超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多指靈巧手及主從控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、為了適應(yīng)日益復(fù)雜的柔性作業(yè)和遠(yuǎn)程靈巧操作的需要，具有和人手結(jié)構(gòu)類似的機(jī)器人靈巧手的研究，一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。同時(shí)，由于人工智能理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器等支撐技術(shù)發(fā)展的限制，要想使靈巧手在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)完全自主的工作還是非常困難的。因此，利用主從控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈巧手的遙操作也一直伴隨著機(jī)器人靈巧手的研究。本文研究超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多指靈巧手及其主從控制系統(tǒng)，其主要研究成果如下:
　　1、在綜合分析國(guó)內(nèi)外機(jī)器人靈巧手的

2、研究現(xiàn)狀和人手的生理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用超聲電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，設(shè)計(jì)了一種仿人靈巧手，實(shí)現(xiàn)了在尺寸、重量和自由度方面都接近人手的目標(biāo)。
　　2、采用機(jī)器人D-H參數(shù)建模方法建立了靈巧手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。針對(duì)其單指具有冗余度的特點(diǎn)，參考人手指運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系，提出一種解析法+數(shù)值法的快速運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證?？紤]到腱傳動(dòng)方式帶來的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)之間的耦合問題，建立了關(guān)節(jié)空間與驅(qū)動(dòng)空間之間的耦合方程，為實(shí)現(xiàn)靈巧手運(yùn)動(dòng)控制打下了基礎(chǔ)。

3、　　3、建立了人手示教方式下的多指抓取數(shù)學(xué)模型。參考人手抓取經(jīng)驗(yàn)，提出接觸穩(wěn)定裕度的概念并將其引入到抓取內(nèi)力規(guī)劃中，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、安全的抓取力規(guī)劃。為了提高多指手的抓取性能，在關(guān)節(jié)空間建立了兩個(gè)抓取性能指標(biāo)，以物體位姿參數(shù)為優(yōu)化變量，建立了多指手抓取物體的多目標(biāo)優(yōu)化抓取規(guī)劃模型。利用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法獲得了規(guī)劃模型的非劣解集前沿，通過三指手的仿真驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。
　　4、研制了兩種不同類型的主操作手:穿戴型被動(dòng)式力反饋

4、主操作手和桌面型主動(dòng)式力反饋主操作手，重點(diǎn)對(duì)前者進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；贒SP主控制器搭建了控制系統(tǒng)的硬件部分，并進(jìn)行相關(guān)軟件設(shè)計(jì)。此外，采用PID+Bang-Bang技術(shù)實(shí)現(xiàn)了靈巧手單指的關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間的軌跡跟蹤控制，基于阻抗控制策略實(shí)現(xiàn)了手指的指尖接觸力控制，并進(jìn)行了頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。為了衡量?jī)煞N主操作手的操作性能，分別進(jìn)行了主從運(yùn)動(dòng)控制和力反饋的實(shí)驗(yàn)。
　　5、時(shí)延以及不確定性等因素容易造成雙邊遙操作系統(tǒng)操作性

5、能差，甚至不穩(wěn)定等問題。為了解決這一問題，針對(duì)主、從端不同的任務(wù)特點(diǎn)，提出一種新的雙邊遙操作系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。由于主端在實(shí)現(xiàn)力反饋時(shí)易受擾動(dòng)影響，設(shè)計(jì)一種非線性擾動(dòng)觀測(cè)器用于擾動(dòng)的在線估計(jì)并進(jìn)行補(bǔ)償;從端采用基于滑模的阻抗控制以保證精確的位置跟蹤和與環(huán)境的期望交互。利用萊威林絕對(duì)穩(wěn)定準(zhǔn)則推導(dǎo)出時(shí)延下保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件以及參數(shù)選取依據(jù)。最后在建立的單自由度遙操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明所提方法能夠在保證系統(tǒng)魯棒性的條件下有效提