盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手的制作方法

本发明属于农业机器人装备技术领域，具体涉及一种盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手。

背景技术：

机器人、人工智能、物联网、大数据和云计算技术的发展推动农业机械智能化快速向前发展，蔬菜个性化和规模种植也越来越要求提高采收机械的自动化和智能化程度。盆栽蔬菜每一株或每一丛蔬菜都种植于统一的培养基内，盆栽蔬菜采收机械手是蔬菜采收机器人的重要组成部分。

蔬菜的采收需要将培养基进行抓取移动，蔬菜取出后需要将蔬菜菜根剪切。现有蔬菜采收机械手通常只具有单一的抓取或根部剪切功能，其施力方向与蔬菜载荷方向垂直，力方向不匹配，机械手本身占用空间较大，不够紧凑。例如：

专利文献cn208162088u公开了一种果蔬品质检测用机械手，采用三爪结构，力方向不能匹配，体积较大，只能抓取；

专利文献cn108271532a公开一种仿人采摘动作的多爪气动无损果蔬采摘机械手具有类似特点；

专利文献cn108476737a公开了一种果蔬采摘机械手，可以同时抓取剪切，但是采用手动操作，力方向亦不能与负载方向匹配适应；

专利文献cn108934440a公开了一种欠驱动手指机构以及棒状果蔬握持式采摘机械手末端执行器，能够抓取剪切，但采用凸轮和复杂铰链驱动，手指力方向与负载力方向不匹配。

包括以上例举之专利文献在内，末端执行器普遍并不支持对盆栽类蔬菜的有效抓取和蔬菜剪切，需要对能胜任此工作的发明加以研究。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手。

根据本发明提供的一种盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手，包括：螺杆减速电机、推进杆、摇杆、剪刀片支架连接杆、第一机械手指、第二机械手指、第一剪刀片支架、第二剪刀片支架；

所述推进杆为倒置f型，包括内齿圈孔、中部横杆、底部横杆；

所述第二机械手指铰接于所述第一机械手指之上，所述第一剪刀片支架与所述第二剪刀片支架成水平的x形转动连接在所述第一机械手指上；

所述螺杆减速电机的螺杆与所述内齿圈孔匹配连接，所述中部横杆与所述第二机械手指通过所述摇杆转动连接，所述摇杆位于所述中部横杆下方，所述底部横杆与两根所述剪刀片支架连接杆连接成水平y字形滑块摇杆机构，所述y字形滑块摇杆机构的端部分别与所述第一剪刀片支架、所述第二剪刀片支架的端部铰接；

所述第二机械手指通过所述摇杆的往复摆动实现与所述第一机械手指的开合，所述第一剪刀片支持架与所述第二剪刀片支持架通过所述y字形滑块摇杆机构实现咬合。

一些实施方式中，所述摇杆与所述中部横杆成90°时，所述y字形转动机构的两根所述剪刀片支架连接杆成180°。

一些实施方式中，所述摇杆与所述中部横杆成90°时，所述第二机械手指实现自锁；所述y字形转动机构的两根所述剪刀片支架连接杆成180°时，两根所述剪刀片支架连接杆实现自锁。

一些实施方式中，所述摇杆与所述中部横杆之间预留有使所述摇杆绕所述中部横杆摆动到90°时继续同向摆动的间隙。

一些实施方式中，所述第一机械手指和\或所述第二机械手指的末端为圆弧形。

一些实施方式中，所述第一机械手指与所述第二机械手指的中部均为向内凹陷的圆弧状。

一些实施方式中，所述螺杆减速电机连接有螺杆减速电机支持架，所述螺杆减速电机支持架上开有螺杆支撑轴承，所述螺杆减速电机上的螺杆穿过所述内齿圈孔后连接于所述螺杆支撑轴承内。

一些实施方式中，所述第一机械手指与所述第二机械手指铰接处连接有角度传感器，所述角度传感器连接有控制器。

一些实施方式中，所述控制器包括对机械手指运动控制的抓取机构控制系统与对剪刀运动控制的剪刀机构控制系统，所述抓取机构控制系统是基于逆运动学的主动柔量鲁棒间接力控制，所述剪刀机构控制系统是基于逆运动学的鲁棒控制。

