机器人指纹抓取技术综述

机器人指纹抓取技术综述

机器人多臂采集的目的是探索人类提取操作的机理，最终开发出能够收集和使用任意形状的物体、操作和应用工具，完成各种操作任务，模拟人类提取操作的模型。每个人都有三个特殊的功能，比如感知、提取（限制）和操作。在工业夹具的设计中，工业夹具的设计通常应该参考手动操作和感知机的机制来证明收集功能。人类工程与感知机学会提供了一个激励，以激励医疗、娱乐和服务领域的机器人系统的开发，并为机器人系统的再现人类操作和感知能力提供了动力。在过去的20年里，机器人的数量一直是机器人学研究的热点[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15和16]。为了有效控制机器人多臂手的操作，有必要限制人类的操作经验、技能和知识，全面规划不同的操作顺序，有效控制相应的过程。1机器人的嘴唇新型智能化了解人手的骨骼和关节结构是研究机器人多指抓取和操作的基础.尽管人们对人手功能参数的了解仍不很完全,但对骨骼型貌的认识是一致的,如人的食指骨骼及关节结构可用图1表示.骨节之间的运动是由肌肉、腱、韧带、关节及相关的组织实现的.在手指中靠近手掌的关节称为掌骨关节(MCPJoint),这种髁状的关节有2个自由度.从自然状态度量,食指中掌骨关节的弯曲(flexion)范围接近90°.掌骨关节的弯曲范围对于其他手指而言是逐渐增大的,到小指时其范围接近120°.掌骨关节的主动伸缩(activeextension)范围可达30°~40°,被动伸缩(passiveextension)范围可达90°,内收(adduction)和外张(abduction)也有相应的范围,如图2所示.手指中的另两个关节,即PIP和DIP关节为单自由度关节,它们之间有一定的耦合.PIP关节弯曲(flexion)范围略大于90°,看不出有主动或被动伸缩能力.DIP关节弯曲(flexion)范围略小于90°,主动伸缩范围达5°,而被动伸缩范围达到30°.Napier把人的抓取方式划分为包络抓取和指尖抓取(又称为精密抓取)两大类,这种分类已被生物力学、医学和机器人研究领域学者接受并被广泛采用.当用手指尖抓取物体时,手指尖对物体施加的约束都可看成主动约束,物体的运动和受力都可通过对手指进行主动协调控制实现.然而,当用包络的方式抓取物体时,手指与物体之间有多个接触点,甚至物体还可能与手掌接触,在这种抓取方式中,存在被动约束的接触点,如物体和手掌之间的接触点以及手指与物体之间的部分接触点,显然,物体的运动和受力不能通过对每个接触点进行主动控制来实现.为了获得操作的灵巧性,往往采用指尖抓取方式.相反,为了更稳定地抓取物体,通常采用包络抓取.人类灵巧的双手之所以能抓取任意形状的物体,完成复杂的操作任务,除了每只手有5个灵活的手指,有多达25个自由度以外,还在于人手有丰富的感知能力.人手表面能感受外界刺激(exteroception),在表皮下面有本体感受(proprioception)能力或肌肉运动知觉.对外界刺激的感受主要通过不同的皮肤感受器传递的接触压力分布、温度和压力信息获得.肌肉运动知觉主要通过关节、肌肉和腱上的传感器传递的与手和身体位姿状态变化有关的力、运动和位置信息获得.此外,在手指末端还有丰富的末梢神经,它们对不同的刺激速度、强度、位置以及刺激持续的时间会做出不同的响应.人手在充满智慧的大脑的指挥下,充分利用这些感知器官和神经能灵巧地完成各种抓取和操作任务.机器人手指通常采用与人手类似的结构.与人手相比,机器人手指中的感知“器官”和“神经”还是非常匮乏的,这有两方面的原因:一方面是人们对人手中感知器官和神经进行信息传递和融合的机理的认识还不很充分;另一方面是就当前科技水平而言,要在手指这样狭小的空间里集成像人手里那样众多的智能传感器是不可能的.为了实时有效地控制机器人多指手,机器人多指手的自由度不宜过多,比较有代表性的机器人多指手有Utah-MIT手,因此期望机器人多指手能像人手一样灵巧地完成各种复杂的操作任务是不太现实的.为了用有限自由度的机器人多指手在感知和触觉能力非常不足的情况下完成各种抓取和操作任务,必须针对具体任务进行合理的规划,并提出有效的操作策略.2提取的定性分析2.1相当基本的自由观念抓取的目的就是要通过一系列合理的接触约束消除被抓取物体的运动自由度.