机器人多指手的位置一力混合控制

9)183-87 第20卷 第2期 北京科技大学学报 Vol.20 No.2 1998年 4月 Jourual of University of Scieuce aud Technology Beijiug Apr.1998 机器人多指手的位置一力混合控制 原魁 于滋郭峰 袁星军 Tp2913 北京科技大学信息工程学院，北京【00083 摘要分析了一类机器人多指手的动力学模型的特点，针对这类机器人多指手在运动和抓握？个 过程中动力学特性有很大差异的特点，提出了」种切实可行的位置一力混合控制方案，并成功的应 用于北京科技大学双拇指手控制系统 关键词机器人多指手；控制系统：位置 力混合控制 分类号TP241.3 “北京科技大学双拇指手"是一种具有3指 14自由度的非仿人机器人多指手.它两侧的2 个手指都可以绕与手腕平行的轴转动，类似与 人手拇指的功能，所以称为“双拇指手”该手的 特点是可以很方便地被安装在普通工业机器人 末端，与机器人配合完成对不同形状的物体的 抓取和简单操作等任务.图1给出了北京科技大 学双拇指手的基本结构. 为了达到对多指手的抓握力进行控制的目 的，双拇指手的3个手指上分别以阵列方式安装 了l2个薄膜式力敏电阻(Force Sensing Resister,FSR美国Interlink电子公司生产)作为 力传感器这样做能增加多指手与物体的接触 点，保证对不同形状和大小的物体进行抓取时 能够有效地进行力反馈控制该力敏电阻为压 阻聚合薄膜(Piezoresistive Polymer Film),其测 力范围为10g~10kg,厚度为0.35mm,具有良 好的力响应特性和柔软性，并可以和相应的电 路配合得到具有较好线性度的压力一输出电压 特性曲线. 1 多指手控制模型分析 机器人多指手的性能实际上取决于多指 图1北京科技大学双拇指手基本结构 1997-03-25收稿原赶男，40岁。博上 ·国家863'基金资助课题

·184 北京科技大学学报 1998年第2期 手手指屈伸动作的控制性能.因此，我们将就北京科技大学双拇指手手指完成屈伸动作时的动 力学特性进行分析，以决定必要的控制策略 北京科技大学双拇指手手指的屈伸是由DC电机通过蜗轮蜗杆，滑杆和钢丝绳来驱动的， 其机械结构如图2所示 BF1i F,屈伸关节 PK○ T 上为钢丝绳T 手指 护套 蜗轮蜗杆 编码器 图2屈伸关节的机械结构 图2中，xm为DC电机的输出力矩，Jm为DC电机侧的等效转动惯量，x,为负载侧的力矩(c =x),x,为等效到电机上的负载力矩，Bm为DC电机轴上的粘性摩擦因数，Fm为DC电机轴上 库仑摩擦因数，：为蜗轮蜗杆的传动比（为了简化分析过程，以下假设传递效率=1），日为负载侧 的角位移，0为电机轴的角位移（旧.=记）. 从图2可以得知，当不考虑手指与物体的接触力产生的外部力矩时，电机侧的力矩平衡方 程为： m=J0+Be+Fmsgn(). (1) 而当考虑手指与物体的接触力产生的外部力矩时，式(1)的力矩平衡方程成为 Tm-T=Jem+B.om Femsgn(e) (2) 这里，x为外力在负载侧产生的力矩折算到电机上的等效力矩很明显，该力矩的大小不但取决 于物体与手指的接触力的大小，而且取决与手指与物体的接触点的位置 考虑到钢丝绳与护套以及手指关节滑轮上的摩擦力，则负载侧的力矩平衡方程为 t +Ty-Ty=Je +Be (3) 式中：J为负载侧的转动惯量，B为负载侧的粘性摩擦因数；T,T,为由驱动电机产生的蜗轮侧 的钢丝绳张力.很明显，J和B,的值都将随手指的姿态和运动速度等发生变化因此，式()中的 J和B也随手指的姿态和运动速度发生变化 当驱动电机运转并通过钢丝绳驱动手指关节运动时，钢丝绳张力与手指上部2个关节的 动力学特性可以由下面1组方程描述： T=K(r 0-X)+Tio T=K(X-re)Tio T=T+Fsgn(X)+B文 T了=KX-r)+T (4) T;=K(r0-X)+To T;T;-Fsgn(X)-B.X 式中：TT,TT为钢丝绳的预张力：T,T为屈伸关节侧的钢丝绳张力；X,X,为钢丝绳的位 移；，，分别为蜗轮半径与手指关节滑轮的半径；K为钢丝绳的弹性系数；B,B,和F,F,分 别为护套上的粘性摩擦因数和库仑摩擦因数

