仿人靈巧手觸覺傳感器及控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、仿人型靈巧手在提高機(jī)器人系統(tǒng)的操作執(zhí)行能力方面扮演著重要的角色，研制多指靈巧手的觸覺傳感系統(tǒng)及其控制操作，對(duì)于提高多指靈巧手的操作能力及智能化水平具有重要意義。本文結(jié)合國家863計(jì)劃的主題項(xiàng)目“新一代五指仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抓取操作的研究”，研制機(jī)器人五指靈巧手的觸覺傳感器，并對(duì)基于觸覺的靈巧手控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。
　　本文研制一種基于HIT/DLR II五指靈巧手指尖非規(guī)則曲面的微型柔性觸覺傳感器。該傳感器電極采用同向配置形式，

2、并直接與柔性電路系統(tǒng)相結(jié)合附著在靈巧手指尖區(qū)域。覆蓋在電極表面的壓阻橡膠既能夠保證觸覺傳感器精確檢測(cè)指尖接觸位置，又能夠測(cè)量該點(diǎn)的接觸力大小。基于七次多項(xiàng)式的方法進(jìn)行觸覺傳感器單觸點(diǎn)的靜態(tài)力標(biāo)定。在此基礎(chǔ)上采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)多觸點(diǎn)加載接觸的情況進(jìn)行整體標(biāo)定及解耦，用以提高觸覺傳感器實(shí)際應(yīng)用能力。由36個(gè)觸覺感知單元構(gòu)成的指尖感知系統(tǒng)能夠精確檢測(cè)觸點(diǎn)位置及接觸力。該傳感器提高了HIT/DLR II靈巧手指尖非規(guī)則曲面力和位置檢測(cè)的分

3、辨率，同時(shí)具有高集成度和微型化等特點(diǎn)。
　　觸覺傳感器使靈巧手能夠精確感知指尖觸點(diǎn)的位置，根據(jù)HIT/DLR II五指靈巧手的構(gòu)型，利用D-H參數(shù)法構(gòu)建手指常規(guī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，基于覆蓋在指尖區(qū)域的觸覺傳感器把手指指肚分割成多個(gè)獨(dú)立單元片體的特點(diǎn)，構(gòu)建了能夠真實(shí)反映指尖觸點(diǎn)位置變化的手指末端精確運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。該運(yùn)動(dòng)學(xué)模型引入了觸點(diǎn)個(gè)數(shù)及末端桿件偏轉(zhuǎn)角參數(shù)，大大提高了手指抓取運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的精確性?；谠撃Ｐ徒⒘耸种傅膭?dòng)力學(xué)模型，

4、并采用基于模型分析的方法進(jìn)行了手指模型的參數(shù)辨識(shí)，為控制系統(tǒng)提供數(shù)學(xué)支撐。
　　為了保證手指運(yùn)動(dòng)的精確性和抓取操作的柔順性，首先研究了手指的位置控制和阻抗控制策略。基于辨識(shí)后的手指模型，利用根軌跡方法，分別設(shè)計(jì)速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)節(jié)器。與傳統(tǒng)的基于工程試湊法相比，該方法既縮短了參數(shù)整定的時(shí)間，又提高了控制模型的數(shù)學(xué)描述能力。其次，基于手指關(guān)節(jié)空間的動(dòng)力學(xué)模型，建立手指的操作空間模型，實(shí)現(xiàn)了手指笛卡爾空間的阻抗控制。該方法直接利用觸覺

5、傳感器測(cè)量的手指末端觸點(diǎn)位置及力信息，通過逆雅可比控制實(shí)現(xiàn)，有效降低了控制算法的復(fù)雜度。為了補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的參數(shù)不確定性，基于卡爾曼濾波進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)參數(shù)估計(jì)，并在手指上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　為了滿足觸覺傳感器多觸點(diǎn)數(shù)據(jù)信息處理的實(shí)時(shí)性要求，設(shè)計(jì)了基于QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的HIT/DLR II靈巧手控制平臺(tái)。該平臺(tái)由具有強(qiáng)大的圖形化建模功能的Simulink子平臺(tái)、具有硬件加速功能的QNX子平臺(tái)及靈巧手子平臺(tái)三部分組成，并采用以太網(wǎng)非

6、阻塞式通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)間的無縫融合。利用Simulink子平臺(tái)的圖形化建模功能開發(fā)了靈巧手專用Simulink模塊庫，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和擴(kuò)展能力，對(duì)靈巧手的實(shí)時(shí)控制能力及系統(tǒng)集成具有重要意義。為了驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)時(shí)性及可擴(kuò)展性，首先，進(jìn)行了融合觸覺信息的笛卡爾控制實(shí)驗(yàn)。其次，通過基于Simulink平臺(tái)構(gòu)建的靈巧手自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理抓取模型（MR-ANFIS）對(duì)被操作物體進(jìn)行了形狀重構(gòu)和位姿識(shí)別。該模型的最大特點(diǎn)是僅利用手指末端觸覺傳感器