一種機器人末端操作器的抓握研究

朱映遠 倪風雷

哈爾濱工業(yè)大學,哈爾濱,150001

0 引言

隨著人類空間活動的不斷發(fā)展,以及航天飛機、宇宙飛船和空間站的建立,大量的空間生產、空間加工、空間裝配、空間維護和修理需要完成。由于空間環(huán)境的特殊性,利用機器人以及配置在機器人末端執(zhí)行任務的操作器可以大大減小宇航員從事危險工作的代價和成本[1]。這種特殊工況對機器人末端操作器提出了更高要求,即不僅要有更大的捕獲空間、更小的質量,還要能夠對漂浮目標實現對接或抓握。目前,典型的空間機器人末端操作器有歐洲航天局的 ROTEX、NASDA的ETS-VII以及德國的ROKVISS[2-5]。空間捕獲或對接過程中,相互作用力是一個研究難點,過大的碰撞力或碰撞力矩會使機器人或目標器發(fā)生較大翻轉或偏移,造成事故[6]。因此減小碰撞力和力矩是空間捕獲的一個重要研究內容。筆者研制了一種末端操作器并建立了漂浮目標模擬平臺,對研制的末端操作器進行了捕獲測試,利用六維力/力矩傳感器對不同軌跡規(guī)劃進行了試驗,通過六維力/力矩傳感器測量了軌跡不同時捕獲對基座的作用力和力矩。

1 系統(tǒng)研制

1.1 末端操作器

以往的機器人末端操作器面對的目標一般為固定目標,而本次研究的操作器則是可以對處于漂浮狀態(tài)的目標(即具有六維自由狀態(tài)的目標)進行捕獲抓握的特殊操作器。

末端操作器的構型選擇蝸輪蝸桿傳動的三指形手爪,該結構具有結構緊湊、自鎖能力強的特點。采用單蝸桿帶動對稱布置的雙蝸輪結構,使得蝸輪以及連接在蝸輪上的手指獲得對稱轉動,由V形槽、手指等捕獲定位機構對目標進行精確抓握和定位,如圖1所示。

圖1 末端操作器原理圖

工作過程中,操作器隨機器人運動接近目標接口,當接口進入抓握位置時,由蝸桿驅動蝸輪和手指,手指運動推動目標接口依序完成閉合和鎖緊動作,直至將目標接口壓入V形槽,結束捕獲過程。V形槽對目標器產生4個約束。手指采用斜楔形結構,插入目標器后部,產生1個約束。

1.2 測試平臺

為了測試末端操作器對漂浮目標的抓握性能,研制了末端操作器抓握測試臺。抓握測試臺包括基于氣浮臺和六自由度模擬器的目標系統(tǒng)以及基于手眼視覺的檢測系統(tǒng),如圖2、圖3所示。

圖2 六自由度目標模擬器

圖3 操作器測試系統(tǒng)

目標器安裝在模擬器上,模擬器放置在氣浮臺上,利用氣足和氣泵,目標和模擬器在氣浮臺上處于近似無摩擦的情況下獲得水平方向的二維平動以及一維的轉動;利用模擬器可以實現豎直方向平動、水平方向轉動的3個方向的自由漂浮狀態(tài)。

為了檢驗抓握效果,在末端操作器和固定基座之間裝有六維力/力矩傳感器(型號為 JR3)。JR3傳感器可以實時檢測3個沿著軸向的力Fx、Fy、F z和 3 個繞著軸向的力矩 M x、My、Mz,將采集到的數據通過數據線連接到PC機上,從而實現了對力/力矩的同時檢測與處理。如圖3所示,六自由度模擬器攜帶目標器放置于氣浮臺上,實現六自由度漂浮狀態(tài)。操作器通過傳感器和安裝板與立柱固定在一起,相當于操作器安裝在固定的機器人末端。此外在操作器內部裝有電機電流、電機/手指角度傳感器,可以測得手指實際運行速度。

在不同軌跡抓握過程中,由于對接和碰撞,操作器會受到目標器的力和力矩影響,不同的抓握軌跡會有不同的力和力矩。因此,六維力/力矩傳感器可以記錄下整個抓握過程中操作器在不同方向所受的力和力矩。

2 抓握研究

2.1 抓握定位分析

機器人末端操作器的工作過程實質上是和目標器的對接過程。在對接過程中,由于手指和目標器發(fā)生接觸而產生碰撞,所以有必要對幾種最為惡劣的情況進行分析。

首先建立工具坐標系,其中Y軸沿操作器主軸方向(亦即機器人末關節(jié)軸線方向),Z軸方向沿手指對稱面,和Y軸方向垂直,X軸是和Y、Z軸垂直的一個軸,根據右手法則確定其方向。

在末端操作器抓握過程中,目標器接口在X軸方向位置發(fā)生偏移,如圖4a所示。由于手指對稱運動,相向夾緊,目標器會被手指推入中線位置,克服這個偏移。

目標器接口沿X軸方向會發(fā)生轉動,如圖4b所示。這個轉動由于受到阻擋桿的阻礙,轉動角度小于90°,不會發(fā)生超越目標器而不可抓握的情況。由于操作器手指和目標器接口是線接觸,因此可以隨著目標器的夾緊將目標器擺正送入操作器V形槽中。

