基于气动柔性驱动器FPA的三自由度手指包络抓持力模型研究

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1、基于气动柔性驱动器FPA的三自由度手指包络抓持力模型研究摘要：提出了一种慕于气动柔性驱动器(FlexiblePneumaticActuator,FPA)的三自山度手指指节正压力可控的包络抓持模型。分析了H标物体受力状况，按照手指指节与H标物体Z间的各个接触力大小尽量均匀的原则，对H标物体受力进行了优化。建立了关丁-手指指节接触点所受到的正压力及摩擦力•关节驱动器FPA输出力Z间的力学模型。使用两个触力传感器，应用杠杆原理建立了接触点正压力及其作用点的测量模型。提出了指节接触点正压力的双闭坏控制策略，设置了补偿器对摩擦力进行实时补偿，对压力反馈信号进行微分处理，

2、用以消除压力检测信号中所包含的高频噪声。搭建了实验平台，实验结果表明：手指正压力动态响应时间为约Is,误差稳定在±0.5N范围。关键词：气动柔性驱动器FPA,三自由度手指，包络抓持，指节力模型中国分类号：TP24文献标识码：AResearchonstaticmodelaboutenvelopgraspingof3-DOFfingerbasedonflexiblepneumaticactuatorFPAAbstract：Envelopgraspingmodelbasedon3・DOFfingersdrivenbyaflexiblepneumaticactuato

3、r(FPA)directlyisproposed・Basedontheprincipleofequalization,theinteractionforcesbetweentheobjectandknuckleisoptimized.ThestaticmodelaboutthevaluesofthepressuredairinFPAsandthepositivepressureonknuckleorcorrelativefrictionforceisbuilt.Themeasuremodelaboutthepositivepressureanditsposit

4、ion,basedonleverageprincipledependingontwotouch-forcesensors,isobtained・Usingaseriesdualloopscontrolmethodandthecompensatoraboutfrictionlorce,thepositivepressurecanbecontrolledprecisely.Inordertofiltratethehigh-frequencynoise,thefeedbacksignalofthepressuredairinFPAisprocessedbydiffe

5、rentialanalysis.TheexperimentalresultsshowthatdynamicresponsetimeofthepositivepressureisaboutIsandthesteady-statedeviationislessthan±0・5N・Keywords：flexiblepneumaticactuatorFPA,3-DOFfinger,envelopgrasping,staticmodelaboutknuckle0前言在机器人多指手包络抓取中，多指手与目标物体之间有多个接触点，Reuleaux-lJ早在1875年就证明了在

6、二维平面的情况下，要达到形封闭需要至少4个光滑接触点，或者3点有摩擦点接触或软指接触；Markenscoff(2-4］提出了3维空间结构物体进行形封闭抓取至少需要7个无摩擦接触点，或者4点有摩擦点接触或软指接触。北京工业大学李剑峰⑸等对灵巧手包络抓持的鲁棒性做了分析和探讨，给出了具有--般意义的抓持鲁棒性存在的充分必要条件。M.Yashima⑹等在假设接触点为光滑无摩擦力的前提下以包络抓持的方式实现对目标物体的操作；LionelBirglen1'1等同样在假设接触点为光滑无摩擦力的前提下提出了欠驱动机械手的输出力模型；光滑接触约束的假设简化了抓取力的分析，实际

7、抓取中存在摩擦是必然的，这种保守的假设往往会得出不合实际的结论。MasahiroKondo^］等通过多个触觉传感器感知目标物体的在多指手中的位姿信息并通过包络抓持的方式实现对目标物体的位姿变换。当考虑摩擦时，若假定手指和物体均为不变形的刚体，多指手包络抓取系统通常是一个静不定系统，因此无法根据力与力矩平衡方程确定每一个抓取力。本文以基于FPA的三自由度手指为例，将包络抓取接触点的法向正压力作为主动力，对各个正压力进行闭环控制，将接触点的摩擦约朿看作被动约束，将相应的摩擦力看作被动力。1目标物体受力模型2个平面三自由度手指对目标物体进行包络抓持,如图1所示。"和

8、久分别为右侧和左侧手指第一个关节与X轴