一種機(jī)器人末端操作器的抓握研究

朱映遠(yuǎn) 倪風(fēng)雷

哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱,150001

0 引言

隨著人類空間活動(dòng)的不斷發(fā)展,以及航天飛機(jī)、宇宙飛船和空間站的建立,大量的空間生產(chǎn)、空間加工、空間裝配、空間維護(hù)和修理需要完成。由于空間環(huán)境的特殊性,利用機(jī)器人以及配置在機(jī)器人末端執(zhí)行任務(wù)的操作器可以大大減小宇航員從事危險(xiǎn)工作的代價(jià)和成本[1]。這種特殊工況對(duì)機(jī)器人末端操作器提出了更高要求,即不僅要有更大的捕獲空間、更小的質(zhì)量,還要能夠?qū)ζ∧繕?biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)接或抓握。目前,典型的空間機(jī)器人末端操作器有歐洲航天局的 ROTEX、NASDA的ETS-VII以及德國的ROKVISS[2-5]。空間捕獲或?qū)舆^程中,相互作用力是一個(gè)研究難點(diǎn),過大的碰撞力或碰撞力矩會(huì)使機(jī)器人或目標(biāo)器發(fā)生較大翻轉(zhuǎn)或偏移,造成事故[6]。因此減小碰撞力和力矩是空間捕獲的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。筆者研制了一種末端操作器并建立了漂浮目標(biāo)模擬平臺(tái),對(duì)研制的末端操作器進(jìn)行了捕獲測(cè)試,利用六維力/力矩傳感器對(duì)不同軌跡規(guī)劃進(jìn)行了試驗(yàn),通過六維力/力矩傳感器測(cè)量了軌跡不同時(shí)捕獲對(duì)基座的作用力和力矩。

1 系統(tǒng)研制

1.1 末端操作器

以往的機(jī)器人末端操作器面對(duì)的目標(biāo)一般為固定目標(biāo),而本次研究的操作器則是可以對(duì)處于漂浮狀態(tài)的目標(biāo)(即具有六維自由狀態(tài)的目標(biāo))進(jìn)行捕獲抓握的特殊操作器。

末端操作器的構(gòu)型選擇蝸輪蝸桿傳動(dòng)的三指形手爪,該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、自鎖能力強(qiáng)的特點(diǎn)。采用單蝸桿帶動(dòng)對(duì)稱布置的雙蝸輪結(jié)構(gòu),使得蝸輪以及連接在蝸輪上的手指獲得對(duì)稱轉(zhuǎn)動(dòng),由V形槽、手指等捕獲定位機(jī)構(gòu)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確抓握和定位,如圖1所示。

圖1 末端操作器原理圖

工作過程中,操作器隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)接近目標(biāo)接口,當(dāng)接口進(jìn)入抓握位置時(shí),由蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪和手指,手指運(yùn)動(dòng)推動(dòng)目標(biāo)接口依序完成閉合和鎖緊動(dòng)作,直至將目標(biāo)接口壓入V形槽,結(jié)束捕獲過程。V形槽對(duì)目標(biāo)器產(chǎn)生4個(gè)約束。手指采用斜楔形結(jié)構(gòu),插入目標(biāo)器后部,產(chǎn)生1個(gè)約束。

1.2 測(cè)試平臺(tái)

為了測(cè)試末端操作器對(duì)漂浮目標(biāo)的抓握性能,研制了末端操作器抓握測(cè)試臺(tái)。抓握測(cè)試臺(tái)包括基于氣浮臺(tái)和六自由度模擬器的目標(biāo)系統(tǒng)以及基于手眼視覺的檢測(cè)系統(tǒng),如圖2、圖3所示。

圖2 六自由度目標(biāo)模擬器

圖3 操作器測(cè)試系統(tǒng)

目標(biāo)器安裝在模擬器上,模擬器放置在氣浮臺(tái)上,利用氣足和氣泵,目標(biāo)和模擬器在氣浮臺(tái)上處于近似無摩擦的情況下獲得水平方向的二維平動(dòng)以及一維的轉(zhuǎn)動(dòng);利用模擬器可以實(shí)現(xiàn)豎直方向平動(dòng)、水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的3個(gè)方向的自由漂浮狀態(tài)。

為了檢驗(yàn)抓握效果,在末端操作器和固定基座之間裝有六維力/力矩傳感器(型號(hào)為 JR3)。JR3傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)3個(gè)沿著軸向的力Fx、Fy、F z和 3 個(gè)繞著軸向的力矩 M x、My、Mz,將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線連接到PC機(jī)上,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)力/力矩的同時(shí)檢測(cè)與處理。如圖3所示,六自由度模擬器攜帶目標(biāo)器放置于氣浮臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)六自由度漂浮狀態(tài)。操作器通過傳感器和安裝板與立柱固定在一起,相當(dāng)于操作器安裝在固定的機(jī)器人末端。此外在操作器內(nèi)部裝有電機(jī)電流、電機(jī)/手指角度傳感器,可以測(cè)得手指實(shí)際運(yùn)行速度。