一些实施方式中，所述抓取机构控制系统与所述剪刀机构控制系统均包含稳定化线性控制模块、非线性补偿与解耦模块以及鲁棒性控制模块，所述抓取机构控制系统内的鲁棒控制模块运行时增加环境影响因素因子，所述环境影响因素为作用对象或障碍物。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明申请的盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手装置，具有抓取培养基和剪切蔬菜根茎两个主要功能，具有一个自由度，由一个螺杆减速电机驱动，两个功能先后分时执行，具有结构紧凑，且抓取动作时其施力方向与蔬菜载荷方向相同，机械手指力方向与负载受力方向匹配，抓取牢固。

2、本发明申请的盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手装置，机械手指和与剪刀片的自锁状态同时达到，形成双自锁状态，提高了抓取负载能力、控制简单。

3、本发明申请的盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手装置，在螺杆减速电机主动，越过自锁位置后，剪刀与机械手指均为张开状态，避免了剪刀片之间或机械手指之间相互挤压破坏，具有保护作用。

4、本发明申请的盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手装置，控制器中抓取机构控制系统内的鲁棒控制模块运行时增加环境影响因素因子，使得既夹持准确，又在夹持不准确碰到障碍物时能够采用控制策略避免夹坏对象或者使机械手手指本身损坏，获得良好的保护效应。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施方式中整体结构示意图；

图2为本发明一实施方式中带有螺杆减速电机支持架的结构示意图；

图3为本发明一实施方式中剪刀机构示意图；

图4为本发明一实施方式中抓取蔬菜培养基工作示意图；

图5为本发明一实施方式中剪切蔬菜菜根工作示意图；

图6为本发明申请中机械手轨迹示意图；

图7为本发明申请中逆运动学控制方框图；

图8为本发明申请基于逆运动学的鲁棒控制方案方框图；

图9为本发明申请基于逆运动学的有负载与噪声的鲁棒控制方案方框图；

图10为本发明申请基于逆运动学的主动柔量鲁棒间接力控制方案方框图；

图11为基于逆运动学的鲁棒控制方案仿真分析模型图；

图12为基于逆运动学的鲁棒控制方案控制仿真效果曲线图；

图13为基于逆运动学的有负载与噪声的鲁棒控制仿真结果曲线图；

图14为基于逆运动学的主动柔量鲁棒间接力控制方案仿真模型；

图15为环境作用下机械手螺杆推进位置与相互作用力示意图；

图16为环境与机械手相互作用力与接触位置关系图；

图17为环境与机械手相互作用力与k-kp示意关系图。

附图标记说明：

1—螺杆减速电机；2—螺杆减速电机支持架；3—角度传感器；4—控制器；

5—剪刀片；6—第一机械手指；7—第二机械手指；8—螺杆支承轴承；

9—剪刀片支架连接杆；10—推进杆；101-内齿圈孔；102-中部横杆；

103-底部横杆；11—摇杆；12—第一剪刀片支架；13—第二剪刀片支架；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-5所示，本发明提供一种盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手，包括：螺杆减速电机1、推进杆10、摇杆11、剪刀片支架连接杆9、第一机械手指6、第二机械手指7、第一剪刀片支架12、第二剪刀片支架13；

所述推进杆10为倒置f型，包括设置在上部的内齿圈孔101、中部的中部横杆102以及底层的底部横杆103，所述螺杆减速电机1的螺杆与所述内齿圈孔101匹配连接，即通过螺杆减速电机1上螺杆的转动转化为推进杆10的平移运动，推进杆10上同时铰接了第二机械手指的摇杆和剪刀支持架的连接杆。

所述中部横杆102与所述第二机械手指7通过所述摇杆11转动连接，所述摇杆11位于所述中部横杆102下方，所述中部横杆102、所述摇杆11以及所述第二机械手指7连接后的初始状态下的所述摇杆11为倾斜状态。所述第二机械手指7转动铰接于所述第一机械手指6之上，即在竖直方向上第二机械手指7位于第一机械手指6的上方，第一机械手指6和第二机械手指7两者的末端通过转动铰连接，形成为“y”形结构，从而形成一个开合自由度。第二机械手指7采用滑块摇杆机构驱动，通过摇杆11与推进杆10铰接，推进杆10充当直线滑块在螺杆上平移，进而通过与推进杆10转动铰接的摇杆11的摆动下压第二机械手指7，使得第二机械手指7与第一机械手指6产生闭合，以达到抓取盆栽蔬菜的目的。