Vol.20 No.2 机械人多指手的位置一力混合控制 ·185· 机器人多指手的驱动是由驱动电机通过钢丝绳实现的，机器人多指手的控制问题可以理 解为控制驱动电机的输人实现对钢丝绳张力的控制问题同时，由于DC电机的输出力矩可以 被表示为 t=ku (5) 其中，4为电机的输入电压，km为电机的转矩系数因此，可以根据式(1)~(S)推导出驱动电机 的输入电压与钢丝绳张力输出之间的数学模型，而该模型就是机器人多指手的控制模型 但是，如式(1)~(4)所示，多指手手指机构的不同部分分别存在着库仑摩擦和粘性摩擦 由于无法通过系统分析和辨识的方法求得相应的摩擦因数，所以即使在机器人多指手不与物 体接触的情况下，即在不存在负载力矩的情况下，也难以得到多指手系统的准确模型因此，为 了对机器人多指手进行有效可靠地控制，必须采取正确的控制策略 2机器人多指手控制策略分析 2.1机器人多指手的运动控制 在多指手的手指与物体接触之前的运动过程中，没有外力作用，由式(1)可知，当把多指手 手指作为1个转动惯量和粘性摩擦因数都随手指的姿态和运动速度而发生变化的负载考虑 时，多指手手指是1个典型的二阶系统.因此，只要正确设计DC驱动电机控制系统，就可以达 到对多指手进行运动控制的目的 22机器人多指手的位置控制 在多指手的运动过程中，由于驱动钢丝绳的松动、传动间隙等原因，DC电机转角输出与手 指各个关节位置之间将产生死区这些死区的大小将随着机构的使用和磨损而发生变化，所以 无法利用系统分析和辨识的手法获取与DC驱动电机和多指手手指位置之间的准确模型，并 利用该模型对多指手进行准确的位置控制多指手手指的位置控制往往只能是对DC伺服电 机的输出进行控制或在手指的关节位置另外安装位置检测装置后者在实用性方面也受到很 大限制为使机器人多指手很好地完成对物体的稳定抓握任务，须对其抓握力进行反馈控制， 23机器人多指手的力反馈控制 当多指手与物体接触后，式(2)中的负载力矩x将不能忽略.根据前面的分析，负载力矩x, 将因手指的姿态以及接触力的大小、手指与物体的接触点的位置等而发生变化，所以根本无 法求得电机输入与多指手手指受力之间的数学模型.因此，为了对多指手进行力反馈控制，必 须采用不需要准确建立多指手数学模型的控制方案所以在进行机器人多指手的力反馈控制 时选择基于模糊控制思想的控制方案无疑是一种有力的方案口 2.4机器人多指手的位置一力混合控制 机器人多指手的控制系统是1个位置一力混合控制系统在手指未与被抓物体接触之前， 对手指的运动速度和位置进行反馈控制，以保证各个手指以给定速度运动至所需位置；当手 指与被抓物体接触后，需要对抓握力进行控制，即需要切换为力反馈控制图3给出了位置一 力混合控制系统框图 3机器人多指手位置一力混合控制的实现 北京科技大学双拇指手控制系统采用了分布式主从计算机控制的方案.主机部分包括工 控机，高速串行通讯板，AWD.D/A板，而从机部分则包括8套以Intel-.8098单片机为核心的全数

