气动变刚度软体机械手的抓持策略和控制方法研究

作     者：陈元龙 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙涛

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：软体机械手 抓持系统 抓持策略 抓持控制 稳定抓持 

摘      要：软体机械手作为服务机器人与非结构环境交互的一类关键使能部件,对提高和扩展服务机器人的智能化程度和应用范围具有重要作用。针对软体机械手在可变刚度设计与抓持控制等方面的现存问题,本文设计制造了一种具有变刚度能力和本体感知能力的软体机械手,搭建了基于软体机械手的抓持系统,并以此为平台开展了抓持系统的抓持策略以及软体机械手抓持控制与稳定抓持控制方法研究。全文取得的研究成果如下:(1)变刚度软体机械手设计制造及其抓持系统搭建。在传统快速气动网络(FPN)结构软体机械手的基础上引入变刚度层,选择薄膜弯曲传感器,设计并制造一种具有可变刚度和本体感知能力的软体机械手。在此基础上,设计气动回路,搭建视觉感知模块,结合机械臂与工作台完成抓持系统硬件建造;基于机器人操作系统(ROS)开发集成软体机械手控制器、机械臂控制器和视觉感知模块的软件系统,实现多模块之间的数据传输和协同控制。(2)抓持系统的抓持策略。针对抓持对象放置于平面的抓持场景,提出一套针对软体机械手抓持系统的抓持策略。基于抓持系统的视觉感知模块,研究抓持对象视觉定位原理,利用ROS-OpenCV提取抓持对象质心坐标,实现抓持对象位置识别;利用Moveit!规划控制机械臂运动轨迹,基于分段常曲率假设分析软体机械手运动学,开展实验获得软体机械手驱动气压与弯曲角度间的映射关系,为软体机械手的弯曲角度控制器设计提供基础。(3)软体机械手的抓持控制。考虑软体机械手的抓持特点选择长条型压力传感器,搭建传感器采集电路实现对软体机械手弯曲角度与抓持力的实时监测。以传感器读数作为反馈信号设计软体机械手弯曲角度控制器和抓持力控制器。研究了抓持对象的滑动过程,定义软体机械手的抓持系数,提出基于抓持系数的滑动检测识别方法,形成抓持对象的稳定抓持控制策略,通过开展不同质量抓持对象的稳定抓持实验,验证了稳定抓持控制策略的有效性。本文研究结果对推进软体机械手抓持规划策略和控制方法研究以及实现软体机械手的实际应用均具有重要意义。