所述第一剪刀片支架12与所述第二剪刀片支架13通过转轴以水平的x形转动连接于所述第一机械手指6的平面上，两对称剪刀片支架平面与第一机械手指的平面平行，所述底部横杆103与两根所述剪刀片支架连接杆9连接成水平y字形滑块摇杆机构，所述y字形滑块摇杆机构的端部，即两根所述剪刀片支架连接杆9与所述底部横杆103连接的另一端分别与所述第一剪刀片支架12、所述第二剪刀片支架13的端部铰接，铰接处均使用销轴连接。剪刀片5通过螺栓分别安装于第二剪刀片支持架13和第一剪刀片支持架12上，推进杆10充当直线滑块在螺杆上平移，进而通过y字形滑块摇杆机构上的剪刀连接杆18的开合带动第一剪刀片支架12与第二剪刀片支架13的闭合、开启。

上述结构的工作原理阐述如下：

螺杆电机通过推进杆将运动传递至第二机械手指，使两机械手指产生抓取释放动作。两对称剪刀片支架平面与第一机械手指的平面平行，螺杆减速电机通过推进杆和剪刀支持架连接杆使剪刀产生剪切开合运动。

本发明盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手具有抓取培养基和剪切蔬菜根茎两个主要功能，具有一个自由度，由一个螺杆减速电机驱动，两个功能先后分时执行，具有结构紧凑，且抓取动作时其施力方向与蔬菜载荷方向相同，机械手指力方向与负载受力方向匹配，抓取牢固。

所述摇杆11与所述中部横杆102成90°时，所述y字形转动机构的两根所述剪刀片支架连接杆9成180°。所述摇杆11与所述中部横杆102成90°时，第二机械手指7和第一机械手指6刚好接触闭合时，第二机械手指7处于运动的极限位置；此时外部负载作用于第二机械手指7，第二机械手指7通过运动机构摇杆11与中部横杆102相垂直的方式实现自锁，不提高了抓取力，减少维持抓取的能量消耗，而且理论上能抵抗无限大阻力；所述y字形转动机构的两根所述剪刀片支架连接杆9成180°时，当两剪刀片5刚好接触闭合时，两剪刀片5处于运动的极限位置；此时剪切负载作用于两剪刀片5上，两根所述剪刀片支架连接杆9实现自锁，提高剪切力。

执行抓取动作时，机械手前端弧形手指与培养基弧形边沿对齐，螺杆减速电机推动推进杆向前运动，第二机械手指向下转动闭合，夹紧培养基外沿，完全闭合后断电，机械手可以在自锁作用下保持原状态，此时剪刀机构会一并运动，但不剪切实际对象，释放时运动相反。

执行剪切动作时，机械手移动使蔬菜根部进入机械手手指中央半封闭凹陷区域以备剪切，螺杆减速电机推动推进杆向前运动，进一步带动剪刀支持架连接杆运动，最终形成剪刀片闭合剪切运动，完成剪切后执行相反运动，剪刀片张开，此时机械手手指机构会一并运动，但不抓取实际对象。

由上述可知，本发明申请的盆栽蔬菜双自锁抓剪一体机械手装置，第一机械手指和第二机械手指的自锁与剪刀片的自锁状态同时达到，形成双自锁状态，双自锁机构提高了抓取负载能力、控制简单。

所述摇杆11与所述中部横杆102之间有使所述摇杆11绕所述中部横杆102摆动到90°时继续同向摆动的间隙。当螺杆减速电机1主动时，越过自锁位置后，剪刀张开，第二机械手指7和第一机械手指6张开，避免剪刀片5和机械手指相互挤压破坏，具有保护作用。

所述第一机械手指6和\或所述第二机械手指7的末端为圆弧形，呈凸起状,使之能够适应培养基的圆弧形状，使手指能够紧密的嵌入培养基外沿槽中，其半径按照培养基的圆弧半径设计，利于在定位不够精确的情况下保证机械手成功抓取培养基。

