procyberВестник кибернетикиProceedings in Cybernetics1999-7604Бюджетное учреждение высшего образования Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Сургутский государственный университет»10.35266/1999-7604-2026-1-1procyber-739Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИEngeneeringО методе моделирования процесса захвата манипулятором объекта с применением оптимизационной задачи и регулирования силы давленияOn process modeling method of manipulator object grasping based on optimization problem and pressure force controlhttps://orcid.org/0009-0009-1534-8484ДжинХэJinHe

магистр

Master’s Degree Student

https://orcid.org/0000-0001-9061-4193МасленниковА. Л.MaslennikovA. L.

старший преподаватель

Senior Lecturer

amas@bmstu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1826-910XЩербакО. Ю.ScherbakO. Yu.

ассистент

Assistant

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, МоскваРоссияBauman Moscow State Technical University, MoscowRussian Federation202613042026251617Copyright © Джин Х., Масленников А.Л., Щербак О.Ю., 20262026Джин Х., Масленников А.Л., Щербак О.Ю.Jin H., Maslennikov A.L., Scherbak O.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestcyber.ru/jour/article/view/739

 работе рассматривается задача моделирования захвата манипуляционным роботом объекта заданной формы. В качестве робота-манипулятора рассматривается система, близкая по своей кинематической конфигурации к кисти человека. Процесс моделирования условно делится на несколько этапов: позиционирование робота-манипулятора над объектом, позиционирование пальцев робота относительно геометрии объекта захвата, вычисление силы контакта, необходимой для захвата объекта, движение робота-манипулятора вместе с объектом. Первый и последний этапы выполняются путем изменения координат кинематического центра робота-манипулятора. Этап позиционирования пальцев сводится к обратной задаче кинематики, которая решается с использованием эволюционного метода оптимизации – генетического алгоритма. На этапе захвата определяется необходимая сила контакта, вычисление которой основано на решении задачи слежения за заданной установкой – заданной силой касания. Величина заданной силы касания выбирается из условия обеспечения необходимой силы трения между пальцами и объектом, которая обеспечит надежный захват. При этом динамика касания пальцев аппроксимируется динамикой второго порядка. Результаты моделирования демонстрируют принципиальную применимость предложенного подхода к задаче захвата объекта манипулятором.

The work addresses the problem of simulating grasping an object of a specific shape by a robotic manipulator. The robot under consideration is similar to the human hand in terms of kinematic configuration. The modeling mechanism includes several stages: positioning the robotic hand over the object, placing the manipulator’s fingers relative to the shape of the object grasped, calculating the contact force required to grasp the object, and moving the hand holding the object. The first and last phases are conducted by changing the coordinates of the robotic manipulator’s kinematic center. The finger positioning stage is reduced to solving the inverse kinematics problem through an evolutionary optimization method, i.e. a genetic algorithm. The grasping phase defines the relevant contact force based on resolving the tracking issue for a set value, which is a predetermined touch force. The amount of the assigned touch force is reliant on the required friction force between fingers and the object that ensures a firm grasp. The authors approximate the finger dynamics to second-order dynamics. The simulation findings reveal the applicability of the proposed method to the problem of object grasping using a robotic manipulator.

 

  

