一种机械手抓取、操纵物体的控制方法技术

一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，首先，建立二指机械手模型并对其各个关节进行描述；其次，根据步骤一建立的二指机械手的模型，自定义机械手与物体的物理参数、初始值和期望值，进行手臂和物体系统的动力学推导；最后，根据步骤二动力学推导，结合信号叠加原理，合成机械手抓取和物体操纵的控制信号u；本发明专利技术控制方法通过虚拟阻尼器与虚拟弹簧并联效应的联合空间速度阻尼信号、抓取力控制信号及物体操纵三个控制信号叠加，在机器人抓取和物体操纵方面取得了令人满意的性能；经计算机仿真表明，本发明专利技术根据虚拟弹簧

【技术实现步骤摘要】
一种机械手抓取、操纵物体的控制方法


[0001]本专利技术涉及机械手的控制信号模拟
，尤其涉及一种机械手抓取、操纵物体的控制方法。

技术介绍

[0002]机器人需要视觉、力/扭矩、触觉等密集的传感器，通过获得的信息插入复杂的方程中，实现不同的动作。虽然机器人可以比人类获取更多的信息和计算能力，但机器人在普通人类环境中进行工作，难以适应不同的环境及条件，也就是说使用传统的控制方法，机器人缺乏灵活性和适应性。机械手在各领域工作环境中应用尤其广泛，目前，机械手在抓取和物体操纵方面的控制灵活度、准确性均不够理想。
[0003]专利申请CN114800508A公开了一种工业机器人的抓取控制系统及方法，工业机器人设置有机械臂，机械臂与摄像设备电联接；摄像设备包括信息获取模块以及发送模块；机械臂包括接收模块、信息处理模块以及抓取判断模块；采集流水线上的商品信息图片；发送模块用于将商品信息图片发送给接收模块；信息处理模块用于将接收模块接收的商品信息图片与全角度模板图进行匹配，其中全角度模板图设置有360个不同角度的模板图；抓取判断模块用于根据偏移角度旋转机械臂，使机械臂夹手的夹持角度与目标商品的偏移角度一致，并对目标商品执行抓取动作；其采用机械臂与图像信息采集结合，根据信息图片判断控制机械臂的夹取动作，而对抓取物体操纵的灵活度与准确性方面不够。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，将虚拟阻尼器与虚拟弹簧并联效应的联合空间速度阻尼信号、抓取力控制信号及物体操纵控制信号叠加，用于阻尼整形、抓取和操纵物体，提高了机械手抓取和物体操纵方面的灵活度、准确性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：
[0006]一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：建立二指机械手模型并对其各个关节进行描述；
[0008]步骤二：根据步骤一建立的二指机械手的模型，自定义机械手与物体的物理参数、初始值和期望值，进行手臂和物体系统的动力学推导；
[0009]步骤三：根据步骤二动力学推导，结合信号叠加原理，合成机械手抓取和物体操纵的控制信号u。
[0010]所述步骤一的具体方法为：
[0011]整个机械手系统的模型包括肩部、肘部、腕部和拇指的两个自由度、食指的两个自由度，q＝(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7)
T
；假设手臂系统在水平面中移动，并且手指与物体接触的表面是平行的，从机械手接触物体表面的初始状态到机械手抓住物体过程中所期望达到的抓取位置为x
d
＝(x
d
,y
d
)
T
；机械手指端是刚性的半圆形，手指末端和物体表面之间存在滚动
约束；
[0012]点O表示固定在机器人手臂第一个关节处的笛卡尔坐标原点，物体中心用O
c.m
表示。
[0013]所述步骤二的具体方法为：
[0014]机械手拇指和食指的半圆形指端中心的坐标几何参数 x
oj
＝(x
oj
,y
oj
)
T
[0015][0016]式(1)中：q
i
(i＝1,...,7)为每个关节角度，
[0017]l
i
(i＝1,...,7)为每个关节之间连杆的长度，
[0018]得到指端与物体的接触点几何参数x
j
＝(x
j
,y
j
)
T
[0019][0020]式(2)中：r
j
(j＝1,2)为指端半径，
[0021]x
0j
＝(x
0j
,y
0j
)
T
为半圆形指端的中心，
[0022]θ为初始物体角度，
[0023]指端和物体表面之间的约束Q1,Q2,R1,R2，
[0024]指端与物体表面的接触约束Q1,Q2，则
