学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于力反馈数据手套的多指灵巧手主从控制的研究

作　者: 方红根
导　师: 刘宏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 外骨骼机构力反馈数据手套阻抗控制扰动观测器遥操作史密斯预测控制
分类号: TP242.6
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 315次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

机器人所处的环境具有复杂性、动态性和不可预测性,另外受计算机技术、控制理论、人工智能和机构等支撑技术发展的制约,要研制出能在非结构化环境下进行完全自主工作的机器人还难以实现。在这种情况下,一个自然的想法是利用一个装置将人的经验智能和机器人的自主功能相结合,将人作为控制系统中的一个环节参与到机器人的控制中,以实现人感知能力和行为能力的延伸,力反馈数据手套就是这样的装置。因此,力反馈装置以及使用力反馈装置控制机器人末端执行器是一个重要的研究领域。本论文的研究目的是:以克服传统力反馈数据手套的缺点为目标,研制一种新型的力反馈数据手套,并以该手套作为主手,HIT/DLR灵巧手作为从手进行主从控制的研究。为克服传统外骨骼力反馈数据手套驱动与外骨骼机构分离(导致结构臃肿);使用时必须和操作者手指指节固连(影响力觉临场感);不能直接测量指尖交互力(影响力觉临场感)的缺点。本文研制了一模块化、多传感器、高集成度的新型力反馈数据手套,该力反馈数据手套基于平行四边形关节和钢丝绳耦合传动机构,能够围绕人手作外骨骼包络运动,并能在弯曲和伸展方向上实现指尖力反馈。通过分析、比较各种主从控制体系优缺点,以力/位置双通道主从控制结构作为本论文实现主从控制及时延主从控制的基本框架。对主端的力反馈数据手套设计了两种控制模式,指尖位置控制和力跟踪控制,控制模式的切换主要取决于从端灵巧手所处的状态,当灵巧手处于自由空间时,主端采用位置控制,当处于约束空间时,主手采用力跟踪控制。指尖位置控制保证操作者自由空间运动的无约束感,力跟踪控制确保约束空间的真实力感。克服了传统力反馈数据手套不能明显区分接触和非接触状态的缺点。为保证从端灵巧手与环境交互的稳定性,在分析机器人与环境交互的稳定性基础上,设计了基于力的关节空间的自适应阻抗控制器作为从端的控制策略。并针对主从端机器人系统的强非线性、摩擦以及系统的不确定性,设计了基于名义动力学模型的速度观测器和扰动观测器(DOB),前者用以改善速度信号的品质,后者做为内环补偿器用于估计系统的干扰并对其进行补偿。针对遥操作系统中时延对系统稳定性和透明性的影响,基于史密斯预测控制(Smith predictor)方法设计了力/位置主从遥操作系统,通过分析该系统的透明性和稳定性,可以得出基于史密斯预测控制的遥操作方法与无源性方法相比,能够获得更好的透明性和稳定性。由于史密斯估计器的性能依赖于模型准确性,针对该问题本文提出了在从端采用扰动观测器的方法使得主端和从端的模型相匹配,克服了史密斯预测控制对线性模型的依赖性。最后,以本课题研制的力反馈数据手套作为主手,本实验室研制的HIT/DLR灵巧手作为从手,进行了主从控制实验和时延主从控制实验,实验结果验证了所研究并采用的控制算法的有效性,同时也验证了该力反馈数据手套能够增强主从操作的临场感。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-32
  1.1 引言  14
  1.2 力反馈数据手套国内外研究现状  14-24
    1.2.1 国外力反馈装置研究现状  14-21
    1.2.2 国内力反馈装置研究现状  21-23
    1.2.3 现有力反馈数据手套存在的一些问题  23-24
  1.3 主从机器人系统控制技术综述  24-31
    1.3.1 单机器人系统控制技术  24-27
    1.3.2 基于扰动观测器的扰动补偿  27-28
    1.3.3 主从机器人系统控制技术  28-31
  1.4 课题来源及主要研究内容  31-32
    1.4.1 课题来源、目的及意义  31
    1.4.2 主要研究内容  31-32
第2章力反馈数据手套的研制  32-54
  2.1 引言  32
  2.2 基于外骨骼机构的力反馈数据手套设计  32-39
    2.2.1 新型力反馈数据手套的设计思路  32-33
    2.2.2 手指的生物结构及耦合运动规律  33-34
    2.2.3 基于平行四边形连杆的外骨骼关节  34-36
