基于指尖傳感器的DLR-HIT機(jī)器人靈巧手阻抗控制的研究.pdf

1、機(jī)器人靈巧手的柔順控制一直是其智能化研究的重要方向。當(dāng)靈巧手從事對物體抓握操作等復(fù)雜作業(yè)時(shí)，不可避免的與環(huán)境發(fā)生接觸，這就對機(jī)器人的柔順性提出了要求，即機(jī)器人對工作環(huán)境應(yīng)具有一定的順從能力，具有一定的魯棒性來提高其克服不確定因素和適應(yīng)操作環(huán)境變化的能力，這是機(jī)器人的智能化的重要特征。因此，為提高機(jī)器人靈巧手的本體性能和控制性能，本文結(jié)合國家“863”課題“具有多種感知功能的多手指仿人機(jī)器人靈巧手及其遠(yuǎn)程遙控作業(yè)的研究”，重點(diǎn)研究了DLR

2、/HIT機(jī)器人靈巧手手指的阻抗控制問題。 DLR/HIT機(jī)器人靈巧手采用模塊化設(shè)計(jì)方法，通過集成化的機(jī)械本體設(shè)計(jì)和全數(shù)字的電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了靈巧手的模塊化。這種方法大大簡化了多指手的設(shè)計(jì)過程，由于手指間的可互換性提高了多指手的可靠性，簡化了維護(hù)難度。DLR/HIT機(jī)器人靈巧手的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，特別是其特有的DSP/FPGA結(jié)構(gòu)的全數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具有高速、高集成度等特點(diǎn)；并根據(jù)多指手的控制要求設(shè)計(jì)了必需的API函數(shù)和相關(guān)的用戶

3、接口，從而使任何不了解多指手硬件工作原理的操作人員可以輕松地實(shí)現(xiàn)對所有系統(tǒng)硬件資源的訪問和控制，為DLR/HIT多指手的控制、抓取操作研究提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 力感知是靈巧手抓握和操作的重要條件，本文研制了高度微型化、集成化的6維指尖力/力矩傳感器。該傳感器采用微型的彈性體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力和力矩的敏感，使用高性能的表面封裝元件構(gòu)成信號(hào)調(diào)理電路，并實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字串行輸出。電路放置在傳感器的本體中，不僅實(shí)現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)的微型化和集成化

4、，而且提高了傳感器輸出信號(hào)的品質(zhì)。靜態(tài)耦合是影響多維力傳感器測量精度的主要因素，本文基于最小二乘理論，根據(jù)傳感器的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了一種靜態(tài)線性解耦方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微型6維指尖力/力矩傳感器達(dá)到了靈巧手系統(tǒng)的使用要求。 研究了DLR/HIT機(jī)器人靈巧手的控制結(jié)構(gòu)，利用手指運(yùn)動(dòng)學(xué)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)論，并基于抗積分飽和PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了手指關(guān)節(jié)位置跟蹤和指尖笛卡爾位置控制策略；同時(shí)，在位置控制基礎(chǔ)上，當(dāng)機(jī)器人靈巧手在完成與環(huán)境相

5、接觸的作業(yè)時(shí)，對機(jī)器人靈巧手的柔順控制進(jìn)行了研究，本文利用指尖力傳感器，基于力和基于位置的兩種阻抗控制策略實(shí)現(xiàn)了DLR/HIT機(jī)器人靈巧手手指的主動(dòng)柔順控制，并提出了一種新的控制算法，避開了直接計(jì)算阻抗控制中的加速度項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了二階模型的阻抗特性。 機(jī)器人靈巧手在完成某些特定任務(wù)時(shí)，要求手指與被操作對象保持一定的接觸力。本文在分析阻抗控制力跟蹤特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了阻抗控制的力跟蹤問題，并且從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，提出了適合于D