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工程设计学报
工程设计学报  2023, Vol. 30 Issue (2): 164-171    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.027
优化设计     
人机交互遥操作机器人软体手位置跟踪设计与实现
杨淦华(),曾庆军(),韩春伟,黄鑫,戴晓强
江苏科技大学 自动化学院，江苏 镇江 212100
Design and implementation of soft hand position tracking for human-computer interactive teleoperation robot
Ganhua YANG(),Qingjun ZENG(),Chunwei HAN,Xin HUANG,Xiaoqiang DAI
College of Automation, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, China
 全文: PDF(2837 KB)   HTML
摘要：

针对遥操作机器人在深海等未知环境中抓取软体物体或易碎物体的工作需求，提出了一种人机交互遥操作机器人的主从软体手位置跟踪方法。首先，介绍了主从软体手控制系统的构成与工作原理，该系统主要包括主端控制回路、通信链路和从端控制回路，用于控制软体手的抓取动作。然后，阐述了软体手指的建模过程与控制器设计，采用假设模态法进行建模，并在软体手指的位置跟踪控制中引入模型预测控制算法，以解决软体从手跟踪软体主手性能差的问题。最后，设计并研制了软体主手、软体从手及其控制系统，其中软体从手以硅胶为原料并嵌入固体材料来增大刚度，同时开展了软体从手跟踪软体主手抓握目标物体的实验。仿真结果表明，所设计的模型预测控制器能有效解决软体手指因模型失配而引起的控制精度下降问题；实验结果表明，所研制的软体从手能有效跟踪软体主手并实现目标物体的抓握，整个控制系统运行良好。研究结果为人机交互遥操作机器人软体手的跟踪控制应用提供了参考。
关键词： 遥操作机器人;  软体手;  位置跟踪;  模型预测控制算法    
Abstract:

Aiming at the requirements of teleoperation robots grasping soft or fragile objects in unknown environments such as the deep sea, a master-slave soft hand position tracking method for human-computer interactive teleoperation robot was proposed. Firstly, the structure and working principle of the master-slave soft hand control system were introduced. The system mainly included the master control loop, acommunication link and slave control loop, which was used to control the grasping action of the soft hand. Then, the modeling process and controller design of the soft finger were described. The hypothetical modal method was used to model the soft finger, and the model predictive control algorithm was introduced into the position tracking control of the soft finger to solve the problem of poor performance of the soft slave hand tracking soft master hand. Finally, the soft master hand, soft slave hand and their control systems were designed and developed, in which the soft slave hand was made of silicone and embedded with solid materials to increase the stiffness. Meanwhile, the experiment of soft slave hand tracking soft master hand to grasp the target object was conducted. The simulation results showed that the designed model predictive controller could effectively solve the problem of control accuracy degradation caused by model mismatch for soft fingers; the experimental results showed that the developed soft slave hand could effectively track the soft master hand to grasp the target objects, and the entire control system ran well. The research results provide a reference for the tracking control application of soft hands of human-computer interactive teleoperation robot.
Key words: teleoperation robot    soft hand    position tracking    model predictive control algorithm
收稿日期: 2022-09-13 出版日期: 2023-05-06
CLC:  TH 122  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(11574120);江苏省产业前瞻与共性技术项目(BE2018103);江苏省研究生科研创新计划(KYCX22_3820)
通讯作者: 曾庆军     E-mail: 971740646@qq.com;zheng28501@163.com
作者简介: 杨淦华（1995—），男，江西赣州人，硕士生，从事水下有缆机器人设计与遥操作软体手控制研究，E-mail: 971740646@qq.com，https://orcid.org/0009-0000-8554-0070
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杨淦华
曾庆军
韩春伟
黄鑫
戴晓强

引用本文:

杨淦华,曾庆军,韩春伟,黄鑫,戴晓强. 人机交互遥操作机器人软体手位置跟踪设计与实现[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 164-171.

Ganhua YANG,Qingjun ZENG,Chunwei HAN,Xin HUANG,Xiaoqiang DAI. Design and implementation of soft hand position tracking for human-computer interactive teleoperation robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(2): 164-171.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.027    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I2/164

图1  人机交互遥操作机器人主从软体手控制系统的构成及工作原理
图2  软体食指三维模型
图3  简化的三连杆软体食指
图4  软体食指弯曲过程涉及的变量
图5  软体食指末端位置跟踪仿真结果对比
控制器跟踪误差绝对值/rad末端偏移量绝对值/mm
C11.243 20.583 5
C24.592 20.558 3
表1  2种控制器的性能评价指标对比
图6  软体主手控制系统构成
图7  主从软体手控制系统实验平台
图8  软体从手食指跟随软体主手食指
图9  软体从手跟随软体主手抓握方形物体
图10  软体从手跟随软体主手抓握圆柱形物体
图11  软体主手和软体从手食指的弯曲角度对比
时间/s食指弯曲角度/（°）
软体主手软体从手
000
0.6150
1.22816
1.85329
2.47055
3.07471
3.67275
4.27472
4.87174
5.47571
6.07275
表2  前6 s内软体主手和软体从手食指的弯曲角度
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