所述第一机械手指6与所述第二机械手指7的中部均为向内凹陷的圆弧状，凹陷形成半封闭空间区域，在机械手执行剪切蔬菜根部动作时具有导向作用。其尺寸根据菜根的统计学尺寸选择设计，比之略大，使绝大部分菜根能够顺利进入区域内。

所述螺杆减速电机1外连接有螺杆减速电机支持架2，所述螺杆减速电机支持架2上设有螺杆支撑轴承8，所述螺杆减速电机1上的螺杆穿过所述内齿圈孔101后连接于所述螺杆支撑轴承8内。螺杆减速电机安装在螺杆减速电机支持架上，螺杆末端安装在螺杆支撑轴承8内，螺杆支撑轴承8作为支承，可减小螺杆在工作时的挠曲。

所述第一机械手指6与所述第二机械手指7铰接处连接有角度传感器3，所述角度传感器3连接控制器4。所述角度传感器3安装于所述第一机械手指6与所述第二机械手指7相互铰接的转动轴上，角度传感器3的轴为“d”形截面，为电位器，其电压正比于第一机械手指6和第二机械手指7的张角。抓取和剪切动作均在角度传感器3位置反馈信号的闭环反馈控制下完成，即控制器读取角度位置反馈信号，从而控制螺杆减速电机的转动。

所述控制器4包括对机械手指运动控制的抓取机构控制系统与对剪刀运动控制的剪刀机构控制系统，所述抓取机构控制系统是基于逆运动学的主动柔量鲁棒间接力控制，所述剪刀机构控制系统是基于逆运动学的鲁棒控制。

所述抓取机构控制系统与所述剪刀机构控制系统均包含稳定化线性控制模块、非线性补偿与解耦模块以及鲁棒性控制模块，所述抓取机构控制系统内的鲁棒控制模块运行时增加环境影响因素因子，所述环境影响因素为作用对象或障碍物。鲁棒控制模块运行时增加环境影响因素因子使得既夹持准确，又在夹持不准确碰到障碍物的时候能够采用控制策略避免夹坏对象或者使机械手手指本身损坏。

如图6-17所示，对于控制器内包含的抓取机构控制系统及剪刀机构控制系统的原理阐述如下：

1、刚性机械手轨迹规划

刚性机械手的运动需要尽可能快速，这就要求刚性机械手驱动电机要尽可能以最大速度进行匀速运转。同时，电机运转时需要减少冲击，因此对轨迹及其导数有要求，此时用组合曲线作为轨迹是较为合适的选择。为了保证速度和减小冲击，采用二次曲线和直线组合作为驱动电机轨迹是合适的，过渡时具有相同的速度，此时其一阶、二阶导数连续且有限，其轨迹的三阶导数为无穷，有柔性冲击、没有刚性冲击，对于负载小、低速的机械设备而言已经能够很好地满足要求。

三段组合轨迹曲线可定义如下，

x1(t)＝at²(0≤t<t0)

x2(t)＝bt+c(t0≤t<tmax-t0)

x3(t)＝-a(t-tmax)²+smax(tmax-t0≤t≤tmax)

其中：x1为加速段位移，x2为匀速段位移，x3为减速段位移，t为时间，a、b、c均为相应项的系数，t0为加速度段总时间，tmax为执行一次完整动作时间，smax为行程；

由原函数和一阶导数连续性条件可以求得，

已知smax＝15mm,为了后续推理与作图观察，在作图研究其规律时可以对参数作必要之假定，这不影响规律或者方法的一般性。

此处假定到达终点的时刻为tmax＝2s，且两端加减速时间均为其10％，可得其轨迹，具体如图6所示。

2、剪刀机构控制系统设计

抓取机构与剪刀机构具有不同的功能，其负载特性不一样。剪刀机构的目的在于切断盆栽蔬菜的根茎，执行破坏功能，因此只要剪刀机构能够按照预先规划的轨迹运动即可。抓取机构的目的在于手指部位要夹紧培养基的外沿并移动培养基，既要夹持准确又要在夹持不准确碰到障碍物的时候能够采用控制策略避免夹坏对象或者使机械手手指本身损坏。考虑到两个功能机构具有上述和环境交互的不同特点，因此有必要分别对两功能做控制方案的设计。

