具有力感知功能的水下靈巧手研究.pdf

1、隨著水下機(jī)器人在探測、打撈、管線檢測與修復(fù)等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，對水下機(jī)器人的精細(xì)作業(yè)水平提出了越來越高的要求，具有感知功能的水下靈巧手的研制和開發(fā)逐漸受到各國機(jī)器人研究者的重視。 本課題來源于黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“水下機(jī)器人多指靈巧手基礎(chǔ)技術(shù)研究”項(xiàng)目。在項(xiàng)目中，對具有力感知功能的水下三指靈巧手關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。目的是開發(fā)出一種能安裝到水下機(jī)器人手臂上且通用性比較強(qiáng)的多功能手爪，與機(jī)器人手臂配合使用以擴(kuò)大機(jī)器人的作業(yè)范圍。

2、對提高水下機(jī)器人作業(yè)能力，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的智能化，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。在海洋開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 論文綜述了國內(nèi)外靈巧手、水下機(jī)械手爪、力感知技術(shù)和力控制技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。 文中參考非水環(huán)境靈巧手的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮靈巧手使用的具體環(huán)境，提出了具有九個(gè)自由度的三指水下靈巧手的總體方案，包括機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了手指的密封結(jié)構(gòu)，并分析了該種方式的效率。通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)使水下靈巧手的

3、結(jié)構(gòu)更趨合理性，最大限度提高水下靈巧手的作業(yè)能力。設(shè)計(jì)了包括關(guān)節(jié)位置、指尖力和視覺的傳感器系統(tǒng)。根據(jù)仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)了基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)，在保證實(shí)時(shí)性要求的前提下，提高系統(tǒng)的可靠性、易維護(hù)性。 指尖力傳感器是水下靈巧手實(shí)現(xiàn)力封閉控制，完成智能抓取的關(guān)鍵因素，用于檢測手指與物體之間作用力的大小和作用點(diǎn)的位置。針對水下環(huán)境的特殊性，進(jìn)行水下指尖力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用彈性力學(xué)建立了精確的數(shù)學(xué)模型，最后采用有限元方法驗(yàn)證該

4、數(shù)學(xué)模型是精確有效的，并且從結(jié)果分析可知，該數(shù)學(xué)模型的精度遠(yuǎn)優(yōu)于使用材料力學(xué)所建立的數(shù)學(xué)模型精度。該數(shù)學(xué)模型對圓筒式多維力傳感器的主動(dòng)設(shè)計(jì)具有重要的意義。 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型是機(jī)器人控制的必然要素。文中針對水下靈巧手的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行手指運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。水下靈巧手用于水下環(huán)境，作業(yè)時(shí)必將受水環(huán)境的影響，其動(dòng)力學(xué)模型非常復(fù)雜。文中在作相關(guān)假設(shè)的前提下，考慮水阻力、附加質(zhì)量力等的影響，建立了較為精確的水下靈巧手手指動(dòng)

5、力學(xué)模型，并對其進(jìn)行仿真，分析了水環(huán)境對手指運(yùn)動(dòng)的影響。 使水下靈巧手能夠真正靈巧地進(jìn)行各種精細(xì)操作，控制方法的設(shè)計(jì)尤為重要。水下靈巧手精確作業(yè)主要是在約束空間的柔順力控制，由于手指動(dòng)力學(xué)模型精度問題和物體模型不確定性，使柔順力控制面臨較大的困難。文中在分析傳統(tǒng)阻抗控制方法的基礎(chǔ)上，介紹了位置型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)阻抗控制方法。基于指尖力傳感器，提出了物體剛度和物體位置不確定情況下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償策略，對位置型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)阻抗控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)