制器输出的电压信号转变为力矩电机的驱动信号，用于控制电机的工作，执行抓取任务。进一步，所述步骤1中，力传感器为FSR402力敏电阻型力传感器；位置编码器型号为TRD-NA1024NW。进一步，所述步骤2中，在迭代辨识过程中，当测量值与给定抓取力之间的误差小于10％时，系统进入稳定状态，迭代结束。进一步，所述步骤2～3中辨识器的具体辨识过程为：测得一组(xt,yt)时，由下式得到等效刚度系数keq的初值，式中xt,yt分别代表第t次末端执行器的位移以及抓取力的大小；keq,t=(xtTxt)-1xtTyt,(t=1,2...)]]>然后由递归最小二乘法求取等效刚度系数keq的迭代公式如下：Pt+1＝Pt/(Ct+xt+1Ptxt+1)；θt+1＝pt+1xt+1；keq,t+1＝keq,t+θt+1(yt+1-xt+1θt)(t＝0,1,2…)其中:Pt是协方差矩阵，keq,t是等效刚度，当t＝0时，P0和keq,0分别代表初始协方差矩阵和初始等效刚度，取P0＝0,keq,0＝1。Ct为遗忘因子，Ct的选取是非常重要的，因为不恰当的值会导致协方差矩阵Pt变得不精确；在时变系统中，建立一个关于误差et的函数用来求取Ct通常被认为是一个非常合理有效的方式；和普通的递归最小二乘法结构一样，将遗忘因子设置成为一个关于误差的函数；Ct＝1-a1[arctan(a2(|et|-a3))/π+1/2]其中，et＝yt-Keq,txt；a1,a2,a3经过多次试验分别设为0.4、0.5、1；根据等效刚度系数定义：ktke分别代表阻抗控制器刚度系数和环境刚度系数；则可以得到阻抗控制器刚度系数：最后的控制器可以设计成：本专利技术由于采用以上技术方案，具有以下优点：1.本专利技术通过阻抗控制，能够实现抓取力与抓取位置之间的动态平衡，从而实现苹果采摘机器人抓取的主动柔顺控制。2.考虑到操作环境的特殊性，利用递归最小二乘法对阻抗控制参数进行实时调整，能够更好地实现对抓取力的跟随，有效地降低苹果抓取受损率。附图说明图(1)是本系统控制方法框图；图(2)是本专利技术所依据苹果采摘机器人末端执行器的示意图。具体实施方式一种基于阻抗控制的苹果采摘机器人抓取力主动柔顺控制方法，包括如下步骤：1)利用FSR402力敏电阻型力传感器200测量得到末端执行器抓取力f，利用TRD-NA1024NW位置编码器190的信息得到末端执行器的位移变换量△x，将得到抓取力和位移信号输入到在线辨识器识别环境与控制器的等效刚度系数keq，并通过所建立的二阶阻抗一阶导纳模型y＝keq·△x，求出阻抗控制器中的刚度系数。2)利用力传感器200和位置编码器210对末端执行器的抓取力fr和位移变量△x，在一个采样周期内，进行N次采样，且N>3，取N次数据测得的平均值作为一个采样周期得到最终数据输入到在线辨识器中，再根据等效抓取模型，采用变遗忘因子的递归最小二乘法计算得到等效刚度系数的在线估计值。当实际抓取力与给定抓取力之间的误差小于10％时，迭代结束，系统进入稳定工作状态。3)利用等效刚度系数keq对阻抗控制器120中的刚度系数123进行调节。所述的阻抗控制器120为：fe-fr=mt(x··-x··r)+bt(x·-x·r)+kt(x-xr)]]>其中，mt,bt,kt分别是阻抗控本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种苹果采摘机器人末端执行器抓取力主动柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1采用力传感器得到末端执行器作用在苹果上的抓取力f，采用位置编码器和机器人运动学方程得到位移量△x；利用力传感器和位置编码器对f、△x进行采样，采样次数为N，且N>3；步骤2根据检测得到的抓取力和位移量数据，利用辨识器对等效刚度系数keq进行在线辨识，其中，在辨识器中引入变遗忘因子