·186· 北京科技大学学报 1998年第2期 位置速度反馈 位置速度给定 伺服单元 驱动 DC电机 手指 抓握力给定 力控制 抓握力反馈 图3北京科技大学双拇指手的位置一力混合控制框图 字化伺服控制单元、PWM驱动电路、力传感器信号处理单元、工业机器人MOTOMAN接口 电路和控制驱动电源等，主机除了完成系统管理、抓取规划和作业编程等任务之外，还完成力 传感器反馈信号采集，抓握力反馈控制和对各从机进行协调控制等任务而从机则主要完成接 受和执行主机命令，对伺服电机进行位置、速度的反馈控制和功率驱动等任务 3.1位置一速度反馈控制的实现 双拇指手的位置和速度控制是通过控制DC驱动电机的位置和速度完成的.上位机将必 要的位置和速度指令通过高速串行口发给相应从机的全数字化伺服单元，由伺服单元根据安 装在DC电机轴上的光码盘的输出信号对电机的位置和速度进行检测，并完成反馈控制. 在伺服电机的速度环中我们采用了PI控制，而在位置环中则采用了模糊控制+PI控制的 方案在双拇指手的手指接近指定位置之前，为了使手指能够以较高速度运动采用了模糊控 制，而为了避免出现位置超调和保证位置精度，则在手指接近指定位置后切换为PI控制.实验 表明，采用这种控制方式时不但可以保证多指手以较高的速度运动(1.5s以内到达指定位置)， 而且可以保证有足够的位置精度（电机轴的位置误差在一个脉冲以内）. 采用这种控制方式并不能保证多指手手指本身的位置和速度的精度.但是，因为机器人 多指手在完成对给定物体的抓取任务时，将和机器人视觉系统以及多指手本身的力反馈控制 系统配合使用，所以只要确定正确的控制策略，完全可避免位置和速度误差带来的不良影响 3.2力反馈模糊控制的实现 在多指手完成对物体的抓握过程中，上位机通过力传感器采样电路对手指与物体的接触 力进行检测，并通过模糊控制算法得到所需的模糊控制量，将其转换为对DC驱动电机控制电 压，完成对多指手的力反馈控制.图4给出了力闭环模糊控制器的基本结构， 模糊控制器 抓握力给定 模糊化 模糊控制规则 模糊决策 手指驱动 抓握力反馈 图4力闭环模糊控制器结构图

Vol.20 No.2 机械人多指手的位置一力混合控制 ·187· 图5给出了多手指抓握700g,直径 为13cm盛水的可乐瓶时的抓握力变 180 轴7 160 化情况.实验结果表明，采用上述模糊控 140 制的方案时可以很好地完成对力的反 馈控制. 0120l 100 4结论 后 80 轴8 将北京科技大学机器人多指手安 60 A0 装在日本安川电机的工业机器人 20 MOTOMAN上，并根据上述控制策略进 行了大量的抓取和搬运方面的实验研 34567 2 t/ms 究.实验结果表明上述位置一力混合控 图5实验结果 制的控制策略非常有效，既可以保证多 指手的各个手指以较高的速度和精度进行协调运动，又可以使多指手按照给定的抓握力完成 对物体的稳定抓取，对于这类在传动机构中采用了钢丝绳的机器人多指手来说它是一种通用 的控制策略 参考文献 1王从庆.机器人多指手控制方法的研究：[学位论文].北京：北京科技大学，1995.28 2李士勇.模糊控制和智能控制理论与应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.78 Intelligent Control of Multi-fingered Robot Hand Yuan Kui Yu Che Guo Feng Yuan Xingjun Information Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The dynamics properties of a kind of multi-fingered robot hand is analyzed. It is pointed out that the dynamics property of this kind of multi-fingered robot hand in the approaching process is quite different from that in the grasping process and,different control algorithm should be taken in the two process.A position-force hybrid control algo- rithm is proposed which is applied to the control system of the University of Science and Technology Beijing double-thumb robot hand successfully. KEY WORDS multi-fingered robot hand;control system;position-force hybrid control