DLR-HIT仿人靈巧手系統(tǒng)及手指柔順控制的研究.pdf

1、具有多種感知功能仿人機(jī)器人靈巧手作為提高機(jī)器人系統(tǒng)作業(yè)水平和智能水平的重要工具，成為機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向。靈巧手本體的研制和多方面的控制工作是靈巧手研究的兩個(gè)重要方面，本體提供了操作基礎(chǔ)，控制對(duì)于靈巧手的操作性能具有致關(guān)重要的意義。本文結(jié)合國(guó)家“863”計(jì)劃704主題項(xiàng)目“空間實(shí)驗(yàn)室艙內(nèi)機(jī)器人綜合服務(wù)系統(tǒng)仿人靈巧手的研究”，研制了達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的DLR/HIT仿人靈巧手，并重點(diǎn)進(jìn)行了單手指的位置控制、柔順控制的研究和兩指協(xié)調(diào)

2、精細(xì)操作策略的研究。
　　DLR/HIT仿人靈巧手由四個(gè)相同結(jié)構(gòu)的手指組成，共有13個(gè)自由度，具有多種感知、集成化和模塊化、高度數(shù)字化以及可重構(gòu)手掌等特點(diǎn)。傳感器的種類及數(shù)量，對(duì)于提高靈巧手的作業(yè)水平和智能化水平具有重要意義，DLR/HIT手具有力感、位置感和溫度感等多種感知功能。采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想，將機(jī)械本體與傳感、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)以及電氣系統(tǒng)等統(tǒng)一考慮、合理布局，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。每個(gè)模塊化的手指，作為可獨(dú)立工作的小機(jī)器人集

3、自身的驅(qū)動(dòng)、傳感、通訊等功能為一體。模塊化的手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了靈巧手的設(shè)計(jì)過程，提高了系統(tǒng)的互換性，便于維護(hù)。DLR/HIT手基于FPAG/DSP結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集、高速的通訊系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)控制，保證了信號(hào)的質(zhì)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。除此硬件基礎(chǔ)外，API函數(shù)和相關(guān)的用戶程序接口等使操作者在不需要知道硬件工作原理的基礎(chǔ)上也能操作靈巧手工作，為上層操作者提供了一個(gè)友好的試驗(yàn)平臺(tái)。
　　靈巧手的外觀，對(duì)于靈巧手的應(yīng)用以及得到認(rèn)可是

4、非常關(guān)鍵的。在具有開放式結(jié)構(gòu)的DLR/HIT靈巧手樣機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)靈巧手的仿人型外觀設(shè)計(jì)是本文重點(diǎn)研究的一個(gè)內(nèi)容，包括外觀的設(shè)計(jì)和樣機(jī)本體的修改設(shè)計(jì)兩方面工作。首先以DLR/HIT靈巧手樣機(jī)作為內(nèi)骨骼，進(jìn)行靈巧手的外觀效果設(shè)計(jì)，進(jìn)而以此設(shè)計(jì)效果為目標(biāo)利用三維造型軟件進(jìn)行靈巧手包裝件的具體設(shè)計(jì)，并根據(jù)外觀設(shè)計(jì)的需要，對(duì)機(jī)械本體、傳感器結(jié)構(gòu)等進(jìn)行修改。
　　單手指控制是靈巧手控制系統(tǒng)的底層，其控制性能直接影響靈巧手的操作性能。單手指可

5、以看作一個(gè)小的串聯(lián)機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論適用于手指的研究，本文首先基于手指結(jié)構(gòu)，分析了手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，為手指的控制做準(zhǔn)備。手指的控制可以分為自由空間的位置控制和約束空間的柔順控制。本文運(yùn)用Paul提出的四次多項(xiàng)式軌跡插補(bǔ)算法和驅(qū)動(dòng)器的滑模變結(jié)構(gòu)控制，設(shè)計(jì)了手指的關(guān)節(jié)位置跟蹤控制算法，并進(jìn)而完成了笛卡爾空間的指尖位置控制。
　　當(dāng)靈巧手在完成與環(huán)境接觸的作業(yè)時(shí)，手指的柔順性十分重要，阻抗控制是實(shí)現(xiàn)手指主動(dòng)柔順的主要