果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制

机器人抓取力控制

第30卷 第9期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.9

2014年 5月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2014 19

果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制

姬 伟1,3，罗大伟1，李俊乐1，杨 俊2，赵德安1,3

（1. 江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013；2. 东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室，南京210096；

3. 机械工业设施农业测控技术与装备重点实验室，镇江212013）

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, generalized proportional integral）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（proportional integral）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 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.09.003 中图分类号：TP24; S126 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-09-0019-08 姬 伟，罗大伟，李俊乐，等. 果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制[J]. 农业工程学报，2014，30(9)：19－26.

Ji Wei, Luo Dawei, Li Junle, et al. Compliance grasp force control for end-effector of fruit-vegetable picking robot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(9): 19－26. (in Chinese with English abstract)

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

收稿日期：2013-06-17 修订日期：2014-03-28

基金项目：江苏省博士后基金资助项目（1102110C）；东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室开放课题基金（MCCSE2013A03）；江苏省高校优势学科建设工程资助项目（苏政办发〔2011〕6号） 作者简介：姬 伟（1974－），男，四川绵阳人，副教授，博士，主要从事农业机器人、智能控制研究。镇江 江苏大学电气学院，212013。Email: jwhxb@http://doc.guandang.net

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]。

基于果蔬采摘机器人末端执行器柔顺抓取特点和要求[18-24]，本文提出一种基于广义比例积分的力矩控制方法。将末端执行器的动力学模型看作质点模型，分别对直流电机和末端执行器建模，进而得出末端执行器整体模型，在此基础上，使用力传感器测出的负载压力作为反馈量[25]，利用积分重构器设计广义比例积分力矩控制器，最后通过仿真和末端执行器抓取试验，验证该控制方法的有效性。

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

机器人抓取力控制

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农业工程学报 2014年

析其中一只手指。 1.1 电机模型

直流电机的动力学特性方程如式（1）～（6）所示[26-27]。

运动方程式：

D MM J M （1）

e

m

m

Coul

n

电机电磁转矩：

Me Kti （2） 基尔霍夫定律：

di

L Ri E um （3） dt

反电势：

（4） E K

bm

注：m为手指质量，kg；l为夹持器长度，m；c为转动刚度，N/rad；θt

为夹持器顶端的角位置，rad；θe为碰撞时接触面的角位置，rad。

Note: m is finger weight, kg; l is the length of gripper, m; c is the stiffness of rotate, N/rad; θt is the angular position of the tip arm, rad; θe is the equilibrium angular position of the impact surface, rad.

图1 末端执行器碰撞接触模型

Fig.1 Contact model with surface of end-effector

传动环节：

m n l，Mn

功率放大器：

Ml

（5） n

将负载力矩的补偿和环境刚度和环境阻尼考虑在内，可得出末端执行器抓取物体时的动力学方程[13]：

bl2 kl2 M （9） ml2

t

e

t

e

t

l

Ml c( l t) （10）

um Ksuc （6）

式中：J为电机转动惯量，kg·m2；D为电机黏滞摩

N·m；θm擦阻力系数；Mcoul为未知的库仑摩擦力矩，

为电机转动角度；θl为负载转角，rad；Me为电磁转矩，N·m；Mn为折算到电机端的负载转矩，N·m；Ml为实际负载转矩，N·m；Kt为电机的转矩常数；n为齿轮减速比；E为电机反电势，V；um为电机电枢电压，V；uc为控制电压，V；i为电枢电流，A；L为电机电感，H；R为电枢电阻， ；Kb为电机反电势常数；Ks为功率放大系数。通常多数场合L小到可以忽略不计，因此，如果令L=0，则由式（1）～（6）可得到：

Me

Kt

) （7） (um nKb l

R

t t e （11）

式中：c=3EI/l，EI为转动刚度系数；ke和be分别为环境刚度系数和环境阻尼系数；Δθt=θt θe，由于θe

， 和 分别为为常数，所以， ，

t

t

t

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