Development of a Novel Impedance-Controlled Quasi-Direct-Drive Robotic Hand
作者: Jay Best, Amin Fakhari
分类: cs.RO
发布日期: 2024-05-29
备注: 8 pages
💡 一句话要点
提出一种新型阻抗控制准直驱机械手，适用于非结构化环境交互
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 机械手 准直驱 可变阻抗控制 机器人操作 人机交互
📋 核心要点
- 传统机械手依赖复杂传感器和精确控制，难以适应非结构化环境的交互任务。
- 该论文提出一种准直驱机械手，通过可变阻抗控制实现安全灵巧的操作。
- 实验验证了机械手在扰动下稳定抓取、可靠操作和安全动态交互的能力。
📝 摘要（中文）
大多数机械手和夹爪依赖于带有大型齿轮箱的执行器和力传感器来控制抓取力。然而，对于需要机器人与非结构化和未知环境交互的任务来说，这可能并非理想选择。本文介绍了一种新型准直驱双指机械手，它在关节空间和笛卡尔空间中具有可变阻抗控制。该机械手总共有四个自由度、可反向驱动的差动齿轮系和四个无刷直流（BLDC）电机。电机扭矩通过带有电流感应的磁场定向控制（FOC）进行控制。可变阻抗控制使机械手能够在环境-机器人和人-机器人交互期间安全地执行灵巧的操作任务。准直驱执行器消除了在处理环境接触时对复杂触觉/力传感器或精确运动规划的需求。大部分采用3D打印的组装方式使其成为一个低成本的研究平台，该平台采用价格合理、现成的组件构建。实验验证表明，该机械手能够在存在扰动的情况下实现稳定的力封闭和形状封闭抓取，可靠的在手操作，以及在与环境接触时安全地进行动态操作。
🔬 方法详解
问题定义：现有机械手通常依赖于高减速比的齿轮箱和力传感器来实现精确的力控制，这增加了系统的复杂性和成本，并且在与未知环境交互时，需要精确的运动规划和复杂的触觉反馈。这种设计在面对非结构化环境时表现不佳，难以实现安全可靠的抓取和操作。
核心思路：该论文的核心思路是采用准直驱（Quasi-Direct-Drive）结构，结合可变阻抗控制，从而在不需要复杂力传感器和精确运动规划的情况下，实现与环境的安全交互。准直驱结构降低了齿轮比，提高了系统的可反向驱动性，使得机械手能够更好地适应外部扰动。可变阻抗控制允许机械手根据环境反馈调整其刚度和阻尼，从而实现更灵活和安全的抓取。
技术框架：该机械手是一个双指四自由度的系统，每个手指由两个BLDC电机驱动，通过差动齿轮系实现关节运动。电机扭矩通过磁场定向控制（FOC）进行控制，并使用电流传感器进行反馈。整个系统采用可变阻抗控制策略，在关节空间和笛卡尔空间中都实现了阻抗调节。控制系统根据环境反馈动态调整机械手的刚度和阻尼，以实现安全稳定的抓取和操作。
关键创新：该论文的关键创新在于将准直驱结构与可变阻抗控制相结合，从而在低成本的硬件平台上实现了高性能的机械手控制。准直驱结构降低了对力传感器的依赖，简化了控制算法，提高了系统的鲁棒性。可变阻抗控制使得机械手能够适应不同的环境和任务需求，实现更灵活和安全的交互。
关键设计：机械手采用大部分3D打印的结构，降低了制造成本。差动齿轮系的设计允许使用较小的电机实现较大的力输出。可变阻抗控制器的参数（刚度、阻尼）根据任务需求进行调整。磁场定向控制（FOC）算法用于精确控制电机扭矩。电流传感器用于测量电机电流，并作为力反馈的依据。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该机械手能够在存在扰动的情况下实现稳定的力封闭和形状封闭抓取。此外，该机械手还能够可靠地进行在手操作，例如旋转物体。更重要的是，该机械手在与环境发生接触时，能够安全地进行动态操作，这表明其具有良好的鲁棒性和适应性。这些实验结果验证了该机械手在非结构化环境中的应用潜力。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于服务机器人、康复机器人和工业自动化等领域。在服务机器人中，该机械手可以安全地与人类进行交互，完成各种家务任务。在康复机器人中，它可以帮助患者进行精细动作训练。在工业自动化中，它可以处理各种形状和尺寸的物体，提高生产效率。未来，该技术有望进一步发展，实现更智能、更灵活的机器人操作。
📄 摘要（原文）
Most robotic hands and grippers rely on actuators with large gearboxes and force sensors for controlling gripping force. However, this might not be ideal for tasks that require the robot to interact with an unstructured and unknown environment. In this paper, we introduce a novel quasi-direct-drive two-fingered robotic hand with variable impedance control in the joint space and Cartesian space. The hand has a total of four degrees of freedom, backdrivable differential gear trains, and four brushless direct current (BLDC) motors. Motor torque is controlled through Field-Oriented Control (FOC) with current sensing. Variable impedance control enables the robotic hand to execute dexterous manipulation tasks safely during environment-robot and human-robot interactions. The quasi-direct-drive actuators eliminate the need for complex tactile/force sensors or precise motion planning when handling environmental contact. A majority-3D-printed assembly makes this a low-cost research platform built with affordable, readily available off-the-shelf components. Experimental validation demonstrates the robotic hand's capability for stable force-closure and form-closure grasps in the presence of disturbances, reliable in-hand manipulation, and safe dynamic manipulations despite contact with the environment.