當使用帶有機器人手臂系統(tǒng)的工具時，抓取物體的剛度在與交互環(huán)境中起著關鍵作用，從而使任務得以成功執(zhí)行。然而，在機器人系統(tǒng)中，由于其魯棒性和控制的簡單性，在機器人系統(tǒng)中使用欠驅動的手的數(shù)量迅速增加，對可實現(xiàn)的目標剛度造成了限制。事實上，由于手和手臂的串聯(lián)耦合，由此產生的剛度是由兩個元件中最柔順的一個決定的。

為了解決這一問題，研究者提出了一種新的控制器，該控制器考慮了驅動約束的物體剛度橢球體的有限可達幾何形狀，并利用了機器人手臂在重塑最終剛度以達到所需輪廓方面的貢獻。手指頭的協(xié)調加強說明了這一不足。所提出的方法通過一個執(zhí)行釘入孔任務的手臂系統(tǒng)進行了實驗驗證。

相關研究成果以“An approach to object-level stiffness regulation of hand-arm systems subject to under-actuation constraints”為題于2020年8月27日在《Autonomous Robots》雜志中發(fā)布。

實驗前景

協(xié)作機器人技術是一種迅速出現(xiàn)的技術，因為越來越多的行業(yè)正在尋求柔性自動化系統(tǒng)的競爭力。這些機器人系統(tǒng)被設想與其人類同事一起工作，以便以富有成效和靈活的方式執(zhí)行廣泛的任務，這通常涉及操作和交互。因此，它們必須包含：能夠執(zhí)行操作的機器人末端執(zhí)行器（例如：機器人手、夾持器、吸盤）和在任務工作區(qū)驅動這種末端執(zhí)行器的機器人手臂。

然而，用于手臂系統(tǒng)的阻抗控制器卻鮮有研究。有人提出了一種面向兩臂兩手仿人機器人的自定義阻抗控制方法。該方法是針對一個完全可控的身體-手-手臂系統(tǒng)而設計的，忽略了手指的滾動效應。開發(fā)阻抗控制器，主要由手臂驅動整個系統(tǒng)的依從性，并使用機器手提供對象的牢固把握。在這些系統(tǒng)中使用的手的高自由度（自由度）的完全可控性允許執(zhí)行精細的操作任務。然而，這不僅意味著設計及其相關成本的復雜性不斷增加，而且從控制的角度來看也是如此。這種高度的復雜性是將這些系統(tǒng)部署到實際的工業(yè)和人-機器人交互環(huán)境中的問題的根本原因。

為了克服這一障礙，正在開發(fā)機器軟手和欠驅動手嵌入結構柔順性，可以在減少執(zhí)行機構數(shù)量的同時處理簡單的抓取任務和安全需求。從控制的角度來看，被稱為姿勢手協(xié)同效應的協(xié)調動作被認為是解決控制冗余問題的一種方法。然而，這些動作不足的機器軟手主要被用來完成物體周圍的完全閉合。

然而，精細的操作任務可能需要更復雜的掌握。例如，在有作品中研究了執(zhí)行任務所需的手握柔順性和運動學。實際上，在使用工具執(zhí)行特定任務時，必須正確地選擇抓取點和阻抗以獲得所需的交互。

實驗想法

提出了一個控制器來調節(jié)操作任務的剛度，該控制器使用指尖抓取器和手臂系統(tǒng)，并在手的水平上遵循欠驅動原理。為了說明一個可能的應用場景，使用了和配置相關剛度（CDS）欠驅動原理的情況。假定抓取剛度的橢球表示，這樣的橢球體是由主軸的方向（橢球體的幾何學）和它的整體體積來定義的。在此框架下，共模剛度（CMS）提供了手指關節(jié)的協(xié)同強化，即只需一個參數(shù)就可以修改所有關節(jié)，從而導致橢球體體積的增加或者減少。通過改變手指的姿勢，軸向可以以一種更節(jié)能的方式改變。

在以前的工作中，研究者開發(fā)了兩種不同的方法，在使用CMS/CDS生物啟發(fā)概念的同時，提供了很大的可操作范圍。CMS原則的實現(xiàn)限制了實現(xiàn)復雜操作任務所需的控制輸入的數(shù)量，將控制引用簡化為2×n參數(shù)只適用于n+1，在哪里n是手的自由度數(shù)。然而，這種欠驅動原理導致在保持抓取點的同時，手可到達的剛度幾何圖形的范圍有限，有可能限制手臂系統(tǒng)的整體行為。

因此，針對手的局限性，該控制器首先找到合適的抓取姿態(tài)，以滿足特定任務的對象級剛度方面的交互要求。然后使用ARM笛卡兒阻抗控制器來定位執(zhí)行任務所需的對象。此外，所述臂的阻抗控制器用于根據(jù)任務所需調節(jié)所獲得的手剛度。因此，本工作的主要貢獻可以概括為：制定一種控制策略，以調整驅動原則約束的手臂系統(tǒng)的剛度，以及在抓取剛度控制中的適應性。一個新的場景，一個移動的機器手連接在一個機器人手臂上。

分別給出了所研究的欠驅動情況下的被研究的手臂剛度問題和方法，得出主要結論。

實驗經過

在手臂系統(tǒng)中，這兩種元件都有助于完成任務所需的整體剛度。此外，在與環(huán)境互動時，需要對工具進行適當?shù)亩ㄎ弧Ｒ虼耍瑢⒆ト偠葏?shù)定義在對象/工具框架層次上比在世界框架中更為合適。

對于仿真和實驗，扭矩控制在自由度為7的機器人手臂，使用。這只手用一個定制的法蘭連接到機器人手臂的末端。

這個模型是需要的，以找到手的配置，在所期望的方向上給出最高的剛度在目標水平，并建立一個穩(wěn)定的軌道朝它。使用該軟件，手臂也可以建模為一個手指的手，實際的手基礎位置可以定義從手臂末端-效應器之一。請注意，一個額外的固定連接是建立在手臂上，以說明法蘭連接臂與手。

在這項工作中，ARM被認為是完全可控的，是指導任務執(zhí)行的一種。因此，在給定手的欠驅動約束和期望的基于任務的剛度的情況下，該方法首先嘗試找到通過任務在所需方向上最大限度地提高剛度的手配置。接下來，臂被配置成在任務所需的方向上定位對象和由此產生的剛度幾何學，從而要求做出嚴格的響應。最后，手臂直角剛度控制器調整所產生的抓取剛度（在物體坐標中）向預定的，期望的輪廓。

結論

經過一系列的實驗結果，需要正確調整機器手和機器手臂兩種元件的剛度，才能實現(xiàn)適當?shù)娜蝿請?zhí)行，即驅動孔內釘。當兩個系統(tǒng)中的一個沒有適當調整時，手臂系統(tǒng)無法執(zhí)行任務。通過適當調整每個欠驅動情況下產生的限制，該方法可推廣到任何具有完全可控臂和欠驅動手的系統(tǒng)。

給定任務的所需剛度被描述為一組方向，用于最大限度地提高剛度或滿足要求。通過多個實驗驗證了該方法的有效性，證明了采用該方法可以實現(xiàn)手臂系統(tǒng)剛度的正確調整，從而成功地完成一項任務。
責任編輯:tzh