機(jī)器人多指手抓取規(guī)劃算法研究.pdf

1、多指靈巧手作為機(jī)器人與環(huán)境相互作用的執(zhí)行部件，通過從結(jié)構(gòu)和功能上模仿人類的手以實(shí)現(xiàn)不同形狀物體的穩(wěn)定抓取和靈巧操作，在過去的近三十年來引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。自由度的增加和抓取方式的多樣性使得抓取規(guī)劃變得復(fù)雜。本文對機(jī)器人多指手抓取規(guī)劃問題進(jìn)行了深入的分析和研究，并設(shè)計(jì)和研制出采用形狀記憶合金驅(qū)動的新型多指靈巧手樣機(jī)。
　　 本文的主要研究成果如下:
　　 (1)提出了一種多邊形物體帶摩擦抓取的最優(yōu)規(guī)劃算法加工工件被

2、限制在工作臺平面運(yùn)動時，可以當(dāng)二維物體處理?？紤]n指抓取多邊形物體的情況，提出了一種求解滿足力封閉條件的非線性規(guī)劃算法。在定義各方向上手指能平衡的最大外力螺旋作為優(yōu)化指標(biāo)后，詳細(xì)分析了原始力螺旋集合的特點(diǎn)和優(yōu)化指標(biāo)在力螺旋空間中的幾何意義和物理意義。最后給出了一種在初始抓取位置不斷向最優(yōu)方向改進(jìn)抓取性能的迭代算法，該算法能以較少的迭代步驟收斂到較優(yōu)的抓取位置，減少了優(yōu)化算法運(yùn)行時間。
　　 (2)改進(jìn)了射線法在抓取性能評價中的應(yīng)

3、用在抓取性能評價中需要采用射線法(ray-shooting)來計(jì)算從原點(diǎn)出發(fā)沿某方向的射線與接觸力螺旋集合凸包邊界的交點(diǎn)。這樣通過支撐映射(supportmapping)來讀取抓取力螺旋空間的幾何形狀，不需要線性化摩擦錐，并可提高計(jì)算速度。本文解決了在實(shí)際應(yīng)用中怎樣判斷原點(diǎn)是否處于接觸力螺旋集合凸包內(nèi)部，迭代過程怎么處理奇異情況等問題。并且提出了采用搜索樹結(jié)構(gòu)和短路技術(shù)(short-circuiting technique)來進(jìn)一步加快

4、抓取性能評價算法的計(jì)算速度。
　　 (3)提出了新的抓取性能評價方法并使用到多面體的最優(yōu)抓取規(guī)劃上在每個接觸點(diǎn)的法向分量都小于1的假設(shè)下，本文提出了一種基于抗擾動能力的抓取性能評價方法。該評價方法不僅克服了其它方法在力螺旋空間中單位的不一致性且與物體坐標(biāo)系的選取和與被抓取物體大小相關(guān)的缺陷，而且包含了被抓取物體的幾何信息，并能在三維物體抓取時可視化顯示。然后將其使用到三維多面體的最優(yōu)抓取位置規(guī)劃問題上，推導(dǎo)出抓取性能改進(jìn)的必要條

5、件。在滿足單位力封閉的初始抓取位形上，提出了一種在多面體給定接觸面上搜索局部最優(yōu)抓取位置的迭代算法。
　　 (4)提出了一種最穩(wěn)定抓取的快速動態(tài)力分配算法被抓取物體在受到隨時間變化的外力螺旋作用時，需要手指在接觸點(diǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的作用力抵消外力螺旋以保持平衡。為快速求解分配到各個手指的力以獲得最穩(wěn)定的抓取，本文將動態(tài)力分配算法分為離線和在線兩個階段，大部分計(jì)算在離線階段完成以加快在線計(jì)算速度。在離線階段使用區(qū)域三角剖分(ZoneTri

6、angulation)將原始接觸力螺旋集合的凸包內(nèi)部空間劃分為許多個非奇異的單純形，并記錄下每個單純形的鄰接單純形。于是在在線階段，只需要尋找到所需合力螺旋所在的單純形后，通過該單純形頂點(diǎn)對應(yīng)的原始接觸力即可快速計(jì)算出最優(yōu)分配力。該算法不僅運(yùn)行速度快，并且得到的解十分接近最優(yōu)解。
　　 (5)采用六維力/力矩傳感器實(shí)現(xiàn)形狀未知物體的抓取形狀未知物體的抓取規(guī)劃是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。本文在三只機(jī)械臂末端安裝上六維力/力矩傳感器

7、搭建出三指抓取系統(tǒng)，與前人基于機(jī)器視覺的抓取規(guī)劃不同，該抓取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要重構(gòu)被抓取物體的幾何模型。當(dāng)機(jī)械臂末端和物體有接觸力產(chǎn)生時，通過傳感器信息即可估算出接觸點(diǎn)的位置及對應(yīng)的法向量方向。于是機(jī)械手不僅可以當(dāng)作執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)抓取;而且也可作為傳感器，通過觸覺來探索環(huán)境信息，獲取被抓取物體的幾何信息后搜尋滿足力封閉的抓取位置。
　　 (6)開發(fā)出形狀記憶合金驅(qū)動的三指靈巧手采用人工肌肉作為驅(qū)動器已成為多指靈巧手發(fā)展的潮流。形

8、狀記憶合金(SMA)是一種具有形狀記憶效應(yīng)的特殊金屬材料，本身體積很小，可以集傳感、驅(qū)動、傳動于一體，是一種很有潛力的人工肌肉材料。本文將形狀記憶合金內(nèi)置到手指和手掌中開發(fā)出緊湊的三指9自由度靈巧手ZJUHand。目前國內(nèi)研制的靈巧手還沒有使用SMA作為驅(qū)動器的先例，ZJUHand的研究填補(bǔ)了國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的空白。相比于國外SMA驅(qū)動的靈巧手，ZJUHand具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合安裝到機(jī)械臂末端實(shí)現(xiàn)較輕負(fù)載的精