[发明专利]一种用于欠驱动机械手的被抓握物体刚度估计方法

说明书

一种用于欠驱动机械手被抓物体刚度估计方法。机械手指机构需要安装两组传感器，分别是在手指末端表面的力传感器和电机末端的编码器。该方法根据欠驱动机械手机构在自由空间和接触空间里运动学模型和力学模型的差异，通过读取抓握接触力信号与电机编码器信息，计算出被抓物体与机械手指的等效刚度，然后解耦计算出被抓物体的刚度。本发明主要应用于欠驱动机械手，抓握不同的物体时能更准确的识别出物体的刚度。

技术领域

本发明属于仿人机械手技术领域，特别涉及一种用于欠驱动机械手估计被抓握物体刚度的方法。

背景技术

人手具有强大的自主控制能力，在抓握物体时，通常是根据观察被抓物体的软硬特征，根据人的经验，调整人体的骨骼肌，顺应地抓握不同刚度的物体，如以较小的力柔性地抓握软物体，以较大的力刚性地抓握硬物体，并且由于人手皮肤上拥有大量的感知神经，通过触感信息和视觉信息一起形成反馈机制，可以较好的控制抓取力和抓取精度，完美的完成抓握动作。然而，机械手在设计好后，刚度通常是固定不变的，如果想获得同人手类似的刚度变化，只有通过主动变刚度控制来实现。否则，若解码不当，当假肢手抓取物体时，过大的力会引起一些被抓物体的变形或者甚至被破坏，而另一方面，过小的抓握力会导致抓取不稳定。

要实现变刚度控制，首先必须知道被抓物体的刚度信息，但是被抓对象的刚度很难直接测量，只能通过假肢手进行间接测量。目前用于机器人的刚度估计方法一般有根据固有振动频率信号处理法以及时域分析法。第一种方法测量比较准确，但是常常用于离线分析，并且需要力反馈具有欠阻尼特性；第二种方法可以在线使用，通过定义的方法进行计算，但是需要较长时间才能得出准确的刚度信息。此外，这两种方法都是针对刚性的机械手，并且被抓物体都为实验装置，没有应用于日常物体的报道。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于欠驱动机械手被抓物体刚度估计方法。机械手指机构需要安装两组传感器，分别是在手指末端表面的力传感器和电机末端的编码器。该方法根据欠驱动机械手在自由空间和接触空间里运动学模型和力模型的差异，通过读取抓握接触力信号与电机编码器信息，计算出被抓物体与机械手指的等效刚度，然后解耦计算出被抓物体的刚度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括以下步骤：

步骤一，建立欠驱动机械手的运动学模型，具体为：根据欠驱动机械手的几何特征关系，分别建立在自由空间和接触空间中抓握点运动位置与电机转角的函数关系；

步骤二，假定欠驱动假肢手在抓握过程分为物体变形阶段和机械手指变形阶段，在物体变形阶段时，根据步骤一中欠驱动机构在运动空间的运动学关系建立物体变形量与电机转角的函数关系；

步骤三，在机械手指变形阶段时，根据接触空间欠驱动机械手的力输出特性与分配关系，建立在接触空间中抓握点的抓握接触力与电机输出力矩之间的函数关系；

步骤四，根据步骤二和步骤三的函数关系计算系统总体等效刚度；

步骤五，假肢手抓握硬度极大的物体，物体的变形量极小可忽略不计，读取抓握接触力信息与电机编码器信息，此时根据步骤四计算的系统总体等效刚度即为假肢机构的手指等效刚度；

步骤六，根据步骤四计算的系统总体等效刚度和步骤五得到的手指等效刚度求解出被抓握物体刚度的计算公式；

步骤七，假肢手抓握其他未知刚度的物体，读取此时的抓握接触力信息与电机编码器信息，根据步骤六的公式解耦计算出准确的被抓物体的刚度信息。

附图说明

图1为典型欠驱动机械手结构示意图

图2为欠驱动机械手接触到被抓物体，假定机械手不变形而被抓物体变形的示意图。

图3为欠驱动机械手接触到被抓物体，假定机械手变形而被抓物体不变形的示意图。