果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制

分类：论文范文 发表时间：2021-04-09 09:42

　　摘要：为了尽可能减小采摘机器人末端执行器在采摘过程中对果蔬的损伤，提出了一种基于广义比例积分（GPI,generalizedproportionalintegral）的抓取力矩控制方法。首先，对由电机驱动的末端执行器建立模型，推导出电机输入电压与负载力矩之间的数学关系；然后，利用积分重构器设计GPI力矩反馈控制器，将力偏差转化为电机的输入电压控制。该方法不需要对力矩跟踪误差进行求导计算，避免了求导所带来的系统延时和噪声问题。仿真和实物抓取试验结果表明，采用GPI的末端执行器力矩控制对跟定信号的跟踪误差达到10-3量级，具有良好的力矩跟踪能力，与传统PI（proportionalintegral）控制方法相比，其控制力矩和电机控制电压输出平稳，降低了末端执行器抓取时对果蔬的损伤，无损采摘效率达到90%，比PI控制的采摘完好率高出8个百分点，适合于对果蔬的柔顺抓取控制。该研究可为果蔬采摘机器人无损采摘提供参考。

　　关键词：机器人；模型；控制系统；末端执行器；广义比例积分；柔顺控制

　　0引言

　　果蔬采摘机器人是通过果蔬和末端执行器的手指之间作用力来实现果蔬的稳定夹持，但如果抓取力太大，容易损伤果蔬。相反，如果抓取力太小，则果蔬容易滑落。因此，在保证抓取稳定的前提下，如何有效避免末端执行器对果蔬的损伤，实现柔顺抓取，是末端执行器控制的研究重点[1-6]。力/位置混合控制和阻抗控制是目前较为广泛使用的2种主动柔顺控制方法[7-8]。Raibert等[9]在Mason的基础上提出了混合力/位置控制，基本思想是当末端执行器与环境发生接触，通过雅可比矩阵将笛卡儿空间任意方向的力和位置分配到各个关节控制器上，这种方法必须对环境约束精确建模，且计算复杂。Hogan[10]提出阻抗控制，基本思想是调整机器人末端刚度，使力和位置满足某种理想的动态关系。阻抗控制是通过调整参考位置间接地实现力控制，它的控制精度依赖于对环境的精确了解。王学林等[11-12]提出基于力外环的果蔬抓取控制策略，将控制算法的力偏差转换为末端执行器的速度控制，但该控制方法需要测量抓取时果蔬的瞬间变形量和瞬间变形速度，在实际测量时具有一定的误差。近年来，广义比例积分控制由于不需要对跟踪误差进行求导计算，能够避免求导带来的延时和噪声问题，同时，对系统模型不确定和参数变化具有较强的鲁棒性，因而被引入到抓取力准确跟踪控制中[13-17]。

　　1末端执行器模型建立

　　本文以安装在刚性机械手手臂顶端的两指末端执行器为研究对象，末端执行器采用由直流电机和减速齿轮组构成的舵机驱动的轻质灵活杆组成。由于两指末端执行器的结构完全对称，因此只需分析其中一只手指。

　　2反馈控制器设计

　　上述由电机和末端执行器合成建立的整体模型仅为考虑各组成部分为理想状态下的数学模型，但在温度、负载等外在条件的影响下，系统精确数学模型很难建立，采用传统控制方法很难实现力矩的精确跟踪控制，而广义比例积分控制对系统模型不确定和参数变化具有较强的鲁棒性。因此，本文将采用广义比例积分控制实现对采摘机器人末端执行器的抓取力准确跟踪控制。

　　3试验及结果

　　3.1仿真试验

　　自行研制的采摘机器人末端执行器为两手指勺型夹持器，参数如下：力传感器采用型号为Robotbase公司生产的FSR402的力敏电阻，相应的调理电路参见文献[28]，手指由小型舵机驱动，电机电枢电阻为R=1.5?，电机的转矩常数为Kt=0.9，电机反电势常数为Kb=0.7，电机黏滞摩擦系数为D=0.38，电机惯量为J=0.1kg·m2，转动刚度c=2N/rad，Ks=50，齿轮减速比n=50。根据以上数据，可以求出用于力矩控制的参数A·c=12N2/(V·kg)，B=8N·s/(kg·m)。代入式（23）求得开环控制输入为：

　　3.2抓取试验与结果分析

　　为验证所设计方法的有效性，分别采用所设计的广义比例积分控制和传统PI控制实现末端执行器对苹果、梨2种水果进行抓取操作试验。试验实物及现场见图9。

　　4结论

　　采摘机器人在抓取果蔬时，为避免损伤果蔬，对末端执行器抓取力的控制和跟踪具有较高要求。本文提出了基于广义比例积分的末端执行器柔顺抓取力矩控制，利用积分重构器设计了广义比例积分控制器，该控制方法不需要预估和计算力矩信号的有界导数，避免了求导所造成的系统噪声和误差，仿真试验显示其具有优良的力矩轨迹跟踪性能。而末端执行器对苹果和梨的多次抓取控制试验显示，采用所设计控制器可快速准确地完成采摘机器人末端执行器的抓取任务，其抓取完好率接近90%，优于传统的PI控制方法（82%）。从而验证了该控制方法的有效性和可行性，为实现果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺控制提供了参考。

　　[参考文献]

　　[1]徐丽明，张铁中.果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策[J].农业工程学报，2004，20(5)：38－42.XuLiming,ZhangTiezhong.Presentsituationoffruitandvegetableharvestingrobotanditskeyproblemsandmeasuresinapplication[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2004,20(5):38－42.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[2]HollingumJack.Robotinagriculture[J].IndustrialRobot,1999,26(6):438－445.

　　姬伟1,3，罗大伟1，李俊乐1，杨俊2，赵德安1,3

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