[0025]Q1＝(x
‑
x
01
)cosθ
‑
(y
‑
y
01
)sinθ
‑
r1‑
w1＝0
[0026]Q2＝
‑
(x
‑
x
02
)cosθ+(y
‑
y
02
)sinθ
‑
r2‑
w2＝0
ꢀꢀ
(3)
[0027]式(3)中：w1,w2为夹取物体的宽度，
[0028]设指端在物体表面上的移动距离几何参数Y1,Y2，
[0029]Y1＝c
01
‑
r1(π+θ
‑
q
T
e1)
[0030]Y2＝c
02
‑
r2(2π
‑
θ
‑
q
T
e2)
ꢀꢀ
(4)
[0031]式(4)中：c
01
,c
02
为指端与物体的初始接触点，
[0032]e1＝(1,1,1,1,1,0,0)
T
,e2＝(1,1,1,0,0,1,1)
T
，
[0033]得指端在物体表面上的移动几何参数Y
j
，
[0034]Y
j
＝(x
0j
‑
x)sinθ+(y
0j
‑
y)cosθ
ꢀꢀ
(5)
[0035]式(5)中：x,y为物体的中心坐标
[0036]由公式(4)(5)得到指尖与物体表面的滚动约束R1,R2[0037]R1＝Y1‑
c
01
+r1(π+θ
‑
q
T
e1)＝0
[0038]R2＝Y2‑
c
02
+r2(2π
‑
θ
‑
q
T
e2)＝0 (6)
[0039]则整个机械手和物体的拉格朗日方程K,L：
[0040][0041]其中：
[0042][0043][0044][0045]将公式(8)、公式(9)带入到公式(7)中，得
[0046][0047]其中：f
j
,A
j
为拉格朗日乘数，
[0048]H(q)为机器人部件的7
×
7惯性矩阵，
[0049]I为绕质心Oc.m的惯性矩，
[0050]得到变分方程描述的哈密顿原理：
[0051][0052]u为每个关节执本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立二指机械手模型并对其各个关节进行描述；步骤二：根据步骤一建立的二指机械手的模型，自定义机械手与物体的物理参数、初始值和期望值，进行手臂和物体系统的动力学推导；步骤三：根据步骤二动力学推导，结合信号叠加原理，合成机械手抓取和物体操纵的控制信号u。2.根据权利要求1所述的一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法为：整个机械手系统的模型包括肩部、肘部、腕部和拇指的两个自由度、食指的两个自由度，q＝(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7)
T
；假设手臂系统在水平面中移动，并且手指与物体接触的表面是平行的，从机械手接触物体表面的初始状态到机械手抓住物体过程中所期望达到的抓取位置为x
d
＝(x
d
,y
d
)
T
；机械手指端是刚性的半圆形，手指末端和物体表面之间存在滚动约束；点O表示固定在机器人手臂第一个关节处的笛卡尔坐标原点，物体中心用O
c.m
表示。3.根据权利要求1所述的一种机械手抓取、操纵物体的控制方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法为：机械手拇指和食指的半圆形指端中心的坐标几何参数x
oj
＝(x
oj
,y
oj
)
T
式(1)中：q
i
(i＝1,...,7)为每个关节角度，l
i
(i＝1,...,7)为每个关节之间连杆的长度，得到指端与物体的接触点几何参数x
j
＝(x
j
,y
j
)
T
式(2)中：r
j
(j＝1,2)为指端半径，x
0j
＝(x
0j
,y
0j
)
T
为半圆形指端的中心，θ为初始物体角度，指端和物体表面之间的约束Q1,Q2,R1,R2，指端与物体表面的接触约束Q1,Q2，则Q1＝(x
‑
x
01
)cosθ
‑
(y
‑
y
01
)sinθ
‑
r1‑
w1＝0Q2＝
‑
(x
‑
x
02
)cosθ+(y
‑
y
02
)sinθ
‑
r2‑
w2＝0
ꢀꢀ
(3)
式(3)中：w1,w2为夹取物体的宽度，设指端在物体表面上的移动距离几何参数Y1,Y2，Y1＝c
01
‑
r1(π+θ
‑
q
T
e1)Y2＝c
02
‑
r2(2π
‑
θ
‑
q
T
e2)
ꢀꢀ
(4)式(4)中：c
01

【专利技术属性】
技术研发人员：王引卫，王娇，王兴烁，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：