物体的约束运动分析无疑涉及到封闭性分析问题.如果在一组无摩擦的点接触约束(又称光滑接触约束)下,物体的运动自由度受到完全约束,则称这样的抓取是形封闭的.关于形封闭的研究可以追索到1885年,当时Reuleaux研究了物体的空间形封闭和平面形封闭问题.一百多年来,人们认识到要实现空间形封闭至少需要7个光滑的点接触约束,要实现平面形封闭至少需要4个光滑的点接触约束,许多学者在不同的时期用不同方法证明了这一结论.当然,无论多少个光滑接触点,都无法完全约束回转体.根据这一结论,要多指手用指尖抓取的方式抓取任意形状的物体,至少需要7个手指,这势必使抓取规划和控制变得非常复杂,甚至不可行.日常生活中成功抓取的事例表明要抓取任意形状的物体完全没必要用7个手指,这表明光滑接触约束的假设过于保守.不过,这一结论从理论上解释了夹具设计中的“6点定位1点夹紧”原理.在光滑接触约束抓取的封闭性研究中,只考虑了接触点处的法矢信息,而忽略了接触点附近的局部几何特征.Czyzowicz指出对于平面多边形物体和空间多面体物体来讲,要实现形封闭抓取只需要3个和4个光滑接触约束即可.最近,Rimon把这一结论推广到更一般的情况,即若考虑接触点附近的局部曲率效应的话,那么只需4个光滑的接触点约束就可实现空间形封闭抓取,并给予了相应的证明.此外,相对形封闭(relativeform-closure)和部分形封闭(partialform-closure)也是抓取研究中的重要概念,特别是在装配操作中往往需要利用这些封闭性特性来完成装配任务.为了使抓取规划和控制易于处理,有必要提出切实可行的接触模型.如果作用在物体上的任意外力旋量都能被处在接触点处摩擦锥内的手指作用力来平衡,那么这样的抓取称为力封闭抓取.Salisbury指出若手指与被抓持对象之间为有摩擦的点接触,那么3个手指可以抓取任意形状的物体;若手指与被抓持对象之间为软手指接触,那么2个手指可以抓取任意形状的物体.生活的现实也验证了这一点:人类利用健全的5个手指能抓取任意形状的物体,然而如果手部有残疾,利用剩下的3个手指甚至2个手指仍能抓取任意形状的物体.2.2操作的抓得与稳定的选取对于任意给定的物体运动,总可以找到相应的关节运动来实现物体期望的运动(不脱离接触),称这样的抓取是可操作的抓取.对于任意给定的力旋量,总可以找到相应的关节力矩与之平衡,则称这样的抓取是稳定的抓取.抓取的可操作性与稳定性之间有一定的对偶关系.稳定的抓取可能是无法操作的,例如对于需要零关节力矩来平衡作用在物体上的非零力旋量的稳定抓取来讲,这种稳定的抓取是无法操作的.反之,可操作的抓取可能是不稳定的,例如对于需要零关节运动适应非零物体运动的可操作的抓取来讲,这种可操作的抓取是不稳定的.抓取可操作的充要条件是:R(Jh)⊃R(GT).抓取稳定的充要条件是:R(G)=R6.稳定的可操作性抓取的充要条件是:R(G)=R6且R(Jh)⊃R(GT),其中,Jh为多指手的雅可比矩阵,G为抓取矩阵.一般认为稳定的抓取应具备静平衡、无滑动和抗各向扰动的能力等3个期望的特征,前两个特征的概念很清楚.然而,由于评价的角度、采用的指标以及关注的研究对象不同,对第三个特征有不同的解释,从而导致了抓取稳定性的不同定义,包括静态稳定性、动态稳定性、物体的稳定性和接触稳定性等.当且仅当对应的抓取映射G为满射时,所有接触力满足静摩擦约束,抓取是静态稳定的.力封闭抓取和形封闭抓取是稳定的抓取.如果抓取系统由于外界扰动导致运动或力出现的偏差随着时间的推移而逐渐消失,则抓取是动态稳定的.静态稳定性分析是在形位空间的切空间进行的,而动态稳定性的分析是在形位空间的切空间中的切空间进行的.在形位空间的切空间内认为不是形封闭或力封闭的抓取,若在形位空间的切空间中的切空间内再对其进行考察的话,则这样的抓取可能是稳定的.动态稳定性分析更能揭示出局部几何特征对抓取牢固程度的影响.当被抓取物体由于外界扰动导致其偏离原来的平衡位姿时,一旦扰动消失,被抓取物体能随着时间的推移回到其原始平衡位姿,这种特性称为物体的稳定性.这种稳定性一般需要通过合理的刚度设计或主动的刚度控制才能实现.当抓取系统受到外界扰动导致物体及手指上的接触点偏离其平衡状态的位置时,一旦扰动消失,物体和手指能随着时间的推移回到其原始接触位置,这种特性称为接触稳定性.