面向任務(wù)的機器人靈巧手控制系統(tǒng)及多指空間協(xié)調(diào)阻抗控制

陳兆芃，金明河，樊紹巍，劉伊威，吳克，姜力，劉宏

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001;2.德國宇航中心機器人與系統(tǒng)動力學(xué)研究所，慕尼黑 韋斯林82230)

為實現(xiàn)仿人機器人在太空和服務(wù)等不同環(huán)境中的精細操作任務(wù)，機器人靈巧手不僅需要與人相仿的多自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計，還需要穩(wěn)定快速的控制系統(tǒng)，從而基于多傳感器系統(tǒng)對目標(biāo)和環(huán)境做出正確迅速的反應(yīng)以完成操作任務(wù).

作為典型的機電一體化系統(tǒng)，機器人靈巧手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很大程度受到其硬件結(jié)構(gòu)的影響.外置式靈巧手多采用集中式控制系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)處理，驅(qū)動器和控制器都在外置處理器上集中完成[1-2];內(nèi)置式靈巧手控制系統(tǒng)則多采用分層式結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)處理和驅(qū)動器均在各手指關(guān)節(jié)處就近處理，以實現(xiàn)集成化和內(nèi)置化的目標(biāo)，并減少數(shù)據(jù)傳輸和中央處理器計算負擔(dān)[3-4].機器人靈巧手作為仿人機器人最為重要的組成部分之一，其控制系統(tǒng)需要能夠保證靈巧手本身的高速實時數(shù)據(jù)采集和控制，同時還需要與仿人機器人控制系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，從而真正實現(xiàn)聯(lián)合臂-手-視覺的機器人仿人控制.

DLR/HIT II多指機器人靈巧手采用內(nèi)置式設(shè)計[5]，具有15個自由度和近百個各類傳感器，其控制周期達5 kHz.傳統(tǒng)的分層式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)其多傳感器和高集成度的特點，但缺乏與仿人機器人相融合從而實現(xiàn)仿人操作的能力;而目前的仿人機器人操作平臺，如 MCA[6]，OROCOS[7]和 ORCA[8]等，由于缺乏與硬件結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合，從而無法滿足機器人靈巧手的硬實時(5 kHz)要求.因此面向仿人操作任務(wù)的機器人靈巧手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制平臺的實現(xiàn)是DLR/HIT II機器人靈巧手完成仿人靈巧操作任務(wù)的關(guān)鍵和難點.

由于機器人靈巧手的復(fù)雜性和被抓取物體的多樣性給靈巧手抓取規(guī)劃帶來了很大的計算量，目前尚很難實現(xiàn)實時抓取規(guī)劃.因此如何降低抓取規(guī)劃的復(fù)雜性成為抓取規(guī)劃領(lǐng)域的熱點和難點.基于對人手的抓取模式研究[9]，Eigengrasp 等[10]和 Postural synergies等[11]將靈巧手的高自由度(12～20)降低為2～5個自由度，稱之為 principal components(Eigengrasp)或 synergies(postrual synergies)，從而降低了抓取規(guī)劃的復(fù)雜性.然而以上研究的前者主要從機器人智能規(guī)劃的角度進行分析，屬于離線規(guī)劃，不具備實時控制性;后者重于分析基于synergies的抓取過程中運動和抓取內(nèi)力的控制及如何保證抓取穩(wěn)定性，synergies由各關(guān)節(jié)的簡單耦合實現(xiàn)，在減少輸入控制量的同時也降低了靈巧手的靈活性，沒有充分利用靈巧手的高自由度特性，并缺乏柔順性，僅獲得模擬結(jié)果.

靈巧手同步協(xié)調(diào)控制[12]實現(xiàn)了DLR/HIT II靈巧手各手指基關(guān)節(jié)的同步控制，但缺乏對手指指尖關(guān)節(jié)的控制，因而無法進行精確的抓取操作.結(jié)合指尖6維力矩傳感器，并基于機器人臂空間6維虛擬彈簧的阻抗柔順控制思想[13-14]，四指靈巧手空間阻抗控制被應(yīng)用于DLR II 4指靈巧手上[15-16]，但缺乏任意n指靈巧手的空間協(xié)調(diào)阻抗控制能力.

