一种用于机械手抓取任务的触觉伺服控制方法技术

本发明专利技术涉及一种用于机械手抓取任务的触觉伺服控制方法，属于分为(1)抓取策略规划阶段，首先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，然后利用采集的数据训练卷积神经网络获得单次抓取过程中每个手指的触觉特征，接着利用采集的近指关节转动角度修正上述各触觉特征，根据各修正后的触觉特征并设定的各手指的驱动电机电压和期望接触力，设计相应的控制器；和(2)抓取控制阶段，在机械手抓取目标物体过程中，根据各手指实时的触觉特征自动切换到不同的控制器中，实现机械手抓取任务的触觉伺服控制。本发明专利技术有利于机械手完成更加精细的操作和复杂的任务，填补了触觉伺服技术在机械手操作控制应用领域的空白。

A tactile servo control method for manipulator grasping task

【技术实现步骤摘要】
一种用于机械手抓取任务的触觉伺服控制方法
本专利技术涉及一种用于机械手抓取任务的触觉伺服控制方法，属于机械手触觉感知、触觉伺服和操作控制的

技术介绍
在机械手操作系统中，触觉感知是机械手与外界环境直接接触时的重要感觉功能，是机械手发展的关键技术之一。触觉信息能够提供更加精确的定位信息、物体物理特性信息以及机械手与物体接触状态信息。目前在机械手控制领域中，多利用触觉信息来提取目标物体的形状、大小和刚度等特征加以分类和目标识别，即主要利用触觉信息完成识别功能。但确鲜少利用触觉信息实现检测功能，即缺少触觉反馈，因此机械手对物体抓取过程中是否抓紧、能否抓坏并无法准确评判，对于实际位置与指令位置的误差带来的不必要接触力和力矩也无法明确感知，很难保证机械手抓取任务的安全性和可靠性。综上，为了使机械手操作任务具有更好的智能性、稳定性、灵活性，传统的基于动力学/运动学的机械手控制方法已无法满足需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种用于机械手抓取任务的触觉伺服控制方法。本专利技术基于触觉阵列信息，对机械手抓取操作的接触状态进行有效估计，可为机械手完成精细操作和复杂任务提供理论和系统支撑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于机械手抓取任务的触觉伺服控制方法，所述机械手装载于一机械臂上，在机械手的各指尖处安装有触觉阵列传感器，在机械手各手指的近指关节处分别安装有角度传感器，各手指分别由相应的电机驱动；所述触觉阵列传感器具有以阵列形式分布的M个触点；其特征在于，所述触觉伺服控制方法分为抓取策略规划阶段和抓取控制阶段：(1)抓取策略规划阶段，具体包括以下步骤：(1‑1)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；(1‑2)数据采集及触觉特征识别(1‑2‑1)将机械手按照步骤(1‑1)建立的映射关系进行多次侧向抓取目标物体操作，同时利用机械手上安装的各触觉阵列传感器和角度传感器分别测量机械手在抓取过程...

【技术特征摘要】
1.一种用于机械手抓取任务的触觉伺服控制方法，所述机械手装载于一机械臂上，在机械手的各指尖处安装有触觉阵列传感器，在机械手各手指的近指关节处分别安装有角度传感器，各手指分别由相应的电机驱动；所述触觉阵列传感器具有以阵列形式分布的M个触点；其特征在于，所述触觉伺服控制方法分为抓取策略规划阶段和抓取控制阶段：(1)抓取策略规划阶段，具体包括以下步骤：(1-1)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；(1-2)数据采集及触觉特征识别(1-2-1)将机械手按照步骤(1-1)建立的映射关系进行多次侧向抓取目标物体操作，同时利用机械手上安装的各触觉阵列传感器和角度传感器分别测量机械手在抓取过程中各手指与目标物体之间的接触力和各手指近指关节转动角度，其中，对于第j次抓取任务的单个手指，将触觉阵列传感器的各触点按顺序依次排列，获得该手指在各次抓取任务过程中每个时刻的静态触觉力向量并作为一个触觉数据训练样本，为第j次抓取任务中t时刻第i个触点的压力值，j＝1，2，…，N，N为抓取任务总次数，i＝1，2，…，M，根据各时刻的触觉数据训练样本建立训练样本集(1-2-2)利用触觉数据训练样本集中的样本训练卷积神经网络，获得单次抓取过程中每个手指的触觉特征；所述触觉特征，用于表征机械手与目标物体间的接触状态，包括未接触状态、逐渐接触状态、滑动接触状态、完全接触状态；根据红外测距原理，对各接触状态作如下定义：将所有参与抓取任务的机械手指与目标物体接触平面的法向距离均大于零时的状态，定义为未接触状态；将参与抓取任务的任一机械手指与目标物体接触平面的法向距离等于零时到所有参与操作的机械手指与目标物体接触平面的法向距离都等于零时期间所有时刻的状态，定义为逐渐接触状态；将所有参与抓取任务的机械手指与目标物体接触平面的法向距离等于零时的状态，定义为完全接触状态；将单个机械手指与目标物体接触平面的切向距离变化超过设定的阈值时的状态，定义为滑动接触状态；(1-2-3)根据目标物体的整体轮廓大小设定近指关节转动角度的上限阈值θmax和下限阈值θmin，目标物体整体轮廓越大，下、上限阈值越小，反之，下、上限阈值越大；根据步骤(1-2-1)测量的机械手指近指关节转动角度对步骤(1-2-2)定义的各类接触状态作如下修正：当近指关节转动角度小于等于设定的下限阈值θmin时，不论触觉特征为什么接触状态，都将判定抓取行为为未接触状态；当近指关节转动角度大于设定的下限阈值θmin且小于设定的上限阈值θmax时，抓取行为与触觉特征预测的除未接触状态以外的其他接触状态一致；当近指关节转动角度大于等于设定的上限阈值θmax时，抓取行为为坏抓取，停止判断，将机械手复位到五指完全张开的初始状态；(1-3)根据各手指电机的驱动电压值与期望接触力之间的关系，设定各手指电机的驱动电压值，记为各手指的期望电压值，所述期望接触力为实现稳定抓取目标物体时机械手手指与目标物体之间的接触力大小；根据步骤(1-2-3)修正后的各接触状态分别设定相应的控制器，各控制器的输入为相应手指的期望接触力误差值、输出为相应接触状态下各手指电机的驱动电压值，具体如下：(1-3-1)对于未接触状态，所采用的控制器满足抓取任务对快速性的要求；(1-3-2)对于逐渐接触状态，所采用的控制器满足抓取任务对安全性和柔顺性的要求；(1-3-3)对于完全接触状态，所采用的控制器满足抓取任务对稳定性和抗干扰性的要求；(1-3-4)对于滑动接触状态，所采用的控制器满足抓取任务对稳定性的要求；(2)抓取控制阶段，具体包括以下步骤：根据步骤(1-1)建立的映射关系由待抓取目标物体的形状确定相应的机械手抓取形式根据目标物体的大小向机械手的各驱动电机输入一个初始电压，驱动机械手进行首轮抓取；在机械手抓取目标物体过程中，实时检测触觉阵列传感器信息，并将其输入步骤(1...

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