由于系统是单自由度的，逆运动学求解较为方便，考虑应用逆运动学控制作为剪刀机构的控制方案，关节空间的精确逆运动学控制方案，具体方框图如图7所示。

一般地，机械手和驱动器构成的系统的动力学模型可以描述为，

其中，b(q)为惯性矩阵，q为关节位形，为表征关节相互作用有关的矩阵，f为表征粘滞摩擦或静摩擦的矩阵，g(q)为重力作用项，u为控制律。

上式亦可以简写为，

其中，

对于剪刀机构，其为单自由度系统，沿着螺杆推进方向的运动方程可以表述为，

在此方程中，没有弹力作用项，me为各个部件瞬时等效总质量，c为等效粘滞摩擦系数，f为静摩擦部分，τ为驱动力，fjoint为机械手指铰接轴在推进方向上的作用分力，上述方程可以改写为，

对各部件等效总质量进行分析如下，

方程也即，

其中mei为零件i的等效质量，等效质量为位置x的非线性函数，也是非线性补偿系数在没有负载作用时，可以容易地判断惯性作用项较小关节作用也较小。实施上，对于机械手的等效质量项，它是关于x的复杂的包含三角函数项在内的非线性函数，同样的fjoint(x)铰接轴的力作用也是x的三角非线性函数，期望获得这一关系是较为困难的；即使获得这一关系，由于其相对摩擦力等显著性较小，或者受工作条件影响每次并不能保持显著的一致，其关系的意义也不大。因此，有必要考虑通过估计的方式进行不完全补偿，这样既能保证控制的效果，又能够避免非线性项的造成的麻烦。

在上面的运动学方程中，相应于一般动力学方程，有，

对于惯性作用的估计可用平均惯量来度量，由于机械手惯量小，事实上具体惯量也不必要知道，采用常数估计即可；对于摩擦与交互作用项，由于粘滞项较为显而易见，可以保留，而铰接轴难以估计，因此舍去。于是，可以得到如下的估计，

估计误差表示为，

在估计条件下的非线性控制向量为u，控制律为y，

由于惯性矩阵b可逆，得到，

其中，

由逆运动学控制律，

由前面三式得，

误差控制向量与方程左侧产生非线性耦合，无法保证误差收敛到零，需要利用李雅普诺夫函数设计外部反馈回路，从而对由于估计不准确带来的η项鲁棒。

下面针对机械手做进一步的推导，

对于剪刀机构，其相应地系统描述为，

且有，

系统状态为，

有如下方程，

其中，

对于鲁棒性的系统假设在实现意义上的满足和推导过程此处不再赘述，直接给出剪刀机构控制律的形式为，

控制律中pd项保证了误差动态系统的稳定性，提供前馈，相较于单纯的精确逆运动学控制增加的w则保证了对估计来带的不确定量的鲁棒性。

令pd系数矩阵为，

k＝[kpkd]