биотехническая системасистема управлениязахват объектаробот-манипуляторзадача обратной кинематикигенетический алгоритмbiotechnical systemcontrol systemobject graspingrobotic manipulatorinverse kinematics problemgenetic algorithmReferencesМасленников А. Л., Щербак О. Ю. Перспективы развития биотехнических систем, создаваемых по образу двигательной системы человека // Journal of Advanced Research in Natural Science. 2019. № 8. С. 49–57. https://doi.org/10.26160/2572-4347-2019-8-49-57.Масленников А. Л., Щербак О. Ю. Перспективы развития биотехнических систем, создаваемых по образу двигательной системы человека // Journal of Advanced Research in Natural Science. 2019. № 8. С. 49–57. https://doi.org/10.26160/2572-4347-2019-8-49-57.Toedtheide A., Fortunić E. P., Kühn J. et al. A wearable force-sensitive and body-aware exoprosthesis for a transhumeral prosthesis socket // IEEE Transactions on Robotics. 2023. Vol. 39, no. 3. P. 2203–2223. https://doi.org/10.1109/tro.2023.3251947.Toedtheide A., Fortunić E. P., Kühn J. et al. A wearable force-sensitive and body-aware exoprosthesis for a transhumeral prosthesis socket // IEEE Transactions on Robotics. 2023. Vol. 39, no. 3. P. 2203–2223. https://doi.org/10.1109/tro.2023.3251947.Zhang J., Zhao H., Chen K. et al. Dexterous hand towards intelligent manufacturing: A review of technologies, trends, and potential applications // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2025. Vol. 95. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2025.103021.Zhang J., Zhao H., Chen K. et al. Dexterous hand towards intelligent manufacturing: A review of technologies, trends, and potential applications // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2025. Vol. 95. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2025.103021.Newbury R., Gu M., Chumbley L. et al. Deep learning approaches to grasp synthesis: A review // IEEE Transactions on Robotics. 2023. Vol. 39, no. 5. P. 3994–4015.Newbury R., Gu M., Chumbley L. et al. Deep learning approaches to grasp synthesis: A review // IEEE Transactions on Robotics. 2023. Vol. 39, no. 5. P. 3994–4015.Beltran-Hernandez C. C., Petit D., Ramirez-Alpizar I. G. et al. Learning force control for contact-rich manipulation tasks with rigid position-controlled robots // IEEE Robotics and Automation Letters. 2020. Vol. 5, no. 4. P. 5709–5716. https://doi.org/10.1109/lra.2020.3010739.Beltran-Hernandez C. C., Petit D., Ramirez-Alpizar I. G. et al. Learning force control for contact-rich manipulation tasks with rigid position-controlled robots // IEEE Robotics and Automation Letters. 2020. Vol. 5, no. 4. P. 5709–5716. https://doi.org/10.1109/lra.2020.3010739.Nakamura Y., Nagai K., Yoshikawa T. Dynamics and stability in coordination of multiple robotic mechanisms // The International Journal of Robotics Research. 1989. Vol. 8, no. 2. P. 44–61. https://doi.org/10.1177/027836498900800204.Nakamura Y., Nagai K., Yoshikawa T. Dynamics and stability in coordination of multiple robotic mechanisms // The International Journal of Robotics Research. 1989. Vol. 8, no. 2. P. 44–61. https://doi.org/10.1177/027836498900800204.Dai H., Majumdar A., Tedrake R. Synthesis and optimization of force closure grasps via sequential semidefinite programming // Robotics Research. Springer Proceedings in Advanced Robotics / Bicchi A., Burgard W., eds. Cham : Springer, 2018. Vol. 2. P. 285–305. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51532-8_18.Dai H., Majumdar A., Tedrake R. Synthesis and optimization of force closure grasps via sequential semidefinite programming // Robotics Research. Springer Proceedings in Advanced Robotics / Bicchi A., Burgard W., eds. Cham : Springer, 2018. Vol. 2. P. 285–305. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51532-8_18.Ozawa R., Tahara K. Grasp and dexterous manipulation of multi-fingered robotic hands: A review from a control view point // Advanced Robotics. 2017. Vol. 31, no. 19–20. P. 1030–1050. https://doi.org/10.1080/01691864.2017.1365011.Ozawa R., Tahara K. Grasp and dexterous manipulation of multi-fingered robotic hands: A review from a control view point // Advanced Robotics. 2017. Vol. 31, no. 19–20. P. 1030–1050. https://doi.org/10.1080/01691864.2017.1365011.Fakhari A., Keshmiri M., Kao I. et al. Slippage control in soft finger grasping and manipulation // Advanced Robotics. 2016. Vol. 30, no. 2. P. 97–108. https://doi.org/10.1080/01691864.2015.1105149.Fakhari A., Keshmiri M., Kao I. et al. Slippage control in soft finger grasping and manipulation // Advanced Robotics. 2016. Vol. 30, no. 2. P. 97–108. https://doi.org/10.1080/01691864.2015.1105149.Заика В. В., Масленников А. Л. Математическое моделирование однозвенного сферического маятника в сферической системе координат // Политехнический молодежный журнал. 2019. № 9 (38). http://dx.doi.org/10.18698/2541-8009-2019-9-522.Заика В. В., Масленников А. Л. Математическое моделирование однозвенного сферического маятника в сферической системе координат // Политехнический молодежный журнал. 2019. № 9 (38). http://dx.doi.org/10.18698/2541-8009-2019-9-522.Заика В. В., Масленников А. Л. Синтез системы регулирования сферического маятника методом компенсации нелинейностей // Фундаментальные основы механики. 2019. № 4. С. 74–79. https://doi.org/10.26160/2542-0127-2019-4-74-79.Заика В. В., Масленников А. Л. Синтез системы регулирования сферического маятника методом компенсации нелинейностей // Фундаментальные основы механики. 2019. № 4. С. 74–79. https://doi.org/10.26160/2542-0127-2019-4-74-79.Заика В. В., Масленников А. Л. Цифровая система управления сферическим маятником // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2020. № 21. С. 82–88. https://doi.org/10.26160/2474-5901-2020-21-82-88.Заика В. В., Масленников А. Л. Цифровая система управления сферическим маятником // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2020. № 21. С. 82–88. https://doi.org/10.26160/2474-5901-2020-21-82-88.Spong M. W., Hutchinson S., Vidyasagar M. Robot modeling and control, second edition // IEEE Control Systems. 2022. Vol. 42, no. 1. P. 126–128. https://doi.org/10.1109/MCS.2021.3122271.Spong M. W., Hutchinson S., Vidyasagar M. Robot modeling and control, second edition // IEEE Control Systems. 2022. Vol. 42, no. 1. P. 126–128. https://doi.org/10.1109/MCS.2021.3122271.Dong S., Yuan Z., Zhang F. A simplified method for dynamic equation of robot in generalized coordinate system // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1345, no. 4. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1345/4/042077.Dong S., Yuan Z., Zhang F. A simplified method for dynamic equation of robot in generalized coordinate system // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1345, no. 4. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1345/4/042077.Заика В. В., Масленников А. Л. Цифровая система управления трехзвенного сферического маятника с координированным управлением // Автоматизация. Современные технологии. 2022. Т. 76, № 12. С. 566–572. https://doi.org/10.36652/0869-4931-2022-76-12-566-572.Заика В. В., Масленников А. Л. Цифровая система управления трехзвенного сферического маятника с координированным управлением // Автоматизация. Современные технологии. 2022. Т. 76, № 12. С. 566–572. https://doi.org/10.36652/0869-4931-2022-76-12-566-572.Gracia-Ibáñez V., Vergara M., Sancho-Bru J. L. et al. Functional range of motion of the hand joints in activities of the International Classification of Functioning, Disability and Health // Journal of Hand Therapy. 2017. Vol. 30, no. 3. P. 337–347. https://doi.org/10.1016/j.jht.2016.08.001.Gracia-Ibáñez V., Vergara M., Sancho-Bru J. L. et al. Functional range of motion of the hand joints in activities of the International Classification of Functioning, Disability and Health // Journal of Hand Therapy. 2017. Vol. 30, no. 3. P. 337–347. https://doi.org/10.1016/j.jht.2016.08.001.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.