    2.2.4 外骨骼力反馈单手指机构设计  36-39
  2.3 力反馈数据手套电气系统的设计  39-53
    2.3.1 传感器系统的设计与实现  39-49
    2.3.2 力反馈数据手套硬件控制系统  49-53
  2.4 本章小结  53-54
第3章力反馈数据手套控制的研究  54-81
  3.1 引言  54
  3.2 力反馈数据手套运动学和动力学分析  54-62
    3.2.1 力反馈数据手套的运动学分析  54-56
    3.2.2 力反馈数据手套指尖力与驱动力的关系  56-57
    3.2.3 力反馈数据手套的动力学分析  57-62
  3.3 基于名义动力学模型的速度观测器设计  62-65
    3.3.1 理想速度信号下PD控制的无源性分析  62
    3.3.2 时延速度信号下PD控制的无源性分析  62-63
    3.3.3 速度观测器的设计  63-65
  3.4 基于扰动观测器的系统不确定性补偿  65-69
    3.4.1 基于动量反馈的扰动观测器摩擦补偿  65-68
    3.4.2 扰动观测滤波器的设计  68-69
  3.5 轨迹规划  69-70
  3.6 操作者对力反馈数据手套控制性能的影响  70-72
  3.7 力反馈数据手套控制的研究  72-79
    3.7.1 基于扰动观测器和速度观测器的位置控制  72-76
    3.7.2 基于指尖光学传感器的自由空间临场感控制  76-78
    3.7.3 指尖力跟踪控制  78-79
  3.8 本章小结  79-81
第4章基于力反馈数据手套的灵巧手主从控制  81-107
  4.1 引言  81
  4.2 基于力反馈数据手套和灵巧手的主从系统硬件平台  81-84
    4.2.1 从端智能灵巧手系统  81-83
    4.2.2 主从系统硬件控制平台  83-84
  4.3 主从机器人系统的控制策略  84-87
    4.3.1 四通道主从控制体系  84-85
    4.3.2 双通道主从控制体系  85-86
    4.3.3 双通道主从控制体系的选择  86-87
  4.4 基于从端阻抗控制的双通道力/位置主从控制  87-88
  4.5 机器人和环境交互的稳定性  88-94
    4.5.1 环境对交互稳定性的影响  88-91
    4.5.2 环境的估计  91-94
  4.6 从端自适应阻抗控制器的设计  94-98
    4.6.1 机器人阻抗控制的几种实现方法  94-95
    4.6.2 自适应阻抗控制器的设计  95-97
    4.6.3 期望阻抗参数的选取准则  97-98
  4.7 DLR/HIT 灵巧手控制的研究  98-102
    4.7.1 笛卡尔位置控制实验  98-100
    4.7.2 灵巧手自适应阻抗控制实验  100-102
  4.8 主从控制实验  102-106
    4.8.1 主从位置控制实验  102-104
    4.8.2 基于从端自适应阻抗控制的主从力/位置控制实验  104-106
  4.9 本章小结  106-107
第5章基于力反馈数据手套的灵巧手主从时延控制  107-125
  5.1 引言  107
  5.2 双通道力/位置遥操作系统模型  107-112
    5.2.1 稳定性判据  109-110
    5.2.2 透明性指标  110-111
    5.2.3 经典力/位置体系稳定性和透明性分析  111-112
  5.3 基于从端阻抗控制的力/位置双通道遥操作  112-113
    5.3.1 从端控制器设计分析  113
    5.3.2 主端控制器设计分析  113
  5.4 基于扰动观测器和史密斯估计的主从遥操作  113-124
    5.4.1 史密斯预测控制方法  113-115
    5.4.2 基于扰动观测器和史密斯估计的控制器结构  115-116
    5.4.3 基于扰动观测器和史密斯估计的力/位置遥操作  116-117
    5.4.4 透明性分析  117-118
    5.4.5 主从遥操作仿真  118-121
    5.4.6 主从遥操作实验  121-124
  5.5 本章小结  124-125
结论  125-127
参考文献  127-137
附录 I HIT/DLR 灵巧手运动学和动力学  137-143
攻读博士学位期间发表的学术论文及其他成果  143-146
致谢  146-147
个人简历  147

基于力反馈数据手套的多指灵巧手主从控制的研究

内容摘要

全文目录

相似论文