67、基于虚拟连杆模型的物体级手持操作控制器分析与实验评估

基于虚拟连杆模型的物体级手持操作控制器分析与实验评估

1. 引言

多年来，多手指和多臂机器人系统中的内力控制一直是研究热点。在多臂操作中，内力的存在有助于创建鲁棒的操作控制器，以补偿建模误差，并间接平衡不同类型的物体负载，包括内部负载（如重力和物体惯性）和外部负载（如干扰力）。在抓取和手持操作过程中，内力对于满足摩擦约束、防止物体滑动也至关重要。

过去，关于内力和力矩的研究主要集中在两个方面：
- 最小化操作过程中的内力。
- 计算满足点接触摩擦和稳定性约束的抓取力，同时避免对被操作物体施加过大的力。

这些方法通常通过确定施加在物体上的力与特定参考系中合成扳手之间的关系，形成所谓的抓取映射。然后使用该抓取映射的 Moore - Penrose 广义逆来求解逆关系，其广义逆的零空间基用于描述内力。这种方法虽然可以最小化内力，但不太适合维持特定的非零内力。

有一种基于物理模型的方法，即虚拟连杆模型，可用于表征内力。该模型可以添加到抓取映射中，从而不仅能得到所需的合成扳手，还能得到所需的一组内力。本文旨在描述基于虚拟连杆模型的物体级手持操作控制器的实现，并通过 DLR - Hand II 进行不同控制实验，分析结果，证明该方法在实际条件下的有效性。这些实际条件，如接触模型中的误差（接触位置、接触法线、接触面而非接触点、软接触条件、滑动的存在等），已使用集成在 OpenRAVE 模拟器中的 Open Dynamic Engine 进行了模拟。

2. 抓取约束的定义

定义精确抓取控制器的动力学，首先需要定义一组物理约束，描述系统中所有运动学变量之间的关系。通常，可以用一个函数来表示物体位姿变量 $x_r$