水下作业机械灵巧手接触力控制方案的研究

　　引 言

　　水下工程与装备在国民经济与国家战略中占有重要位置^[1].目前,所见到的商业化水下作业机械手一般都是开合型夹持器,例如Bauman's Moscow State Technical University研制的各类水下机械手^[2].与工业机器人夹持器相比,其结构基本相同,工作原理类似,只是为了适合水下特殊作业环境,且满足大负荷要求,通常采用液压驱动形式.开合型夹持器只能完成水下钢索、电缆剪断或切割等简单操作,作业范围有效,精细程度不足.因此,研制一种能满足水下精细作业要求的机械(水下作业灵巧手)是水下工程的迫切要求.

　　从技术角度看,机械手若具备水下精细作业能力,需要满足一系列技术条件,如手爪本身的结构(自由度和关节个数),作业环境感知能力等.其中,作业环境感知能力是完成水下精细作业的先决条件.例如,在打捞水下易碎物品时,就需要精确控制手指与抓取目标间的接触力,接触力过大会造成物品损坏,过小物品从手指间滑落.多年来,国内外专家一直致力于手指与目标间接触力控制研究,从不同角度探讨解决方案.1992年,日本的Kiyoshi Ohishi从理论上探讨,在没有力传感器的条件下,借助H]加速度控制器,寻求解决机械手操纵力控制问题的可行性^[3].遗憾的是水下作业环境可变因素太多,是一个典型的非特定作业环境,难以建立准确的模型,在没有力传感器的条件下,难以实现真正意义上的力控制.手指与目标间接触力控制的策略主要有力/位混合控制(Hybrid Position/Force Control )^[4]和阻抗控制(Impedance Control ) ^[5]两种基本方法,其他方法一般都是在这两种基本方法基础上加以改进或综合,如美国的Yong Cui针对水下作业特点,设想利用阻抗和力/位混合控制各自的优点,通过权重的模糊选择,将阻抗和力/位混合控制综合成一体,形成统一的控制策略^[6];再如,美国J. Yuh设计一个干扰观测器(Disturb-ance Observer),用干扰观测误差综合反映水下作业系统的非线性和不确定性^[7].

　　综合国内外在机械灵巧手,尤其是水下精细作业方面的研究成果,我们研制的机械灵巧手采用6关节、3手指结构.为了满足水下大负荷、小体积的特殊需要,3个指关节采用3只液压缸驱动,3个根关节共用1只摆线马达驱动,样机如图1所示.针对机械灵巧手液压驱动技术方案,本文从手指与目标间接触力控制的角度,着重阐述控制系统的物理配置和组成方案,为系统性能分析、控制器设计等后续问题探讨,提供一个顶层框架.

　　1 灵巧手关节运动功能分析

　　不管灵巧手完成何种作业任务,握住或抓住1个物体或目标是其应该具备的基本功能.灵巧手抓取目标通常分包络抓取(Enveloping Grasp)和精密抓取(Precision Grasp)两大类[8].包络抓取的主要特征是手指、手掌与目标间有较大接触区域,能牢牢抓住目标,手指操纵目标的灵巧性很差.精密抓取的特征是仅手指的指尖与目标接触,手指对目标操纵的灵活性得到充分发挥.当强调抓取的稳定性时,通常选择包络抓取;当强调对目标操纵的灵活性时,一般选择精密抓取.灵巧手能握住目标,需满足对目标的约束条件,即灵巧手的手指在目标周围合理分布,获得形封闭、力封闭或平衡抓取条件的满足.