[發明專利]一種基于擾動觀測器的機械手主次協調控制方法

有效

• 申請號: 201810049340.1
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108189037B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 鄧華;張翼;鐘國梁
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種用于機械手的擾動觀測器與主次協調控制方法，針對機械手抓取物體時，操作環境復雜，抓握物體信息未知，傳感器缺乏和環境中存在擾動的問題，以及現有的力傳感器由于接觸點不確定，檢測信息不全等限制，本發明提供一種擾動觀測器用于估計環境中的擾動信息，再利用估計出來的擾動量，結合被抓取物體估計的質量、剛度及其表面的摩擦系數，估計反射控制中的反射抓握力，最后結合主模式控制方法，建立主次協調控制策略，控制機械手在擾動作用下穩定地抓取物體。替代了只能通過高成本傳感器獲取擾動信息的傳統方法，方法簡單有效，提高了機械手穩定可靠抓取問題的效率，同時分析了擾動觀測器的誤差，為精確分析機械手抓取過程中的擾動奠定了基礎。

技術領域

本發明涉及一種基于擾動觀測器的機械手主次協調控制方法，特別適用于機械手在不確定的環境下抓取物體等操作。

背景技術

機械手模仿人手，其操作環境十分復雜，抓握物體各不相同，每個質量不一樣的物體要求不同的抓握力，而且環境中還存在各種擾動。人在擾動環境下抓握物體時，人手的觸覺感覺到物體的滑動信號，人的大腦可以根據物體特征估計一個合適的抓握力，并通過神經系統實現物體的穩定抓握。對機械手而言，只有少數傳感器，也不如人手靈活，無法了解被抓物體的抓握狀態，不能根據被抓物體狀態的改變來調節機械手的抓握力。因而力的調節不具有實時性。而且，如果機械手抓取力過小，而又沒有及時增大抓握力的大小，可能會使得物體滑落，相反，如果抓取力過大，并且沒有及時減小抓握力，可能會使物體變形甚至毀壞，同時抓握日常物品的重量，材質，剛度未知，外界擾動也不確定，因此抓握力的控制十分困難。如何確定機械手合適的抓握力，在抓握力過小或者受到環境擾動時，怎樣調整抓握力的大小成為機械手應用中迫切需要解決的難題。為了提高機械手的抗擾動能力，國內外許多學者進行了廣泛的研究，主要包括開環控制和閉環控制。

機械手開環控制的研究主要是采用生物解碼的技術直接控制機械手。研究的主要生物信號有肌電信號(EMG),腦電信號(EEG)和周圍神經信號(PNS)。通過對生物信號的直接解碼獲得人的運動意愿，然后通過比例放大，直接控制機械手。當機械手抓握不穩定時，通過視覺反饋，調整輸出的生物信號，根據生物信號的改變來調整抓握力狀態。然而生物解碼信號十分微弱，隨時間的推移而不斷變化。從大腦發出來的信號，經過中樞神經，脊髓神經，人的神經到肌肉，存在時空耦合。另外，生理信號的采集與傳感器的貼敷位置，密布程度和解碼效果的好壞都有很大的關系。人體疲勞狀態也會帶來肌電信號的變化，從而導致分類解碼器與信號不匹配。而且解碼控制算法復雜，運算時間長，穩定性差。機械手閉環控制的研究基于力、位置和滑覺等傳感器。常用的控制策略為阻抗控制，它通過機械手的位置反饋，控制機械手的參考位置來間接控制抓握力的大小，這種控制方法使得機械手在自由運動空間到約束運動空間之間平穩過渡。閉環力控制比開環控制有更好的穩定性，對力超調有一定的調節力能。應對環境擾動的問題，反射控制被提出來。主要解決的問題是怎樣檢測外界擾動，需要增加多大的力，反射控制比肌電開環的反射控制響應更快，實時性更好。

對于機械手，設計要求其重量、尺寸都有限制，不可能配置很多傳感器，只能在有限位置布置若干傳感器。力矩傳感器一般尺寸偏大并且價格很高，難以裝入結構緊湊的機械手，如機械手。一般機械手有很多力傳感器，然而這種機械手與物體接觸時，由于接觸點不確定，即傳感器有可能檢測不到機械手是否抓取物體，或者檢測信息不全。由于缺少足夠的傳感器反饋，容易造成抓握力超過期望的抓握力而不能及時調整，可能破壞被抓物體，更有可能會對機械手造成損害。因此，需要通過有效的方法獲得環境中的擾動信息，預測和控制抓握過程中合適的抓握力，從而達到穩定抓握物體的目的。

發明內容