一种基于扩张状态观测器的多指灵巧手导纳控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，更具体地，涉及一种基于扩张状态观测器的多指灵巧手导纳控制方法。

背景技术

目前应用于灵巧手的柔顺控制方法主要有力/位混合控制和阻抗控制。

力/位混合控制方法将位置和力的控制划分在不同的子空间，当灵巧手不与环境接触时，进行位置伺服控制；而当灵巧手与环境接触时，则切换到力控制模式。这种控制方式只能单独控制运动或控制力。然而，这种方法忽略了机器人与环境之间的动态耦合关系，因此无法准确的控制位置或力。

阻抗控制由力/位混合控制改进而来，其核心是调整被控对象的机械阻抗以得到期望的阻抗特性，进而建立被控对象位置和所受外力之间的动态关系。根据阻抗控制器的因果关系，可将其具体分为基于力的阻抗控制和基于位置的阻抗控制。基于力的阻抗控制，即阻抗控制。在阻抗控制中，控制器被设计为机械阻抗，其输入为位置信号，输出为力信号，此时被控对象接收控制器力信号的输入，输出位置。相反地，基于力的阻抗控制，即导纳控制。在导纳控制中，控制器被设计为机械导纳，其输入为力信号，输出为位置信号，此时被控对象接收控制器位置信号的输入，输出力。

不管是力/位混合控制还是阻抗控制，都需要对抓取力进行精确的检测。然而，目前几乎所有的灵巧手均采用指尖力传感器、关节力/力矩传感器实现抓取力和关节力的测量，增加了设计复杂度和制造成本。使用电机电流直接估计抓取力是一种低成本的力检测手段，但采集到的电流信号通常为关节摩擦力、动力学参数、外部接触力的集合，因此如何将只与抓取力有关的电流信号分离出来是目前亟需解决的难题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有灵巧手力检测过程存在机构设计复杂、制造成本高的问题，提供一种基于扩张状态观测器的抓取力估计方法，进而使用导纳控制方法实现灵巧手的柔顺操作，从而实现无力传感器情况下灵巧手对物体的稳定抓取。

本发明是通过下述技术方案来解决上述问题：

一种基于扩张状态观测器的导纳控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将灵巧手连杆动力学和摩擦部分视为干扰，在灵巧手自由运动状态下，使用扩张状态观测器对干扰实时估计，进而建立灵巧手干扰模型查询表，得出灵巧手自由状态下不同速度和角度所对应的干扰力矩；

步骤2：对比灵巧手抓取物体时与自由运动时的干扰力矩差值，计算对应抓取力矩；

步骤3：通过导纳控制器动态调节力和位置动态关系，实现灵巧手稳定抓取物体。

进一步地，所述步骤1包括：

1.1建立直流有刷电机的电枢回路的电压平衡方程，其表达式为：

其中，u

1.2建立直流电机转矩平衡方程，其表达为为：

其中，J为电机轴转动惯量；B为粘性摩擦系数；T

1.3建立直流电机运动方程，其表达式为：

1.4忽略粘性摩擦系数B的影响，联立式(1)～(3)可得到有刷直流电机的位置环稳态方程，其表达式为：

1.5令x

则位置环的二阶状态方程可表示为：

令z

其中z

进一步地，所述步骤2包括：

2.1将负载转矩和内部摩擦等统一视为干扰转矩，则当灵巧手抓取时干扰力矩观测值为：

2.2当灵巧手全程不抓取物体时，可用同样的方法观测出仅由负载和内部摩擦引起的转矩

其中，Terror为转矩误差阈值。

本发明的技术构思为：针对现有多指灵巧手使用外部传感器估计接触力造设计负载、力控成本高等问题，本发明采用扩张状态观测器来估计多指灵巧手在抓取和自由运动两种状态下的干扰力矩，以两者差值为依据判定物体的抓握状态，并通过导纳控制动态调节力和未知的耦合关系，从而实现对物体的稳定抓取。

本发明的有效效果为：本发明基于扩张状态观测器实现了无传感器下多指灵巧手对外部接触力的精确检测，并结合导纳控制方法实现对物体的稳定抓取，有效的降低了多指灵巧手的设计复杂度和力控成本。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为状态扩张观测器观测到的干扰力矩曲线；

图3为状态扩张观测器的观测误差曲线；

图4为灵巧手手指速度、角度与干扰力矩的关系曲面图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围

一种基于扩张状态观测器的导纳控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将灵巧手连杆动力学和摩擦部分视为干扰，在灵巧手自由运动状态下，使用扩张状态观测器对干扰实时估计，进而建立灵巧手干扰模型查询表，得出灵巧手自由状态下不同速度和角度所对应的干扰力矩；

步骤2：对比灵巧手抓取物体时与自由运动时的干扰力矩差值，计算对应接触力矩；

步骤3：通过导纳控制器动态调节力和位置动态关系，实现灵巧手稳定抓取物体。

进一步地，所述步骤1包括：

1.1建立直流有刷电机的电枢回路的电压平衡方程，其表达式为：

其中，u

1.2建立直流电机转矩平衡方程，其表达为为：

其中，J为电机轴转动惯量；B为粘性摩擦系数；T

1.3建立直流电机运动方程，其表达式为：

1.4忽略粘性摩擦系数B的影响，联立式(1)～(3)可得到有刷直流电机的位置环稳态方程，其表达式为：

1.5令x

则位置环的二阶状态方程可表示为：

令z

其中z

进一步地，所述步骤2包括：

2.1将负载转矩和内部摩擦等统一视为干扰转矩，则当灵巧手抓取时干扰力矩观测值为：

2.2当灵巧手全程不抓取物体时，可用同样的方法观测出仅由负载和内部摩擦引起的转矩

其中，Terror为转矩误差阈值。

为验证本发明的有效性和优越性，本发明以MATLAB为仿真平台，通过具体实例对算法进行实验验证。为测试扩张状态观测器对干扰转矩的估计精度，在MATLAB中给定电机一组已知的负载转矩，通过扩张状态观测器测量其观测效果，如图2所示。可以看到观测力矩能够观测实际力矩变化。实际转矩与观测转矩的误差由图3所示，干扰观测误差最高为Terror＝18mNm，表明所设计的干扰观测器能够实现对干扰的准确估计。

在进行抓取力估计之前，需要对灵巧手参考转矩进行测量。通过设定灵巧手在不同速度下运动，得到干扰转矩的观测值，如果灵巧手全程在无障碍环境下手运行，不进行物体抓取，则得到的干扰转矩可作为灵巧手运动的参考转矩。

具体实施手段为：首先，设定灵巧手手指电机以恒定速度运行，从完全张开运动到完全闭合，记录该速度下手指运动位置与观测器测得的参考转矩曲线。接着，从500rpm-5000rpm，每隔100rpm记录一次上述曲线。然后，将不同速度下的位置转矩曲线拟合成一个三维曲面，如图4所示，该曲面X、Y轴分别对应为电机的观测速度和手指的运动角度，Z轴为无障碍下的干扰转矩观测值即参考转矩。最后，在三维曲面中等间隔的取离散点，将曲面形式替换为一个二维查询表，查询表的输入为电机的速度v和角度θ(以脉冲表示)，输出为参考转矩，表示为

当灵巧手抓取到物体后，其干扰转矩的观测值将呈现明显的差异，从而可实现接触检测，根据抓取前后的干扰转矩差值，实现抓取力估计。