機(jī)器人靈巧手指尖柔性觸覺(jué)傳感器研制及操作研究.pdf

1、通過(guò)利用必要的傳感器信息,機(jī)器人靈巧手能夠有效完成對(duì)多種物體的抓取和操作任務(wù)。其中指尖觸覺(jué)傳感器可有效獲取接觸狀態(tài)和接觸位置等信息,這些信息對(duì)提高機(jī)器人靈巧手的實(shí)際操作能力(尤其是滾動(dòng)接觸操作能力)至關(guān)重要。因此本文以哈工大機(jī)器人研究所與德宇航中心聯(lián)合研制的 HIT/DLR Hand II型多指靈巧手為平臺(tái),進(jìn)行了靈巧手指尖觸覺(jué)傳感器研制及操作研究。
　　針對(duì)陣列壓阻式觸覺(jué)傳感器的回路干擾問(wèn)題,本文首先構(gòu)建了基于電壓反饋法和零電勢(shì)

2、法的最簡(jiǎn)化的回路干擾抑制電路;然后仿真分析了模擬開關(guān)和多路開關(guān)導(dǎo)通電阻值對(duì)各個(gè)電路測(cè)量精度的影響;最后比較分析了各個(gè)電路對(duì)回路干擾的抑制性能。這為后續(xù)的指尖觸覺(jué)傳感器的回路干擾抑制電路的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)。
　　本文研制了一種基于壓阻原理的柔性的貼敷式指尖觸覺(jué)傳感器。該傳感器具有36個(gè)觸覺(jué)單元。針對(duì)非可展曲面近似展開問(wèn)題,提出了一種省道切割結(jié)合有限元分析的非可展曲面近似展開法。該方法首先利用添加省道的方式適當(dāng)分割非可展曲面,然后利用

3、有限元分析軟件獲取二維近似展開圖。利用該方法設(shè)計(jì)的該傳感器本體能夠很好地包絡(luò)該靈巧手手指指尖的三維曲面。針對(duì)該靈巧手對(duì)高集成的要求,設(shè)計(jì)了該傳感器基于片上可編程系統(tǒng)的嵌入式信號(hào)采集處理系統(tǒng)。為了測(cè)試該傳感器的性能,設(shè)計(jì)了觸覺(jué)傳感器的性能測(cè)試系統(tǒng)。指尖觸覺(jué)傳感器系統(tǒng)的成功研制為該靈巧手在抓取操作過(guò)程中獲取接觸狀態(tài)和接觸位置等信息提供了必要保障。
　　為了提高該靈巧手手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)模型的精度,構(gòu)建了基于觸覺(jué)傳感器位置信息的運(yùn)動(dòng)學(xué)和

4、力學(xué)模型。與傳統(tǒng)的基于虛擬指尖法構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)模型相比,該模型能夠有效提高該靈巧手手指對(duì)笛卡兒空間接觸位置和接觸力的檢測(cè)精度,為該靈巧手后續(xù)的控制研究奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
　　為了保證該靈巧手手指在與環(huán)境接觸時(shí)的柔順性,研究了手指基于觸覺(jué)和力矩傳感器信息融合的笛卡兒阻抗控制。首先提出了適用于求取串聯(lián)機(jī)器人任意連桿中任意一點(diǎn)處所受的內(nèi)力和內(nèi)力矩的算法,該算法采用連桿假想截?cái)喾ɡ门ｎD–歐拉方程推導(dǎo)而出,推導(dǎo)過(guò)程綜合考慮了串聯(lián)機(jī)器人是

5、否處于靜態(tài)和末端是否受外力作用的情況,以及串聯(lián)機(jī)器人的關(guān)節(jié)是否是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的情況;然后利用該算法推導(dǎo)了連桿力矩傳感器空間的動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)將連桿力矩傳感器的原始信號(hào)經(jīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后融合觸覺(jué)傳感器位置信息計(jì)算得到的笛卡兒空間作用力轉(zhuǎn)化為位置、速度和加速度的修正量的方式,構(gòu)建了基于觸覺(jué)和力矩傳感器信息融合的兩種基于位置的笛卡兒阻抗控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法和所構(gòu)建的笛卡兒阻抗控制器是有效的,同時(shí)也表明基于觸覺(jué)和力矩傳感器信息融合的笛卡兒阻抗控制能

6、夠有效提高手指指尖的動(dòng)態(tài)位置跟蹤精度。這為該靈巧手的后續(xù)操作研究奠定了基礎(chǔ)。
　　針對(duì)靈巧手在操作未知物體時(shí)可能因發(fā)生滾動(dòng)而無(wú)法完成期望操作的問(wèn)題,首先構(gòu)建了基于固定接觸點(diǎn)假設(shè)的靈巧手操作的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)模型,然后在此基礎(chǔ)上提出了基于指尖觸覺(jué)傳感器的變接觸點(diǎn)操作策略。該策略利用機(jī)器人靈巧手手指指尖觸覺(jué)傳感器檢測(cè)指尖接觸點(diǎn)位置,通過(guò)判斷是否發(fā)生滾動(dòng)的方式進(jìn)行手指末端桿件的尺寸參數(shù)更新控制,既考慮了實(shí)際滾動(dòng)發(fā)生的情況,又無(wú)需已知物體的幾