1 仿人靈巧手實時控制平臺

1.1 DLR/HIT II靈巧手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于集中控制和分層數(shù)據(jù)處理的思想，DLR/HIT II多指機器人靈巧手控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由三層構(gòu)成，所有的運動和力的控制，傳感器數(shù)據(jù)采集、處理以及數(shù)據(jù)傳輸都在實時環(huán)境下完成.

1)驅(qū)動控制層:由手指DSP和基關(guān)節(jié)FPGA實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、處理及電機驅(qū)動;其中FPGA用硬件描述語言(VHDL)直接進行電機驅(qū)動，并構(gòu)成多種通信接口;DSP處理器集數(shù)字和模擬信號器，以及電機驅(qū)動模塊為一體.DSP/FPGA驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)在減小控制器復(fù)雜程度和占用空間的同時，提高了電機驅(qū)動性能，以及數(shù)據(jù)的處理和通信速度[13].

2)通訊及嵌入式控制層:由手掌FPGA和DSP/PCI控制卡構(gòu)成，完成傳感器數(shù)據(jù)信號傳輸和預(yù)處理，并且為驅(qū)動控制層分配控制信號;實現(xiàn)靈巧手與實時控制層的多種實時和非實時通信方式，以滿足靈巧手在不同應(yīng)用環(huán)境中的使用;同時在一些特定情況下能夠獨立完成靈巧手的控制任務(wù)，比如受空間和重量要求無法攜帶QNX PC.

3)實時系統(tǒng)控制層:基于Matlab/Simulink完成關(guān)節(jié)空間、笛卡爾空間以及物體空間的控制器設(shè)計，在實時系統(tǒng)QNX或者VxWorks中運行.

在DLR/HIT II 5指靈巧手的控制過程中，任務(wù)規(guī)劃計算所得出的手指最佳抓取點和抓取力由多點非實時通信模塊傳輸?shù)綄崟r控制層，根據(jù)要求的控制方式和控制目標(biāo)實時計算出靈巧手手指各關(guān)節(jié)的驅(qū)動信號，然后通過實時通信系統(tǒng)經(jīng)由嵌入式通信與控制層，將驅(qū)動信號傳輸?shù)津?qū)動控制層，由手指FPGA和DSP驅(qū)動控制電機，從而完成靈巧手的各個關(guān)節(jié)的期望控制目標(biāo).控制和通信周期為200 μs.靈巧手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2 實時控制系統(tǒng)層

由于機器人靈巧手在硬件結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，其軟件操作平臺需要能夠充分發(fā)揮硬件系統(tǒng)的硬實時計算能力，同時協(xié)調(diào)實時子系統(tǒng)和非實時子系統(tǒng)完成任務(wù);而且還需要能夠支持從模型建立到控制應(yīng)用的快速開發(fā)過程，以適應(yīng)飛速發(fā)展的控制理論和硬件系統(tǒng)，以及不同領(lǐng)域研究的融合.

相比較于傳統(tǒng)編程的控制器設(shè)計方式，Simulink的圖形化建模和豐富的應(yīng)用庫使得設(shè)計過程更為便捷，可維護性和可讀性更高，這也使得不同研究領(lǐng)域、不同功能模塊之間的集成更易于操作.不同的程序語言可以通過S-function的方式在Simulink中同時使用，為在Matlab/Simulink中開發(fā)硬件相關(guān)的驅(qū)動和通信程序提供了很大的便利.利用Simulink的擴展工具箱RTW(real time workshop)，基于Simulink的控制器模塊可以自動生成可執(zhí)行代碼在實時系統(tǒng)中直接運行.

圖1 DLR/HIT II機器人靈巧手控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware architecture of control system for the dexterous robot hand DLR/HIT Hand II

為了保證靈巧手實時操作平臺的硬實時性及魯棒性，采用了QNX作為運行控制器的實時內(nèi)核.Simulink的RTW工具箱并不支持QNX實時操作系統(tǒng)的自動編譯和代碼生成，因此在一般實時目標(biāo)語言編譯器grt.tlc的基礎(chǔ)之上編寫了可以滿足靈巧手實時平臺要求的目標(biāo)語言編譯器.

為保證系統(tǒng)的硬實時性，采用了基于FPGA并滿足LVDS標(biāo)準(zhǔn)的高速串行實時通信協(xié)議.Simulink-QNX軟件平臺包括以下模塊:1)目標(biāo)語言編譯器，用于Simulink模型代碼自動生成;2)靈巧手應(yīng)用層接口API，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用函數(shù)定義;3)實時通信接口驅(qū)動程序和S-function接口.通過以上3個軟件模塊，實現(xiàn)了MATLAB/Simulink-QNX和靈巧手系統(tǒng)的無縫連接，并滿足靈巧手控制系統(tǒng)硬實時性的要求.