在不同軌跡抓握過程中,由于對(duì)接和碰撞,操作器會(huì)受到目標(biāo)器的力和力矩影響,不同的抓握軌跡會(huì)有不同的力和力矩。因此,六維力/力矩傳感器可以記錄下整個(gè)抓握過程中操作器在不同方向所受的力和力矩。

2 抓握研究

2.1 抓握定位分析

機(jī)器人末端操作器的工作過程實(shí)質(zhì)上是和目標(biāo)器的對(duì)接過程。在對(duì)接過程中,由于手指和目標(biāo)器發(fā)生接觸而產(chǎn)生碰撞,所以有必要對(duì)幾種最為惡劣的情況進(jìn)行分析。

首先建立工具坐標(biāo)系,其中Y軸沿操作器主軸方向(亦即機(jī)器人末關(guān)節(jié)軸線方向),Z軸方向沿手指對(duì)稱面,和Y軸方向垂直,X軸是和Y、Z軸垂直的一個(gè)軸,根據(jù)右手法則確定其方向。

在末端操作器抓握過程中,目標(biāo)器接口在X軸方向位置發(fā)生偏移,如圖4a所示。由于手指對(duì)稱運(yùn)動(dòng),相向夾緊,目標(biāo)器會(huì)被手指推入中線位置,克服這個(gè)偏移。

目標(biāo)器接口沿X軸方向會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),如圖4b所示。這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)由于受到阻擋桿的阻礙,轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于90°,不會(huì)發(fā)生超越目標(biāo)器而不可抓握的情況。由于操作器手指和目標(biāo)器接口是線接觸,因此可以隨著目標(biāo)器的夾緊將目標(biāo)器擺正送入操作器V形槽中。

目標(biāo)器接口在Y軸方向位置會(huì)發(fā)生偏移,如圖4c所示。在Y軸方向發(fā)生位移,即在垂直于V形槽的方向靠近和離開手爪端面。由于手指會(huì)向中間均勻擠壓,目標(biāo)器把柄會(huì)被推入中間的V形槽中;而由于手指已經(jīng)將目標(biāo)器包絡(luò),目標(biāo)器無法向外逃逸,會(huì)隨著手指運(yùn)動(dòng)被包回來。因此,Y軸位移可以被克服。

目標(biāo)器接口沿Y軸方向會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),如圖4d所示。這種情況的抓握過程與在X軸方向發(fā)生位移相似。

目標(biāo)器接口在Z軸方向位置會(huì)發(fā)生偏移,如圖4e所示。Z軸方向位移,是由手指上的斜楔面克服的。在夾緊過程中,手指相對(duì)運(yùn)動(dòng)。單手指一側(cè)運(yùn)動(dòng)使目標(biāo)器無法逃逸,與之配合的雙手指一側(cè)楔形面會(huì)逐步插入支撐板之間。隨著斜楔插入量增大,目標(biāo)器被迫沿斜面改變位置,最終到達(dá)預(yù)定位置。

目標(biāo)器接口沿Z軸方向會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),如圖4f所示。這種情況和X方向轉(zhuǎn)動(dòng)相似,同樣是由于斜楔面插入目標(biāo)器后側(cè),逐漸限制目標(biāo)器Z方向位移造成的。由手指根部的限位柱推動(dòng)目標(biāo)器支架,克服這個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)粗定位,最后由目標(biāo)器的小平面和V形槽配合實(shí)現(xiàn)這一自由度的最終定位。

圖4 幾種典型的位姿偏移情況

上面所列的是6種基本位姿偏移,其他位姿偏移均可以視為以上幾種偏移的疊加。由此可知,針對(duì)各種情況的位姿偏移,手爪都具有大范圍的捕獲能力,并且利用目標(biāo)器接口的V形面、手爪系統(tǒng)的V形槽、雙手指的根部以及限位柱實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)器接口自由度的限位,獲得較高的定位精度。

2.2 操作器軌跡規(guī)劃

操作器捕獲目標(biāo)器的基本過程如圖5所示。首先形成對(duì)目標(biāo)器的閉合,用時(shí)Δt,這個(gè)時(shí)候操作器手指和目標(biāo)器并沒有接觸;然后操作器手指繼續(xù)運(yùn)動(dòng),完成對(duì)目標(biāo)器的鎖緊。當(dāng)閉合用時(shí) Δt為t1時(shí),平移偏差為±a p,角度偏差為 ±αp。

