基于FPA的新型氣動(dòng)機(jī)器人多指靈巧手研究.pdf

1、末端執(zhí)行器是機(jī)器人與環(huán)境發(fā)生交互作用的最重要部件。傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器存在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自由度少及適應(yīng)性差等缺點(diǎn),嚴(yán)重影響了機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用。機(jī)器人多指靈巧手是一種模擬人手結(jié)構(gòu)、功能及尺寸,具有多自由度、多關(guān)節(jié)的新型末端執(zhí)行器,具有良好的靈活性和適應(yīng)性,為機(jī)器人的應(yīng)用起到了積極推動(dòng)作用,具有很好的研究意義與應(yīng)用價(jià)值。
　　 20世紀(jì)90年代后,一般功能的工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用趨于飽和,機(jī)器人的應(yīng)用逐漸延伸至農(nóng)業(yè)、醫(yī)療康復(fù)、服務(wù)娛樂(lè)等領(lǐng)域中,

2、其抓取目標(biāo)往往是一些脆、嫩或有生命體的對(duì)象,因此,要求機(jī)器人多指靈巧手具有很好的柔性。本文總結(jié)了現(xiàn)有靈巧手存在柔性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以控制等缺點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上提出了一種新型的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)多指靈巧手,命名ZJUT多指靈巧手,其具有良好的被動(dòng)柔性,同時(shí)在某些方面彌補(bǔ)了現(xiàn)有靈巧手的不足。主要完成的研究工作如下:
　　 (1)提出了采用FPA直接驅(qū)動(dòng),模擬人手指?jìng)?cè)擺運(yùn)動(dòng)的側(cè)擺關(guān)節(jié)。從靜力學(xué)角度,以彈性力學(xué)為基礎(chǔ),對(duì)驅(qū)動(dòng)元件FPA自由端進(jìn)行力平

3、衡分析,建立了側(cè)擺關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型；根據(jù)熱力學(xué)第一定律,結(jié)合關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)方程,建立了關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)模型；實(shí)驗(yàn)研究了側(cè)擺關(guān)節(jié)的靜動(dòng)態(tài)特性,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性,分析了理論與實(shí)際曲線誤差存在的原因；采用了串聯(lián)雙閉環(huán)控制方法,對(duì)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角及輸出力矩進(jìn)行了控制研究,結(jié)果表明:期望角度為15°時(shí),關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角閉環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為0.3s,穩(wěn)態(tài)相對(duì)偏差小于0.65％;期望輸出力矩為188Nmm時(shí),閉環(huán)輸出力矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)約為0.3s,穩(wěn)態(tài)相對(duì)偏差小于1.5％；

4、側(cè)擺關(guān)節(jié)可控性高,滿足多指靈巧手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)要求。
　　 (2)提出了具有4個(gè)關(guān)節(jié)、4個(gè)自由度的擬人手指；采用模塊化設(shè)計(jì)方案,將5個(gè)完全相同的手指裝配在擬人手掌上,構(gòu)成ZJUT多指靈巧手的本體結(jié)構(gòu)；采用仿生學(xué)的優(yōu)化方法確定了靈巧手的結(jié)構(gòu)參數(shù)及整手的布局方案,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該手的抓持能力；研制了ZJUT靈巧手的傳感系統(tǒng)；總結(jié)了ZJUT靈巧手的特色之處。
　　 (3)采用D-H法建立ZJUT靈巧手手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；分析得出手

5、指的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)存在冗余解問(wèn)題；提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法IAGA,仿真實(shí)驗(yàn)表明:該算法收斂速度快,魯棒性強(qiáng),能夠有效的解決手指的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解問(wèn)題；對(duì)手指進(jìn)行了位置跟蹤實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于不同的目標(biāo)位置,指尖位置跟蹤動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.5s,位置最大誤差為1.12mm。
　　 (4)基于微分運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,建立了ZJUT靈巧手手指的靜力學(xué)模型,完成了手指靜力跟蹤的半閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證ZJUT靈巧手手指輸出力便于控制的特點(diǎn)；分析了Z

6、JUT靈巧手具有良好被動(dòng)柔性的特點(diǎn)；基于指尖五維力傳感器,提出了一種模糊自適應(yīng)指尖力動(dòng)態(tài)跟蹤控制策略,完成了手指指尖力動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:該控制策略能夠在未知環(huán)境下,實(shí)現(xiàn)對(duì)手指指尖力快速、精確的動(dòng)態(tài)跟蹤,響應(yīng)時(shí)間約為1s,跟蹤誤差穩(wěn)定在±0.15N范圍內(nèi)。
　　 (5)定義了ZJUT靈巧手手掌最佳抓取姿態(tài)；提出了基于ANFIS的抓取模型辨識(shí)方法,仿真結(jié)果表明:該方法能夠很好的對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行模型辨識(shí),同時(shí)具有很好的辨識(shí)精度和收

7、斂性；提出了一種目標(biāo)物體規(guī)則化等價(jià)方法,大大提高了模型辨識(shí)效率；介紹了基于線性約束梯度流抓取力優(yōu)化方法；提出了一種多指靈巧手通用抓取規(guī)劃方案；最后,完成了ZJUT靈巧手的抓取規(guī)劃綜合實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:ZJUT靈巧手能夠?qū)Φ湫托螤畹奈粗繕?biāo)物體進(jìn)行模型辨識(shí),根據(jù)目標(biāo)物體的模型,選擇合理的參與抓取手指數(shù)量及抓取點(diǎn)位置,對(duì)目標(biāo)物體實(shí)施穩(wěn)定抓取,并能夠完成抓取力的優(yōu)化。
　　 本文研究的新型氣動(dòng)多指靈巧手,采用課題組自主研發(fā)的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)