1.3 分布式網(wǎng)絡(luò)連接

將各個獨立的實時控制模塊(機器人手、臂控制器)和非實時控制模塊(機器視覺、運動規(guī)劃和用戶界面)連接在一起，是實現(xiàn)復(fù)雜機電一體化控制結(jié)構(gòu)的另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié).采用基于分布式思想網(wǎng)絡(luò)連接方式，從而實現(xiàn)靈巧手實時控制平臺在整個仿人機器人環(huán)境中的集成和應(yīng)用.這種分布式網(wǎng)絡(luò)連接主要包括以下3個部分:1)接口函數(shù)庫:獨立模塊輸入輸出接口的實現(xiàn)基于此接口函數(shù)庫，這使得整個實現(xiàn)過程易于操作和控制;2)通信接口可執(zhí)行程序:用以支持不同PC之間，不同系統(tǒng)系統(tǒng)間的通信連接，包括 QNX，VxWorks，Linux和 Windows;3)Simulink接口模塊:用以支持Simulink模塊之間以及其它模塊與Simulink模塊之間的通信連接.

通信模塊數(shù)據(jù)接口大小和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)根據(jù)具體通信任務(wù)在編譯期間確定.接口之間的匹配連接通過接口名和端口號確定，當(dāng)兩接口具有相同的接口名或端口號時，通信網(wǎng)絡(luò)接口開始建立.分布式通信接口可以基于UDP傳輸，也可擴展應(yīng)用于Ethercat等實時通信接口.在QNX實時系統(tǒng)中，通過分離網(wǎng)絡(luò)堆棧和設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級，可以達到1 kHz的實時通信.

在不同PC上建立2個相對應(yīng)的分布式通信模塊，可以實現(xiàn)在不同PC之間，不同系統(tǒng)(實時或非實時)之間的通信連接，如圖2所示.由于分布式通信模塊及其接口函數(shù)的內(nèi)置性，基于Matlab/Simulink-QNX實時平臺，不同控制模塊采用S-function的方式結(jié)合分布式通信接口形成Simulink通信接口，從而構(gòu)成不同控制模塊之間的分布式網(wǎng)絡(luò)連接.

圖2 分布式通信模塊Fig.2 Decentralized communication module

由MATLAB/Simulink-QNX實時控制層，分布式通信模塊和機器人虛擬模型所構(gòu)成的仿人靈巧手控制平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 機器人靈巧手控制平臺結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of control platform for dexterous robot hand

2 多指靈巧手空間協(xié)調(diào)阻抗控制策略

2.1 建立物體空間坐標(biāo)系

多指手物體空間坐標(biāo)系的建立與手指指尖位置相關(guān)，并適用于n≥3個手指.由于靈巧手各手指與被抓取物體之間沒有相對滑動，坐標(biāo)系中心xo與物體質(zhì)心雖不重合，但沒有相對移動，可以將xo考慮為被抓取物體上的一點.xo定義為n個手指指尖位置的中心:

式中:xi(θ)為第i個手指指尖笛卡爾位置.基于物體抓取力各手指平均分配的原則，物體坐標(biāo)系Σ o=[Ro，xo]∈SE(3)由各手指指尖位置線性生成.坐標(biāo)系定向矩陣Ro=[ro1ro2ro3]，其中第一軸ro1可表示為

式中:

物體坐標(biāo)系第三軸ro3垂直于向量v1和v2所線性生成的平面:

物體坐標(biāo)系第二軸ro2可表示為

2.2 空間協(xié)調(diào)阻抗控制策略

基于無源控制思想，空間協(xié)調(diào)阻抗控制策略由當(dāng)前物體坐標(biāo)系Σ o和目標(biāo)坐標(biāo)系Σ d之間六維位移的彈性能量生成.此六維位移可由以下3個虛擬彈簧結(jié)構(gòu)來描述，即空間平移彈簧、空間旋轉(zhuǎn)彈簧[13-14]和空間連接彈簧[15].