圖5 操作時(shí)間和目標(biāo)器位置關(guān)系

由圖5可見,操作器手指較快地完成閉合,即縮短包絡(luò)延時(shí)時(shí)間Δt,可以減小目標(biāo)器在空間中的偏移,更多地壓縮目標(biāo)器可能的漂移空間以防止出現(xiàn)較大的姿態(tài)改變;同時(shí),在捕獲時(shí)間不變的情況下縮短包絡(luò)時(shí)間就可以增加操作器手指鎖緊時(shí)間。也就是說,操作器手指盡可能快地閉合,可以提高捕獲成功率和可靠性。

因此,抓握時(shí)手爪的閉合角速度 ωc與鎖緊角速度 ωl應(yīng)滿足 ωl≤ωc。

對(duì)于鎖緊過程的軌跡規(guī)劃,可采用常用的4-3-4規(guī)劃法。操作器有下面三段軌跡：第一段為從初始點(diǎn)到提升點(diǎn)的軌跡,用四次多項(xiàng)式表示;第二段(或中間段)為從提升點(diǎn)到下放點(diǎn)的軌跡,用三次多項(xiàng)式表示;第三段為從下放點(diǎn)到終止點(diǎn)的軌跡,由四次多項(xiàng)式表示。

已知初始點(diǎn)、提升點(diǎn)、下放點(diǎn)、終止點(diǎn)的位置、速度 、加速度分別為,給定以下條件這里 τi t、τi f分別表示第 i點(diǎn)起始時(shí)間、期望終止時(shí)間。

此時(shí),可得手爪從閉合狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到鎖緊狀態(tài)的過程中角位移和角速度變化曲線,如圖6和圖7所示。

圖6 角位移變化曲線

圖7 角速度變化曲線

3 試驗(yàn)與分析

利用研制的測(cè)試平臺(tái)對(duì)機(jī)器人末端操作器進(jìn)行了試驗(yàn)分析和研究。根據(jù)上述分析結(jié)果,改變手指運(yùn)行速度,可以實(shí)現(xiàn)不同的軌跡規(guī)劃。

針對(duì)相同的目標(biāo)器位姿采用不同的軌跡規(guī)劃下,手爪和目標(biāo)器會(huì)有不同的碰撞效果,即對(duì)基座有不同的作用力和力矩。在試驗(yàn)中,我們選取了不同的鎖緊時(shí)間對(duì)力/力矩進(jìn)行測(cè)試及分析,試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)鎖緊時(shí)間tl數(shù)值越小時(shí),操作器受到的瞬時(shí)力/力矩值也越大,即在抓握過程中的碰撞力更大。因?yàn)殒i緊時(shí)間越短,所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速越高,手指對(duì)目標(biāo)器的沖量越大。同時(shí),更短的鎖緊時(shí)間,縮短了碰撞到鎖緊的時(shí)間,減小了目標(biāo)器在殘余速度、角速度影響下的可達(dá)空間,在一定程度上改善了最終鎖緊的效果。

4 結(jié)論

(1)研制的機(jī)器人末端操作器,可以用來協(xié)助機(jī)器人捕獲漂浮目標(biāo),不僅能夠拓展機(jī)器人的使用范圍,而且具有較好的捕獲性能。

(2)分析得到了目標(biāo)器偏差和時(shí)間的關(guān)系,可以通過調(diào)整抓握策略和時(shí)間分配,減小目標(biāo)器的位姿偏差。

(3)通過多次測(cè)試可知,合理的軌跡規(guī)劃可以使得末端操作器具有更好的抓握性能。

[1] 張福海,付宜利,王樹國.一種笛卡爾空間的自由漂浮空間機(jī)器人路徑規(guī)劃方法[J].機(jī)器人,2009,31(2)：187-192.

[2] Hirzinger G.Robotics Component Verification on ISS[C]//Proceedings of i-SAIRAS 2005-the 8th International Symposium on Artificial Intelligence,Robotics and Automation in Space.European Space Agency,2005：57-67.

[3] Robert J.Autonomous Capture of a Free-Floating Object Using a Predictive Approach[D].Montreal,Quebec,Canada：M cGill University,2008.

[4] 史國振,孫漢旭,賈慶軒,等.空間機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件仿真平臺(tái)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,44(12)：5-9.

[5] Su Jianbo,Xie Wenlong.Motion Planning and Coordination for Robot System Based on Represent Action Space[J].Transaction on Systems,Man,and Cybernetics,Part B：Cybernetics,2011,41(1)：248-259.

[6] Green A,Sasiadek JZ.Intelligent Tracking Control of a Free-flying Flexible Space Robot Manipulator[C]//Collection of Technical Papers-AIAA Guidance,Navigation,and Control Conference.Hilton Head,South Carolina,2007：132-156.