目標器接口在Y軸方向位置會發(fā)生偏移,如圖4c所示。在Y軸方向發(fā)生位移,即在垂直于V形槽的方向靠近和離開手爪端面。由于手指會向中間均勻擠壓,目標器把柄會被推入中間的V形槽中;而由于手指已經將目標器包絡,目標器無法向外逃逸,會隨著手指運動被包回來。因此,Y軸位移可以被克服。

目標器接口沿Y軸方向會發(fā)生轉動,如圖4d所示。這種情況的抓握過程與在X軸方向發(fā)生位移相似。

目標器接口在Z軸方向位置會發(fā)生偏移,如圖4e所示。Z軸方向位移,是由手指上的斜楔面克服的。在夾緊過程中,手指相對運動。單手指一側運動使目標器無法逃逸,與之配合的雙手指一側楔形面會逐步插入支撐板之間。隨著斜楔插入量增大,目標器被迫沿斜面改變位置,最終到達預定位置。

目標器接口沿Z軸方向會發(fā)生轉動,如圖4f所示。這種情況和X方向轉動相似,同樣是由于斜楔面插入目標器后側,逐漸限制目標器Z方向位移造成的。由手指根部的限位柱推動目標器支架,克服這個自由度實現粗定位,最后由目標器的小平面和V形槽配合實現這一自由度的最終定位。

圖4 幾種典型的位姿偏移情況

上面所列的是6種基本位姿偏移,其他位姿偏移均可以視為以上幾種偏移的疊加。由此可知,針對各種情況的位姿偏移,手爪都具有大范圍的捕獲能力,并且利用目標器接口的V形面、手爪系統(tǒng)的V形槽、雙手指的根部以及限位柱實現了對目標器接口自由度的限位,獲得較高的定位精度。

2.2 操作器軌跡規(guī)劃

操作器捕獲目標器的基本過程如圖5所示。首先形成對目標器的閉合,用時Δt,這個時候操作器手指和目標器并沒有接觸;然后操作器手指繼續(xù)運動,完成對目標器的鎖緊。當閉合用時 Δt為t1時,平移偏差為±a p,角度偏差為 ±αp。

圖5 操作時間和目標器位置關系

由圖5可見,操作器手指較快地完成閉合,即縮短包絡延時時間Δt,可以減小目標器在空間中的偏移,更多地壓縮目標器可能的漂移空間以防止出現較大的姿態(tài)改變;同時,在捕獲時間不變的情況下縮短包絡時間就可以增加操作器手指鎖緊時間。也就是說,操作器手指盡可能快地閉合,可以提高捕獲成功率和可靠性。

因此,抓握時手爪的閉合角速度 ωc與鎖緊角速度 ωl應滿足 ωl≤ωc。

對于鎖緊過程的軌跡規(guī)劃,可采用常用的4-3-4規(guī)劃法。操作器有下面三段軌跡：第一段為從初始點到提升點的軌跡,用四次多項式表示;第二段(或中間段)為從提升點到下放點的軌跡,用三次多項式表示;第三段為從下放點到終止點的軌跡,由四次多項式表示。

已知初始點、提升點、下放點、終止點的位置、速度 、加速度分別為,給定以下條件這里 τi t、τi f分別表示第 i點起始時間、期望終止時間。

此時,可得手爪從閉合狀態(tài)運動到鎖緊狀態(tài)的過程中角位移和角速度變化曲線,如圖6和圖7所示。

圖6 角位移變化曲線

圖7 角速度變化曲線

3 試驗與分析

利用研制的測試平臺對機器人末端操作器進行了試驗分析和研究。根據上述分析結果,改變手指運行速度,可以實現不同的軌跡規(guī)劃。

針對相同的目標器位姿采用不同的軌跡規(guī)劃下,手爪和目標器會有不同的碰撞效果,即對基座有不同的作用力和力矩。在試驗中,我們選取了不同的鎖緊時間對力/力矩進行測試及分析,試驗結果表明,當鎖緊時間tl數值越小時,操作器受到的瞬時力/力矩值也越大,即在抓握過程中的碰撞力更大。因為鎖緊時間越短,所需要的電機轉速越高,手指對目標器的沖量越大。同時,更短的鎖緊時間,縮短了碰撞到鎖緊的時間,減小了目標器在殘余速度、角速度影響下的可達空間,在一定程度上改善了最終鎖緊的效果。

4 結論

(1)研制的機器人末端操作器,可以用來協助機器人捕獲漂浮目標,不僅能夠拓展機器人的使用范圍,而且具有較好的捕獲性能。

(2)分析得到了目標器偏差和時間的關系,可以通過調整抓握策略和時間分配,減小目標器的位姿偏差。

(3)通過多次測試可知,合理的軌跡規(guī)劃可以使得末端操作器具有更好的抓握性能。

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