自适应抓取控制方法、装置、设备、介质和程序产品与流程

本技术涉及机器人，具体地涉及一种自适应抓取控制方法、装置、设备、介质和程序产品。

背景技术：

1、灵巧手抓取目标物体时，手掌与各手指在物体表面形成多个接触点，接触点的分布、接触面积及压力分布随物体的形状、质量与表面特性而变化。

2、在相关技术中，接触状态的判定以触觉传感单元输出的压力总值为依据，超过设定阈值即判定为已接触。该依据只反映接触的整体强弱，无法区分接触集中于指尖还是分布于掌心，也无法确定接触区域的位置，抓取方式因而在抓取前一次性选定并保持不变，对易损件易因抓取力集中而压损，对较重件易因支撑面不足而脱落。

3、滑移的检测通常以相邻时刻压力总值的变化量是否超过设定阈值为依据，该变化量仅反映整体受力的波动，当物体刚开始相对移动、接触区域内的压力分布已局部变化而压力总值尚未明显变化时不足以识别滑移，往往在明显移位后才被检出。

4、抓取力的目标值通常在抓取前一次设定后保持不变，当物体的表面状态或质量分布与设定条件不一致时，抓取力偏小会使物体滑落，偏大则使物体受损，调整时需暂停抓取并重新设定，抓取过程因而中断。此外，不同抓取方式对位置响应速度与接触力柔顺程度要求不同，采用同一组控制参数时，精细操作场合易出现位置超调，稳定支撑场合易出现接触力波动。

5、因此，如何使接触状态的判定依据从压力总值扩展到手部的接触分布，如何使滑移在物体明显移位之前被识别，以及如何使抓取力随实际的滑移程度在线调整，成为需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本技术提供了一种自适应抓取控制方法、装置、设备、介质和程序产品。

2、根据本技术的第一个方面，提供了一种自适应抓取控制方法，应用于灵巧手，所述灵巧手的手掌和指根区域集成有二维分布式触觉传感器阵列，所述方法包括：通过所述二维分布式触觉传感器阵列实时采集所述灵巧手与目标物体接触时的二维压力矩阵；基于所述二维压力矩阵，进行连通域分析确定接触区域在所述灵巧手上的分布位置，并计算接触面积和压力重心位置；根据所述接触区域在所述灵巧手上的分布位置、所述接触面积和所述压力重心位置，确定所述灵巧手与所述目标物体的接触状态信息；根据所述接触状态信息，从多种预设抓取模式中确定目标抓取模式，并控制所述灵巧手以所述目标抓取模式抓取所述目标物体，其中，所述多种预设抓取模式包括精确捏取模式、强力握持模式和手掌支撑模式；在抓取过程中，根据所述二维压力矩阵的时间序列变化，通过分析相邻时刻二维压力矩阵之间的压力重心位置的位移速度以及局部光流场，检测所述目标物体相对于所述灵巧手的滑移趋势信息；当检测到所述滑移趋势信息满足预设滑移条件时，对所述灵巧手的抓取力进行闭环调节。

3、根据本技术的实施例，基于所述二维压力矩阵，进行连通域分析确定接触区域在所述灵巧手上的分布位置，并计算接触面积和压力重心位置的步骤，包括；将所述二维压力矩阵中压力值大于预设压力阈值的传感单元标记为前景单元，将压力值小于等于所述预设压力阈值的传感单元标记为背景单元；对所述前景单元进行连通域标记，将相互邻接的前景单元归入同一连通区域，得到至少一个连通区域，其中，若两个前景单元在所述二维压力矩阵中的位置满足上下相邻、左右相邻或对角相邻中的任意一种，则判定该两个前景单元相互邻接；对于每个所述连通区域，根据该连通区域内各前景单元在所述二维分布式触觉传感器阵列中的位置，确定该连通区域对应的灵巧手部位，所述灵巧手部位包括指尖、指腹、掌心、大鱼际、小鱼际中的至少一种；根据各所述连通区域对应的灵巧手部位，确定所述接触区域在所述灵巧手上的分布位置；将各所述连通区域对应的前景单元的面积之和确定为各接触区域的接触面积；根据各所述前景单元在所述二维压力矩阵中的位置坐标和对应的压力值，计算所述压力重心位置。

