灵巧手自适应抓取关键技术研究

作     者：王浩楠 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宪民

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：灵巧手抓取 自适应 抓取识别 硬度感知 稳定性分析 

摘      要：随着机器人应用需求的不断提高,灵巧手的抓取对象从单一工件逐步拓展到未知的复杂物体。由于灵巧手抓取系统感知抓取对象和场景的能力有限,灵巧手对未知的复杂物体进行稳定抓取仍然是一项具有挑战性的任务。针对这个问题,本文以属性未知的物体为抓取对象,围绕灵巧手对抓取对象的识别、感知和操作这三个关键技术进行研究。本文主要包括以下几个方面的内容:(1)灵巧手抓取系统搭建与标定。首先,对能够自适应抓取未知物体的灵巧手抓取系统进行需求分析。其次,基于需求分析设计灵巧手抓取系统的硬件平台。再次,基于ROS(Robot Operating System)搭建灵巧手抓取系统的控制平台,实现传感信息的实时通信和抓取系统的实时控制。最后,对所搭建的灵巧手抓取系统进行标定。(2)基于视觉的抓取对象识别与抓取规划。首先,分析两指灵巧手抓取模型并提出六个参数的抓取描述方法,通过引入抓取对象的估计高度提高了对未知物体的自适应抓取性能。其次,提出基于视觉的抓取识别与抓取规划方法,对未知物体进行自适应抓取规划。最后,通过实验研究证明所提出的方法能够对未知物体进行实时自适应抓取识别与抓取规划。(3)灵巧手抓取对象硬度感知。首先,提出小压缩距离的触觉数据采集和多项式处理方法,避免压缩量过大损伤物体。其次,采用基于单层决策树的Adaboost算法进行抓取对象硬度感知,将抓取对象的硬度分为五个等级。最后,对训练集以外的真实抓取对象进行硬度感知实验。实验结果表明本文所提出的方法能在小压缩距离下自适应感知物体的硬度。通过感知抓取对象的硬度,为灵巧手自适应施加初始夹持力提供依据。(4)灵巧手抓取稳定性分析与综合实验研究。首先,提出基于威尔科克森符号秩检验的灵巧手抓取稳定性分析方法。其次,通过静态性能以及动态性能测试检验所提出方法的性能,结果表明所提方法能检测抓取对象的初始滑移和连续滑移。再次,将所提的抓取稳定性分析算法应用于不同自适应操作场景。最后,进行灵巧手对抓取对象进行识别、感知和操作的自适应抓取实验。实验结果表明本文所提出的灵巧手自适应抓取方法能对未知物体进行非破坏性的稳定抓取。