超聲電機驅(qū)動的多指靈巧手及主從控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、為了適應日益復雜的柔性作業(yè)和遠程靈巧操作的需要，具有和人手結構類似的機器人靈巧手的研究，一直是機器人研究領域的熱點和難點。同時，由于人工智能理論、計算機控制技術、傳感器等支撐技術發(fā)展的限制，要想使靈巧手在非結構化環(huán)境下實現(xiàn)完全自主的工作還是非常困難的。因此，利用主從控制技術實現(xiàn)靈巧手的遙操作也一直伴隨著機器人靈巧手的研究。本文研究超聲電機驅(qū)動的多指靈巧手及其主從控制系統(tǒng)，其主要研究成果如下:
　　1、在綜合分析國內(nèi)外機器人靈巧手的

2、研究現(xiàn)狀和人手的生理結構基礎上，采用超聲電機作為驅(qū)動部件，設計了一種仿人靈巧手，實現(xiàn)了在尺寸、重量和自由度方面都接近人手的目標。
　　2、采用機器人D-H參數(shù)建模方法建立了靈巧手的運動學模型。針對其單指具有冗余度的特點，參考人手指運動的耦合關系，提出一種解析法+數(shù)值法的快速運動學逆解算法，并進行了仿真驗證?？紤]到腱傳動方式帶來的關節(jié)運動之間的耦合問題，建立了關節(jié)空間與驅(qū)動空間之間的耦合方程，為實現(xiàn)靈巧手運動控制打下了基礎。

3、　　3、建立了人手示教方式下的多指抓取數(shù)學模型。參考人手抓取經(jīng)驗，提出接觸穩(wěn)定裕度的概念并將其引入到抓取內(nèi)力規(guī)劃中，實現(xiàn)了穩(wěn)定、安全的抓取力規(guī)劃。為了提高多指手的抓取性能，在關節(jié)空間建立了兩個抓取性能指標，以物體位姿參數(shù)為優(yōu)化變量，建立了多指手抓取物體的多目標優(yōu)化抓取規(guī)劃模型。利用多目標粒子群優(yōu)化算法獲得了規(guī)劃模型的非劣解集前沿，通過三指手的仿真驗證了本文所提方法的有效性。
　　4、研制了兩種不同類型的主操作手:穿戴型被動式力反饋

4、主操作手和桌面型主動式力反饋主操作手，重點對前者進行了運動學和動力學的優(yōu)化設計?；贒SP主控制器搭建了控制系統(tǒng)的硬件部分，并進行相關軟件設計。此外，采用PID+Bang-Bang技術實現(xiàn)了靈巧手單指的關節(jié)空間與笛卡爾空間的軌跡跟蹤控制，基于阻抗控制策略實現(xiàn)了手指的指尖接觸力控制，并進行了頻率響應實驗。為了衡量兩種主操作手的操作性能，分別進行了主從運動控制和力反饋的實驗。
　　5、時延以及不確定性等因素容易造成雙邊遙操作系統(tǒng)操作性

5、能差，甚至不穩(wěn)定等問題。為了解決這一問題，針對主、從端不同的任務特點，提出一種新的雙邊遙操作系統(tǒng)控制結構。由于主端在實現(xiàn)力反饋時易受擾動影響，設計一種非線性擾動觀測器用于擾動的在線估計并進行補償;從端采用基于滑模的阻抗控制以保證精確的位置跟蹤和與環(huán)境的期望交互。利用萊威林絕對穩(wěn)定準則推導出時延下保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件以及參數(shù)選取依據(jù)。最后在建立的單自由度遙操作系統(tǒng)實驗平臺上進行了實驗研究，結果表明所提方法能夠在保證系統(tǒng)魯棒性的條件下有效提