面向两臂两手仿人机器人的自定义阻抗控制方法

当使用带有机器人手臂系统的工具时，抓取物体的刚度在与交互环境中起着关键作用，从而使任务得以成功执行。然而，在机器人系统中，由于其鲁棒性和控制的简单性，在机器人系统中使用欠驱动的手的数量迅速增加，对可实现的目标刚度造成了限制。事实上，由于手和手臂的串联耦合，由此产生的刚度是由两个元件中最柔顺的一个决定的。

为了解决这一问题，研究者提出了一种新的控制器，该控制器考虑了驱动约束的物体刚度椭球体的有限可达几何形状，并利用了机器人手臂在重塑最终刚度以达到所需轮廓方面的贡献。手指头的协调加强说明了这一不足。所提出的方法通过一个执行钉入孔任务的手臂系统进行了实验验证。

相关研究成果以“An approach to object-level stiffness regulation of hand-arm systems subject to under-actuation constraints”为题于2020年8月27日在《Autonomous Robots》杂志中发布。

实验前景

协作机器人技术是一种迅速出现的技术，因为越来越多的行业正在寻求柔性自动化系统的竞争力。这些机器人系统被设想与其人类同事一起工作，以便以富有成效和灵活的方式执行广泛的任务，这通常涉及操作和交互。因此，它们必须包含：能够执行操作的机器人末端执行器（例如：机器人手、夹持器、吸盘）和在任务工作区驱动这种末端执行器的机器人手臂。

然而，用于手臂系统的阻抗控制器却鲜有研究。有人提出了一种面向两臂两手仿人机器人的自定义阻抗控制方法。该方法是针对一个完全可控的身体-手-手臂系统而设计的，忽略了手指的滚动效应。开发阻抗控制器，主要由手臂驱动整个系统的依从性，并使用机器手提供对象的牢固把握。在这些系统中使用的手的高自由度（自由度）的完全可控性允许执行精细的操作任务。然而，这不仅意味着设计及其相关成本的复杂性不断增加，而且从控制的角度来看也是如此。这种高度的复杂性是将这些系统部署到实际的工业和人-机器人交互环境中的问题的根本原因。

为了克服这一障碍，正在开发机器软手和欠驱动手嵌入结构柔顺性，可以在减少执行机构数量的同时处理简单的抓取任务和安全需求。从控制的角度来看，被称为姿势手协同效应的协调动作被认为是解决控制冗余问题的一种方法。然而，这些动作不足的机器软手主要被用来完成物体周围的完全闭合。

然而，精细的操作任务可能需要更复杂的掌握。例如，在有作品中研究了执行任务所需的手握柔顺性和运动学。实际上，在使用工具执行特定任务时，必须正确地选择抓取点和阻抗以获得所需的交互。

实验想法

提出了一个控制器来调节操作任务的刚度，该控制器使用指尖抓取器和手臂系统，并在手的水平上遵循欠驱动原理。为了说明一个可能的应用场景，使用了和配置相关刚度（CDS）欠驱动原理的情况。假定抓取刚度的椭球表示，这样的椭球体是由主轴的方向（椭球体的几何学）和它的整体体积来定义的。在此框架下，共模刚度（CMS）提供了手指关节的协同强化，即只需一个参数就可以修改所有关节，从而导致椭球体体积的增加或者减少。通过改变手指的姿势，轴向可以以一种更节能的方式改变。

在以前的工作中，研究者开发了两种不同的方法，在使用CMS/CDS生物启发概念的同时，提供了很大的可操作范围。CMS原则的实现限制了实现复杂操作任务所需的控制输入的数量，将控制引用简化为2×n参数只适用于n+1，在哪里n是手的自由度数。然而，这种欠驱动原理导致在保持抓取点的同时，手可到达的刚度几何图形的范围有限，有可能限制手臂系统的整体行为。

因此，针对手的局限性，该控制器首先找到合适的抓取姿态，以满足特定任务的对象级刚度方面的交互要求。然后使用ARM笛卡儿阻抗控制器来定位执行任务所需的对象。此外，所述臂的阻抗控制器用于根据任务所需调节所获得的手刚度。因此，本工作的主要贡献可以概括为：制定一种控制策略，以调整驱动原则约束的手臂系统的刚度，以及在抓取刚度控制中的适应性。一个新的场景，一个移动的机器手连接在一个机器人手臂上。

分别给出了所研究的欠驱动情况下的被研究的手臂刚度问题和方法，得出主要结论。

实验经过

在手臂系统中，这两种元件都有助于完成任务所需的整体刚度。此外，在与环境互动时，需要对工具进行适当的定位。因此，将抓取刚度参数定义在对象/工具框架层次上比在世界框架中更为合适。

对于仿真和实验，扭矩控制在自由度为7的机器人手臂，使用。这只手用一个定制的法兰连接到机器人手臂的末端。

这个模型是需要的，以找到手的配置，在所期望的方向上给出最高的刚度在目标水平，并建立一个稳定的轨道朝它。使用该软件，手臂也可以建模为一个手指的手，实际的手基础位置可以定义从手臂末端-效应器之一。请注意，一个额外的固定连接是建立在手臂上，以说明法兰连接臂与手。

在这项工作中，ARM被认为是完全可控的，是指导任务执行的一种。因此，在给定手的欠驱动约束和期望的基于任务的刚度的情况下，该方法首先尝试找到通过任务在所需方向上最大限度地提高刚度的手配置。接下来，臂被配置成在任务所需的方向上定位对象和由此产生的刚度几何学，从而要求做出严格的响应。最后，手臂直角刚度控制器调整所产生的抓取刚度（在物体坐标中）向预定的，期望的轮廓。

结论

经过一系列的实验结果，需要正确调整机器手和机器手臂两种元件的刚度，才能实现适当的任务执行，即驱动孔内钉。当两个系统中的一个没有适当调整时，手臂系统无法执行任务。通过适当调整每个欠驱动情况下产生的限制，该方法可推广到任何具有完全可控臂和欠驱动手的系统。

给定任务的所需刚度被描述为一组方向，用于最大限度地提高刚度或满足要求。通过多个实验验证了该方法的有效性，证明了采用该方法可以实现手臂系统刚度的正确调整，从而成功地完成一项任务。
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