多指抓取的控制系统结构综述

多指抓取的控制系统结构浅析

摘要

多指灵巧手作为仿生学与机器人学结合的产物，具有人手的一些外形特征和功能。多指灵巧手是第4代机器人，通过模拟人类运动、感知、控制、能量、材料方面的仿生，实现模拟人手运动。多指灵巧手正在日益朝着具有柔顺灵巧的操作功能，具有力觉、触觉、视觉等智能化方向发展。要灵巧手完成特定的操作任务，必须对灵巧手进行抓取规划。灵巧手的抓取规划是把某个抓取任务分解成从初始状态到目的状态的手指的运动序列，然后通过运动规划把抓取规划得到的运动序列变成手指的理想运动轨迹。本文将研究一种模块化的灵巧操作控制系统，这是一个通用的开放式多指操作控制系统，并结合该系统中抓取规划和协调控制子系统的结构，提出一种时间-事件混合驱动的自主抓取策略。关键字：灵巧手，模块化，多指，抓取，控制

1多指抓取的控制系统结构概述

多指灵巧手可以看成满足一定约束关系的多个小机器人，对于多指手协调控制的研究，现在很多是按照多机器人协调控制的方法进行的。目前，多指操作控制的研究不能可靠地完成各种期望的灵巧操作任务，除了硬件因素以外，控制系统框架缺少统一的标准、灵活性和通用性，难于实现控制功能的扩展和实时操作任务的完成是一个主要因素。

本文将研究一种模块化的灵巧操作控制系统（modular control system architecture for dexterous manipulation，MoCoSADeM），这是一个通用的开放式多指操作控制系统，并结合MoCoSADeM 中抓取规划和协调控制子系统的结构，提出一种时间-事件混合驱动的自主抓取策略。

2灵巧操作控制系统

虽然多指手的协调控制方法很多，但是能够可靠地完成各种精细操作的实例很少，一个主要的制约因素是多指手控制系统框架缺乏统一的标准、通用性和灵活性，难于融合各种控制算法从而实现控制功能的扩展和完善。

针对这个问题，本章将首先介绍两种典型的多指手控制系统结构，然后提出模块化的灵巧操作控制系统（MoCoSADeM）。

2.1多指手控制结构综述

Murray利用人手的生物控制系统思想，将整个多指手的手的控制系统分为3个层次：单手指控制层、多手指协调层和物体运

动规划层。多手指协调层和物体运动规划层是模仿人的行为功能，实现规划、决策、学习以及任务的协调等；而单手指控制层是整个控制系统的执行层和基础，它根据协调层和任务规划层的控制命令实现手指目标位置和力的控制，这是决定多指手抓取和操作性能的关键。

秦志强和李泽湘等基于多指操作的瞬时运动学和速度/力控制提出了统一的灵巧操作控制系统框架（CoSAM2）。CoSAM2有3个主要功能：

(1)基于速度/力控制实现被抓取物体的运动轨迹跟踪。

(2)在物体抓取过程中能够改变抓取姿态。

(3)对抓取力进行最优化，以施加力约束和平衡外力作用。

CoSAM2具有模块化、层次化的结构特点，每个模块根据有关信息执行特定的功能。CoSAM2具有很好的灵活性和扩展性，通过模块的增加可以实现多种控制算法和功能。

2.2模块化的灵巧操作控制系统

借鉴CoSAM2的结构特点，提出一种基于多指操作位形运动学和位置/力混合控制的模块化的灵巧操作控制系统（MoCoSADeM），如图1所示。与CoSAM2相比，MoCoSADeM 具有以下几个突出的特点：

（1）完整地体现了灵巧操作多级多层的控制结构。MoCoSADeM包括抓取规划和协调控制、多指控制等两级子系统，在多指控制系统中包括手指的笛卡尔层、关节层和笛卡尔-

关节接口层3个层次，笛卡尔层和关节层包括位置控制模块、阻尼控制模块和力控制模块。

（2）基于位形空间进行多指协调控制系统中，基于多指操作的位形运动学进行协调运动规划，基于混合外力控制方法实现柔顺运动规划。与多指操作的瞬时运动学相比，位形运动学更加本质地反映了多指操作的运动特性，具有更大的适用范围。

（3）具有更好的开放性和灵活性。手指控制系统的笛卡尔层和关节层各提供了位置控制、阻抗控制和力控制3个功能模块，用户可以利用这些模块设计不同的手指控制算法，从而完善和扩展多指抓取系统的功能。

图 1 模块化的灵巧操作控制系统（MoCoSADeM）

2.3模块化的灵巧操作控制系统的组成

MoCoSADeM完整地体现了灵巧操作多级多层的控制结构，它包括抓取规划和协调控制、手指控制等两级子系统，在手指控

制系统中又包括手指的笛卡尔层、关节层和笛卡儿-关节接口层3个层次。

1.抓取规划和协调控制系统

抓取规划和协调控制系统根据任务要求进行物体运动和力的规划、多指手运动和力的规划以及多指手的柔顺运动规划，如图2所示。抓取规划和协调控制系统包括以下5个功能模块。

1）物体运动规划器

基于物体位姿传感器获得的物体位置信息G

ob d

F和物体力信息

G

ob ext

F，根据操作任务进行物体的运动规划，生成期望的物体位置

b t p和力G

ob d

F。期望的物体位置G

ob d

T输人到协调运动规划器，而期

望的物体力G

ob d

F输人到抓取力规划器。

图 2 抓取规划和协调控制系统

2）协调运动规划器

根据物体运动规划器生成的物体期望位置G

ob d

T抓取规划器生

成的接触点位置ob

oc

T、抓取系统的模型信息和传感信息（如触觉

等），基于多指操作的位形运动学计算每个手指的指尖位置，以指尖在手指基坐标系的位置向量b

p表示。

t

3）抓取力规划器

根据物体运动规划器生成的物体期望力b

F进行手指抓取力

t d

的优化，结合多指抓取的静力学，计算每个手指的期望指尖力，以相对于手指基坐标系的指尖期望力b

F来表示。

t d

4）柔顺运动规划器

柔顺运动规划器是抓取规划和协调控制子系统和手指控制子系统的接口，用户可以根据需要灵活地进行手指柔顺运动规划器的设计。根据协调运动规划器输出的期望指尖位置b

p、抓取力

t

规划器输出的期望指尖力b

F和力传感器测量得到的实际指尖力

t

b

F，基于混合外力控制策略实现手指的柔顺运动规划，产生每t

个手指的新的期望指尖位置，输出到手指位置控制器。

5）抓取规划器

根据操作任务产生物体接触点的位置，输出到协调运动规划器和抓取力规划器。

2.手指控制系统

在手指控制系统中包括手指的笛卡尔层、关节层和笛卡尔-关节接口层3个层次。在笛卡尔-关节接口层中，用户可以根据手指的运动学、静力学和动力学，灵活地进行手指笛卡尔层和关节层的接口设计。笛卡尔层和关节层为适应不同的操作任务，都包