的递归最小二乘法对等效刚度系数进行辨识，将变遗忘因子设为关于测量值与计算值误差的函数，使遗忘因子能随着抓取力误差的变换而自动调整；将末端执行器与苹果发生碰撞时的动力学模型简化为一阶导纳模型：y＝keq·△x；其中，y为力传感器检测的抓取力，△x为位置编码器测量的位移变换量，keq为所求取的等效刚度系数；步骤3通过等效刚度公式得到阻抗控制刚度参数，利用辨识得到的等效刚度系数keq对阻抗控制器刚度系数进行调整，所述的阻抗控制器为：其中，mt,bt,kt分别是阻抗控制器的惯性系数，阻尼系数和刚度系数，是设定的加速度，速度和位移，是实际的加速度，速度和位移；fe,fr是实际的抓取力和给定的抓取力；步骤4将阻抗控制器输出的位置量与给定的位置信号进行叠加得到位置控制器的输入信号，通过位置控制器输出驱动电机的电压信号；位置控制器为增量式PID控制器：u(t)=u(t-1)+kp*[(e(t)-e(t-1))+TTe(k)+TDT(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))]]]>其中，u(t)，u(t‑1)分别表示第t，t‑1次采样时刻位置控制器的输出，e(t)，e(t‑1)，e(t‑2)分别是第t，t‑1，t‑2次采样时刻的偏差值，kp为比例控制增益，T、TD、T1分别是PID控制器采样时间，微分时间，积分时间；步骤5将位置控制器输出的电压信号转变为力矩电机的驱动信号，用于控制电机的工作，执行抓取任务。...
【技术特征摘要】
1.一种苹果采摘机器人末端执行器抓取力主动柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1采用力传感器得到末端执行器作用在苹果上的抓取力f，采用位置编码器和机器人运动学方程得到位移量△x；利用力传感器和位置编码器对f、△x进行采样，采样次数为N，且N>3；步骤2根据检测得到的抓取力和位移量数据，利用辨识器对等效刚度系数keq进行在线辨识，其中，在辨识器中引入变遗忘因子的递归最小二乘法对等效刚度系数进行辨识，将变遗忘因子设为关于测量值与计算值误差的函数，使遗忘因子能随着抓取力误差的变换而自动调整；将末端执行器与苹果发生碰撞时的动力学模型简化为一阶导纳模型：y＝keq·△x；其中，y为力传感器检测的抓取力，△x为位置编码器测量的位移变换量，keq为所求取的等效刚度系数；步骤3通过等效刚度公式得到阻抗控制刚度参数，利用辨识得到的等效刚度系数keq对阻抗控制器刚度系数进行调整，所述的阻抗控制器为：其中，mt,bt,kt分别是阻抗控制器的惯性系数，阻尼系数和刚度系数，是设定的加速度，速度和位移，是实际的加速度，速度和位移；fe,fr是实际的抓取力和给定的抓取力；步骤4将阻抗控制器输出的位置量与给定的位置信号进行叠加得到位置控制器的输入信号，通过位置控制器输出驱动电机的电压信号；位置控制器为增量式PID控制器：u(t)=u(t-1)+kp*[(e(t)-e(t-1))+TTe(k)+TDT(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))]]]>其中，u(t)，u(t-1)分别表示第t，t-1次采样时刻位置控制器的输出，e(t)，e(t-1)，e(t-2)分别是第t，t-1，t-2次采样时刻的偏差值，kp为比例控制增益，T、TD、T1分别是PID控制器采样时间，微分时间，积分时间；步骤5将位置控制器输出的电压信号转变为力矩电机的驱动信号，用于控制电机的工作，执行抓取...
【专利技术属性】
技术研发人员：姬伟，唐伟，许波，钱志杰，孟祥利，赵德安，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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