由前面的一阶微分矩阵方程进一步得到关于状态矩阵的方程，

其中，

事实上，我们没有办法根据系统的固有频率来取得关于的kp、kd值，因为系统没有一般意义上的弹性项，但是这不妨碍通过选择的kp、kd值来达到控制的目的。

系统的李雅普诺夫待选函数为，

剪刀机构中q为二阶正定矩阵.根据李雅普诺夫函数对收敛性的影响分析，需要通过，

求解得到q，其中p为任意正定矩阵。

这样，控制律的最后一项就可以表述为，

z＝d^tqξ

其中的参数为qm＝max(q),bm＝max(b),

系统的鲁棒控制方框图如图8所示，

根据鲁棒控制框图所示之原理，下面具体地对机械手剪刀机构做控制策略上的分析。

首先总结控制中所需确定的参数并一一确定之。控制中所需确定的量包括kp,kd,α,ρ,qm,bm,φ,∈,q,b,

取kp＝5，kd＝1，则α＝0，bm＝0.5；又事实上代表了被舍弃的铰接轴力项，不妨给一个充分大的值则φ＝10；且取∈＝10^-3

将前面确定q的矩阵具体化为，

令其中的p12＝0，p21＝0则，

也即，

取p为单位矩阵，可得其解为，

则q为，

于是，qm＝6.1，ρ>bmφ＝5,取ρ＝100

由此，

利用matlab的simulink仿真工具箱可以得到基于逆运动学的鲁棒控制方案仿真分析模型，如图11所示。

需要说明一个问题，上述仿真模型中δ的是一个小量，防止矩阵范数为零时造成除法没有定义而导致运算出错。其中，机械手理应为真实的机械手，此处为了能够计算出仿真的结果，根据前面的方程按照理想的情况予以了假设。另外，在实施过程中反馈回路引入了高频环节消除代数环带来的计算出错问题，这一引入基本上对计算结果的精度无影响。此时可以得到基于逆运动学的鲁棒控制方案控制仿真效果曲线，如图12所示。

可以发现，该鲁棒控制方案有很好的动态跟踪能力，误差范数小，足以满足使用要求。

由于剪刀机构工作时在其中后段可能执行剪切动作，此时将会产生较大的阻力，这里阻力可以视为常量扰动，将之定义为fconstant＝20n,这一定义力已经足够大。同时，考虑机械手剪刀机构在运行的过程中由于难以完全重复的振动和摩擦作用，定义一个随机扰动frandom＝2n，为其幅值，如图9所示的基于逆运动学的有负载与噪声的鲁棒控制方案，得到如图13所示的基于逆运动学的有负载与噪声的鲁棒控制仿真结果曲线图。

可以发现，及时存在外部施加的阻力和干扰，螺杆电机依然能在鲁棒控制方案下实时跟踪所规划的轨迹，因此这一方案可以作为机械手剪刀机构的控制方案。

3、抓取机构的控制方案

3.1抓取机构控制方案的基本分析与说明

抓取机构和剪刀机构共同使用一套驱动系统和传感反馈装置，但是两者执行不同的任务，且执行的任务并不同时进行，因此有必要根据两者任务的不同进行不同的控制方案设计。前述根据剪刀机构的工作特点已经设计了鲁棒控制的控制方案，并表现出优异的控制特性，下面有必要根据抓取机构的工作特点进行相应的控制设计。

从运动学的角度来讲，对剪刀机构和抓取机构没有明显的差异性要求，因此下述之推导设计中两机构采用的轨迹是一样的，也即都是基于前述之等加速等减速匀速组合曲线轨迹来设计其控制方案。

抓取机构工作时，按照理想的设计，随着电机推动机构向下闭合，第二机械手指与第一机械手指逐渐扣紧培养基边沿，直到机械手达到自锁点(也即极限位置)，此时刚好夹紧培养基；如果电机过度推进，由于机构设计上已经有所考虑，此时第二机械手指不会继续下压闭合而是张开，可以避免过度夹紧和机械手手指内部拮抗损坏。

但是，实际工作中有可能出现定位不准导致夹住培养基外沿较厚的棱或者夹住蔬菜菜叶的情况，此时相当于增加了第二机械手指和第一机械手指之间夹持对象的厚度，如果按照原来的运动方案继续夹紧，可能会导致机械手指与夹持对象之间的作用力过大，进而可能对机械手产生损坏作用或者对夹持对象产生损坏所用，这是在实际工作中不希望发生的。

因此，有必要采用力控制的方案进一步设计抓取机构的控制方案，由于设计中并没有力的直接传感反馈，因此设计思路采用间接力控制方案，具体通过位置反馈来实现。并且，下面的讨论针对推进方向上的位移和力进行讨论，对于手指上的位移与力是对应的，当手指遇到阻力的时候也等效于相应的阻力作用于推进方向上；这样的讨论从控制角度而言是合理的也是方便的，所以采用之。

3.2抓取机构主动柔量间接力控制方案的设计

如前所述，抓取机构的轨迹仍然采用剪刀机构的轨迹，其基本控制方案仍然采用鲁棒控制方案。不同的是，在鲁棒控制方案中要加入环境的影响，环境可以指其作用对象，也可以指障碍物的作用，在推进方向上做如下之推演、设计和讨论。