4、根据本技术的实施例，所述接触状态信息包括以下至少一种状态：无接触状态、指尖接触状态、手掌大面积接触状态、手指包裹且掌心接触状态；根据所述接触状态信息，从多种预设抓取模式中确定目标抓取模式的步骤，包括；当所述接触状态信息为所述指尖接触状态时，确定所述目标抓取模式为所述精确捏取模式；当所述接触状态信息为所述手指包裹且掌心接触状态时，确定所述目标抓取模式为所述强力握持模式；当所述接触状态信息为所述手掌大面积接触状态时，确定所述目标抓取模式为所述手掌支撑模式。

5、根据本技术的实施例，根据所述接触状态信息，从多种预设抓取模式中确定目标抓取模式的步骤，还包括；采用有限状态机切换抓取模式，其中，所述有限状态机包括与各抓取模式对应的状态；当处于所述无接触状态且检测到任意接触点的压力值大于预设接触阈值时，根据所述接触区域在所述灵巧手上的分布位置，切换至所述指尖接触状态或所述手掌大面积接触状态，并对应切换至所述精确捏取模式或所述手掌支撑模式；当处于所述指尖接触状态且所述接触面积大于预设面积阈值时，切换至所述手指包裹且掌心接触状态，并切换至所述强力握持模式；当处于所述手指包裹且掌心接触状态且所述压力重心位置向掌心方向移动时，切换至所述手掌大面积接触状态，并切换至所述手掌支撑模式。

6、根据本技术的实施例，在抓取过程中，根据所述二维压力矩阵的时间序列变化，通过分析相邻时刻二维压力矩阵之间的压力重心位置的位移速度以及局部光流场，检测所述目标物体相对于所述灵巧手的滑移趋势信息的步骤，包括；计算相邻时刻二维压力矩阵之间压力重心位置的位移速度；当所述位移速度连续超过预设速度阈值时，判定存在整体滑移趋势；对相邻时刻二维压力矩阵进行局部窗口匹配，计算所述二维压力矩阵的局部光流场；根据所述局部光流场识别所述灵巧手表面的局部微滑移趋势；根据所述整体滑移趋势和所述局部微滑移趋势，生成滑移置信度，作为所述滑移趋势信息。

7、根据本技术的实施例，当检测到所述滑移趋势信息满足预设滑移条件时，对所述灵巧手的抓取力进行闭环调节的步骤，包括；当所述滑移置信度大于预设置信度阈值时，判定满足所述预设滑移条件；根据当前位移速度与期望速度之间的速度差值，按照预先标定的比例增益和积分增益计算抓取力补偿量，其中，所述抓取力补偿量由所述速度差值乘以所述比例增益得到的第一分量、以及所述速度差值对时间的积分乘以所述积分增益得到的第二分量求和得到；将所述抓取力补偿量分配至所述灵巧手的各手指关节力矩，以在原有抓取力的基础上增加抓取力；当所述滑移置信度降低至小于等于所述预设置信度阈值时，停止施加所述抓取力补偿量。

8、根据本技术的实施例，还包括；根据所述目标抓取模式，动态调整阻抗控制器的惯性参数、阻尼参数和刚度参数，其中，当所述目标抓取模式为所述精确捏取模式时，减小所述惯性参数并增大所述刚度参数；当所述目标抓取模式为所述强力握持模式时，增大所述惯性参数和所述刚度参数；当所述目标抓取模式为所述手掌支撑模式时，减小所述惯性参数和所述刚度参数并增大所述阻尼参数，所述阻抗控制器用于根据期望位置与实际位置之间的位置偏差、期望速度与实际速度之间的速度偏差、以及期望加速度与实际加速度之间的加速度偏差，结合所述惯性参数、所述阻尼参数和所述刚度参数，计算所述灵巧手与所述目标物体之间的外部接触力。