為保證控制器的漸近穩(wěn)定性，空間平移彈簧儲存能量選擇為

式中:

為相對于當(dāng)前物體坐標(biāo)系的目標(biāo)位移差.Kt=ktI為平移剛度對角矩陣.空間平移彈簧所產(chǎn)生驅(qū)動力矩可由其能量的導(dǎo)數(shù)得到

空間旋轉(zhuǎn)彈簧儲存能量選擇為

式中:Ko=koJ為旋轉(zhuǎn)剛度對角矩陣為單位四元數(shù)}的向量部分，由生成.空間旋轉(zhuǎn)彈簧所產(chǎn)生驅(qū)動力矩可由其能量的導(dǎo)數(shù)得到

空間連接彈簧儲存能量選擇為

式中:Δxi=xi-xo，ldi為設(shè)定彈簧壓縮長度，根據(jù)穩(wěn)定抓取所需抓取力選取，Kc為連接彈簧剛度對角矩陣.空間連接彈簧空間連接彈簧所產(chǎn)生驅(qū)動力矩可由其能量的導(dǎo)數(shù)得到

式中:fci=Kc(‖Δxi‖-ldi)為第i個手指的連接彈簧驅(qū)動力.將驅(qū)動力映射到第i個手指的關(guān)節(jié)空間中，得到空間連接彈簧的電機驅(qū)動力矩τc:

式中:τci為第i個手指的連接彈簧驅(qū)動力.因此空間彈簧的關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩為

空間協(xié)調(diào)阻抗控制律設(shè)計如下:

式中:N(θ)為無源力補償(重力和摩擦力[16])，τext為關(guān)節(jié)力矩反饋.vo為空間彈簧中心相對于物體空間坐標(biāo)系的速度:

2.3 空間協(xié)調(diào)阻抗控制實驗

空間協(xié)調(diào)阻抗控制器在DLR/HIT II 5指靈巧手及其實時控制平臺上進行試驗.DLR/HIT II靈巧手的5個手指為模塊化設(shè)計，可以互換并組成不同手指數(shù)目的機器人手，以適應(yīng)不用的應(yīng)用任務(wù)要求.實驗中應(yīng)用3指、4指、和5指的空間協(xié)調(diào)阻抗控制，對不同重量和形狀的物體分別進行平移和旋轉(zhuǎn)阻抗控制實驗.控制及被抓取物體參數(shù)如表1和表2所示，其中I為單位對角矩陣，n為手指數(shù)目.

表1 空間協(xié)調(diào)阻抗控制參數(shù)Table 1 Parameters for spatial coordinating impedance control

DLR/HIT II多指靈巧手空間協(xié)調(diào)阻抗控制實驗包括旋轉(zhuǎn)和平移兩部分.3指空間協(xié)調(diào)阻抗控制旋轉(zhuǎn)實驗結(jié)果如圖4(a)所示，被抓取物體受空間協(xié)調(diào)阻抗控制器驅(qū)動繞z軸轉(zhuǎn)動Δγ=0.7 rad;平移實驗中，被抓取物體沿x方向移動Δxox=0.2 m，實驗結(jié)果如圖4(b)所示.4指空間協(xié)調(diào)阻抗控制旋轉(zhuǎn)實驗結(jié)果如圖5(a)示，被抓取物體受空間協(xié)調(diào)阻抗控制器驅(qū)動繞z軸轉(zhuǎn)動Δγ=0.6 rad;平移實驗中，被抓取物體沿x方向移動 Δxox=0.02 m，實驗結(jié)果圖5(b)所示.5指空間協(xié)調(diào)阻抗控制旋轉(zhuǎn)實驗如圖6(a)所示，被抓取物體受空間協(xié)調(diào)阻抗控制器驅(qū)動繞z軸轉(zhuǎn)動Δγ=0.4 rad;平移實驗中，被抓取物體沿 x方向移動Δxox=0.015 m，實驗結(jié)果如圖6(b)所示.