机械手抓取机构的主动柔量间接力控制方案根据如图10所示的基于逆运动学的主动柔量鲁棒间接力控制方案框图：

如前之所述，机械手的运动学方程为，

鲁棒控制方案中，输入力为，

其中，

当引入环境作用力he＝kxe后，原有的运动学方程即变为，

上面k表示环境刚度，xe表示环境静平衡位置与在机械手作用下平衡位置的变形量，当机械手与环境作用而达到平衡时，各阶导数项为0，则必有

u＝kxe

由于各阶导数项为0，此时可以进一步得到，

这就是机械手与环境作用的平衡方程。

为了比较环境刚度和机械手刚度之间的关系，以进一步讨论形变和相互作用力的问题，有必要先单独对机械手施加的力做分析。

可以得到，

(导数项平时为0)

联立以上三式，有，

可以发现，机械手的刚度与有关，实际上是一个变刚度系统且是一个非线性变刚度系统。当机械手越是接近期望的位置，其刚度就越大；当然，尽管其刚度此时变大，但由于位移以相同的阶次减小，且位移作用于常刚度项，可见当机械手位置与期望位置越近时其与外部环境的作用力还是减小的，这与经验事实也是相符合的。

设机械手期望位置与环境静平衡初始位置之间的距离为x0，则可以得到平衡时相互作用力与变形或误差的表达。

补充位移方程，

联立平衡方程，可得机械手位置误差，

环境变形，

相互作用力，

为了得到更加确切的设计比较，在前面剪刀机构控制方案的参数假定下，进一步假定环境刚度值为k＝50n/mm；令接触到环境的起始坐标为环境参考坐标，用xr表示，假定其值为xr＝10mm，用matlab的simulink对系统进行仿真，运用如图14所示的基于逆运动学的主动柔量鲁棒间接力控制方案仿真模型，由此得到如图15所示的基于逆运动学的主动柔量鲁棒间接力控制方案仿真曲线。

从仿真曲线中可以看到，当机械手未与环境或者作用对象接触时，其轨迹如同剪刀机构时一样实现对规划轨迹的良好跟踪。当机械手与环境或者作用对象接触时，相互作用力迅速增大，变形阻碍机械手进一步按照原轨迹运动；在这种作用下，机械手经过一定的震荡调整达到平衡；此时，鲁棒控制作用用来平衡与环境之间的作用力，这一状态得以稳定，相互作用力得以稳定，从而保护了机械手和环境或作用对象。

对设计机械手而言，还有两类信息是重要的。一个是实际工作中对象与机械手接触时的初始位置xr是变化的，有必要研究在不同xr下相互作用力的变化规律；一个是环境刚度k、机械手中比例刚度项kp对二者变形和相互作用力的影响特征，这里相互作用力取稳态值作为特征值，这些实际上就是设计的指导依据。

xr对相互作用力的影响：

如图16所示，可以发现，随着接触点的提前，也即环境或作用对象的几何形貌尺寸参数增大，稳态时机械手和环境或作用对象的相互作用力也越大；当机械手一开始就接触环境或作用对象时，就是每一种刚度参数组合下的极值情况，这时相互作用力达到该种条件下的最大值；自然地，当机械手最后时刻才接触环境或作用对象时，相互作用力为零。

k-kp对相互作用力的影响：

培养基外沿高度为4mm，由前面抓取手输入输出关系曲线，此时xr≈10mm，在这一条件下对设计规律做出相应的探讨，两刚度系数对相互作用力的影响如下，如图17所示。

可以发现，随着环境或作用对象的刚度增大，相互作用力也相应地增大，但这种趋势越来越不明显。当环境刚度较小时，变形方向指向环境，环境刚度主导了相互作用力，机械手刚度对相互作用力影响较小；当环境刚度较大时，机械手刚度主导了相互作用力，环境刚度对相互作用力影响较小。根据此图可以合适地选择k和kp的值；当然，环境刚度较小时可以调节机械手的非线性刚度项系数来进一步调节相互作用力。

据以上所述之方法，即可对实际的机械手做出参数值之设计和调整，有关的几何参数和控制参数并非唯一，模型和方法具有一般性。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。