滑动接触和滚动接触是研究接触稳定性的两种主要模型.3定量分析和规划3.1基于产生式规则的一般方法接触点的布局规划是抓取规划的主要任务.所谓接触点的布局规划就是要按某项或某些抓取性能指标要求,在要抓取的对象上选择一组最优的接触点位置.许多学者从形封闭或力封闭抓取的角度,研究了接触点布局的选择问题[2,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,20,21,22,23,24,25,26,27].Bekey等采用基于产生式规则的知识系统来选择抓取布局,并对几个形状简单的物体进行了测试.然而,由于要抓取的对象千差万别,形状各异,采用基于产生式规则的知识系统进行推理有其明显的局限性.Cutkosky也提出了一个专家系统用于抓取布局的选择,同样存在前面提到的局限性.CoelhoJr和Grupen把接触点位置的选择问题转化为一个控制问题,该方法不需要物体的几何信息.通过闭环控制,使物体上的外力旋量达到期望值.在检测手指接触力的同时不断检测接触点的位置,然后计算抓取雅可比矩阵,看它是不是行满秩的,若是则认为抓取是稳定的.如果抓取是稳定的,同时抓取力在物体上产生的力旋量又达到了期望值,那么这时接触点的位置就是期望的位置.然而,该方法有其不足之处,表现在:a.抓取矩阵的行满秩只是抓取稳定的一个定性指标,并不表明该抓取的稳定性最好;b.在接触点调整过程中,接触力也在变化,这种变化可能改变物体原有的位置;c.当接触点多于3个时,实施该方法仍有困难.对于稳定的抓取而言,不同的接触点布局其对应的抓取稳定性程度是不一样的.利用操作空间中的力椭球,可以在形位空间的切空间定义准静态的抓取稳定性指标.运用该指标,可以规划3个手指抓取一个球的最优接触点布局为3点在大圆上均匀分布,如图3所示.利用度规函数也可以定义抓取稳定性的定量评价指标,图4中给出了根据这一指标规划出的某一椭球的最优接触点布局.在形位空间的切空间中的切空间内可以定义抓取的动态稳定性指标,该指标描述了接触点布局、抓取时的预紧力及接触点处局部相对曲率对动态稳定性的影响,如图5所示.3.2局部接触力的规划在前面抓取的定性分析中,讨论了光滑接触模型、有摩擦的点接触模型以及软手指接触模型对封闭性的影响.当抓取满足封闭性条件时,抓取是稳定的,接触点处不出现滑动.反之,若抓取不满足封闭性条件,则手指和物体在接触点处发生相对滑动,这种滑动并不是不可描述的.基于刚体运动的假设,许多学者对抓取操作中接触点的运动描述问题做了系统深入的研究.他们导出的接触点运动学方程中含有运动刚体在接触点处附近的曲率信息,这些运动学方程为抓取操作中刚体之间滚、滑动运动的描述和抓取规划提供了一种有效的模型.尽管光滑接触约束的假设简化了抓取力的分析,然而,这种保守的假设往往会得出不切实际的结论.实际抓取中存在摩擦是必然的.当考虑摩擦时,若仍假定手指和物体均为不变形的刚体,那么给定作用在物体上的外力旋量,无法根据抓取系统中力与力矩平衡方程确定所需的抓取力,在这种情况下抓取系统是一个静不定系统.当采用指尖抓取方式抓取物体时,由于每个手指至少有3个自由度,手指尖施加的接触约束是完全主动的,所以在这种情况下可以合理地定义一种性能指标,在满足一定约束的前提下通过最大或最小化性能指标规划出最优的抓取力.这样的抓取规划隐含了一种假定,那就是所有规划出的抓取力都可以通过手指的主动控制加以实现.然而,在包络抓取中,或者说在接触点处存在被动约束的抓取中,根据性能指标规划出的最优抓取力并不能完全通过手指的主动协调控制实现.例如在分析夹具中的接触力时,夹紧力是主动可控的接触力,而定位件和支撑件接触处的接触力是被动的,当作用在工件上的外力及夹紧力给定时,尽管不能通过力与力矩平衡方程确定这些被动的接触力,但它们的确有唯一确定的值.夹紧力可以规划,但决不能通过优化某一性能指标把所有接触力都规划出来.这是完全主动接触约束与含被动接触约束抓取的本质区别.如果知道接触点处的刚度,那么就可以很容易地分析包络抓取中的接触力.然而,接触刚度是局部的特征物理量并且是非线性的,用线性刚度矩阵来描述接触刚度是不够的,特别是对于具有摩擦的接触而言甚至是不恰当的.为了分析与规划含被动接触约束抓取中的接触力,建立反映接触力与局部变形