9、根据本技术的实施例，还包括；根据所述二维压力矩阵中相邻传感单元之间的压力值差值，计算所述二维压力矩阵的压力梯度；将各个所述压力梯度的绝对值中的最大值，或各个所述压力梯度的绝对值的平均值作为判定指标；当所述判定指标超过预设梯度阈值时，判定所述目标物体为易碎物体，设定最大抓取力上限值；在抓取过程中，限制所述灵巧手输出的抓取力不超过所述最大抓取力上限值，并以位置控制为主导进行抓取，其中，所述以位置控制为主导进行抓取，包括；以所述灵巧手的手指关节到达期望角度位置为主要控制目标；在所述接触力未达到所述最大抓取力上限值时，持续增加位置指令以使所述手指关节向所述期望角度位置运动；在所述接触力达到所述最大抓取力上限值时，停止增加位置指令，或者停止增加位置指令并以减小后的位置指令替代当前位置指令。

10、本技术的第二方面提供了一种自适应抓取控制装置，包括：采集模块，用于通过所述二维分布式触觉传感器阵列实时采集所述灵巧手与目标物体接触时的二维压力矩阵；计算模块，用于基于所述二维压力矩阵，进行连通域分析确定接触区域在所述灵巧手上的分布位置，并计算接触面积和压力重心位置；第一确定模块，用于根据所述接触区域在所述灵巧手上的分布位置、所述接触面积和所述压力重心位置，确定所述灵巧手与所述目标物体的接触状态信息；第二确定模块，用于根据所述接触状态信息，从多种预设抓取模式中确定目标抓取模式，并控制所述灵巧手以所述目标抓取模式抓取所述目标物体，其中，所述多种预设抓取模式包括精确捏取模式、强力握持模式和手掌支撑模式；第三确定模块，用于在抓取过程中，根据所述二维压力矩阵的时间序列变化，通过分析相邻时刻二维压力矩阵之间的压力重心位置的位移速度以及局部光流场，检测所述目标物体相对于所述灵巧手的滑移趋势信息；调节模块，用于当检测到所述滑移趋势信息满足预设滑移条件时，对所述灵巧手的抓取力进行闭环调节。

11、根据本技术的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个计算机程序，其中，上述一个或多个处理器执行上述一个或多个计算机程序以实现上述方法的步骤。

12、根据本技术的第四方面，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，上述计算机程序或指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

13、根据本技术的第五方面，还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，上述计算机程序或指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

14、根据本技术的一些实施例，通过对二维压力矩阵作连通域分析，将相互邻接的前景单元归并为连通区域，并以连通区域在手部的分布位置、接触面积和压力重心位置作为接触状态的判据，使接触形态的判定由整场压力的逐单元比较转换为对少量连通区域统计量的比较，减少了处理器在每个控制周期内需要遍历的数据量与中间变量，避免了以压力总值判断接触形态所引起的抓取模式误判；抓取模式在精确捏取模式、强力握持模式和手掌支撑模式之间按接触状态选定，抓取动作与实际的接触形态保持一致。以相邻时刻二维压力矩阵之间压力重心位置的位移速度判断整体滑移趋势，并对相邻时刻的二维压力矩阵作局部窗口匹配以得到局部光流场，使滑移趋势的识别依据由压力总值的瞬时变化扩展为接触区域内压力分布的整体移动与局部移动，能够在目标物体明显移位之前检出滑移，减少了因滑移未被及时识别而导致的物体脱落、重新抓取以及由此产生的重复计算；滑移趋势信息满足预设滑移条件时对抓取力作闭环调节，使抓取力按滑移程度在线补偿，省去了暂停抓取并重新设定抓取力的过程，抓取过程得以保持连续。