圖4 機器人靈巧手3指空間協(xié)調(diào)阻抗控制實驗結(jié)果Fig.4 Experimental results of spatial impedance control for 3-fingered dexterous robot hand

圖5 機器人靈巧手4指空間協(xié)調(diào)阻抗控制實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of spatial impedance control for 4-fingered dexterous robot hand

旋轉(zhuǎn)和平移控制階躍響應(yīng)結(jié)果表明物體旋轉(zhuǎn)和平移均在5 ms內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)，并具有較好的穩(wěn)態(tài)精度，物體旋轉(zhuǎn)角位移Δγ收斂于小于0.01 rad的穩(wěn)態(tài)值，平移位移Δxox收斂于小于0.01 m的穩(wěn)態(tài)值.拇指處于其他手指的對立面，因此連接力fc1大于其他手指，說明拇指是抓取控制過程中最為靈活和重要的手指，其空間結(jié)構(gòu)配置和自由度對抓取操作起到?jīng)Q定性作用.從實驗結(jié)果可以看出，基于空間虛擬彈簧的協(xié)調(diào)阻抗控制所產(chǎn)生的平移力和旋轉(zhuǎn)力之間耦合很小，可以完成穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)和平移控制.

圖6 機器人靈巧手5指空間協(xié)調(diào)阻抗控制實驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of spatial impedance control for 5-fingered dexterous robot hand

實驗結(jié)果表明，空間協(xié)調(diào)阻抗控制器可以應(yīng)用于不同手指數(shù)目的機器人靈巧手，并獲得穩(wěn)定的控制效果.5指協(xié)調(diào)控制所抓取物體質(zhì)量最小，剛度最大，穩(wěn)定性較好而階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)精度最低;3指協(xié)調(diào)控制所抓取物體質(zhì)量最大，剛度最小，然而階躍響應(yīng)過程穩(wěn)定性較差，穩(wěn)態(tài)精度較高.因此手指數(shù)目越多，其穩(wěn)定性越高，但是由于手指本身的摩擦力和手指之間的耦合力，隨著手指數(shù)目的增加，多指空間協(xié)調(diào)阻抗控制的穩(wěn)態(tài)精度逐漸下降.

多指空間協(xié)調(diào)阻抗控制MSI(multi-fingered spatial coordinating impedance control)與Eigengrasp(EG)，Postrual synergies(PS)，多指靈巧手基關(guān)節(jié)同步協(xié)調(diào)控制SCB(synchronized control for base joints)及4指同步協(xié)調(diào)控制4SI(4-fingered spatial impedance control)的比較如表3所示.

由表可以看出，多指空間協(xié)調(diào)阻抗控制方法具有實時控制的特點，并在各關(guān)節(jié)獨立控制的前提下進行多指協(xié)調(diào)抓取控制，在減少控制量的同時并不降低靈巧手的靈活性，并且具有基于關(guān)節(jié)力矩反饋的阻抗控制，適應(yīng)于可組成任意手指數(shù)目的模塊化設(shè)計多指靈巧手DLR/HIT II.

表3 不同多指協(xié)調(diào)控制策略的比較Table 3 Comparison of different multi-fingered dexterous robot hand control strategies

3 結(jié)束語

針對DLR/HIT II 5指靈巧手的結(jié)構(gòu)特點，提出了集中控制-分層數(shù)據(jù)處理的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括實時控制層、嵌入式通信控制層和驅(qū)動控制層.基于Matlab/Simulink-QNX工具鏈，設(shè)計了包括Simulink-QNX實時控制層、分布式網(wǎng)絡(luò)通信模塊和機器人虛擬模型3部分的仿人靈巧手實時控制平臺，從而適應(yīng)DLR/HIT II靈巧手實時控制及與仿人機器人聯(lián)合實時操作的要求.嵌入式通信控制層和驅(qū)動控制層集成于靈巧手內(nèi)部，完成靈巧手數(shù)據(jù)采集、分層處理及驅(qū)動控制的功能.機器人靈巧手多指協(xié)調(diào)控制是進行穩(wěn)定抓取和靈巧操作的基礎(chǔ).提出了基于手指位置的任意手指數(shù)目物體空間坐標(biāo)系，以物體的位置和姿態(tài)為控制目標(biāo)建立空間平移虛擬彈簧、空間旋轉(zhuǎn)彈簧和空間連接彈簧，并基于關(guān)節(jié)力矩反饋在n指靈巧手上實現(xiàn)了空間協(xié)調(diào)阻抗控制，構(gòu)成了一種具有柔順性的穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制策略，極大地減小了多指協(xié)調(diào)控制的控制輸入量，從而為提高抓取規(guī)劃效率提供了新的思路.實驗結(jié)果證明了DLR/HIT II靈巧手控制系統(tǒng)及多指空間協(xié)調(diào)阻抗控制的穩(wěn)定性和有效性.

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