О методе моделирования процесса захвата манипулятором объекта с применением оптимизационной задачи и регулирования силы давления

В 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.