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多指灵巧手的抓取规划策略研究

作 者: 周荣荻
导 师: 王海
学 校: 安徽工程大学
专 业: 机械制造及其自动化
关键词: 多指灵巧手 运动学 动力学 抓取规划 力封闭 形封闭
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 22次
引 用: 0次
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内容摘要


随着社会的发展,人们对生活和工作的要求越来越高。因为机器人能代替人类从事很多复杂、危险的工作,所以当下关于机器人的研究被视为非常热门的课题。机器人多指灵巧手是任务执行的终端操作装备,研究灵巧手时会对其灵活性、智能性、易控制性等多方面因素提出较高的要求。本文首先总结并分析了机器人多指灵巧手的发展史;然后设计了多指灵巧手的机械结构,并对其作了相应的分析;在此结构基础上,对其动力学和静力学进行分析和研究;最后对设计的多指灵巧手进行抓取规划的路径分析。在机械结构设计上,结合人体仿生学的知识,以人手的外形和动作特征为研究对象对灵巧手的机械结构作了优化设计。设计出包含1个手腕、1个手掌、3个手指、每指3个关节的机械结构。驱动方式采用的是直流微型电机,传动方式采用的是腱的方式。最后用UG软件对常见的几种抓取方式进行了模拟仿真。在机械结构基础上,抽象出手指的模型,建立其运动学方程,得出运动学方程的正向解和逆向解,并利用仿真软件对其进行运动仿真。同时分析了静平衡状态下,手指与物体接触的作用力。针对设计的多指灵巧手的结构特点及各指的运动范围,对灵巧手进行了数学描述,并得出其抓取动作的运动学和动力学模型。在此基础上,结合几何与数学相关知识,研究手指轮廓中心与被抓物中心间的映射关系,求解出所有手指中心在总坐标系中的运动学方程。根据整个手指的抓取特征,分别对不同抓取阶段的手指其在关节空间与笛卡尔空间作了规划分析。最后对抓取模式规划、抓取力规划、力封闭形封闭以及抓取力模式等概念进行了相关讨论。对抓取点进行了简单的规划,构成抓取的模式规划。对三指抓取模式下抓取力规划进行研究。主要是利用惩罚函数以及摩擦约束求出最小手指接触力,并将其分解为操作力和抓取力,然后对两者进行详细的分析。目前研究高感知度灵巧手,使其能够完成精密复杂的工作,提高其智能化和扩大其应用领域成为目前研究热点。智能灵巧手的研究涉及众多学科领域,同样,它的发展将会带动这些相关领域的高速发展。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章 绪论  12-19
  1.1 本课题来源  12
  1.2 本课题研究方向和意义  12-13
  1.3 国内、外灵巧手研究的现状和发展趋势  13-17
    1.3.1 国外灵巧手发展现状  13-16
    1.3.2 国内灵巧手发展现状  16-17
  1.4 本文主要研究内容  17-18
  1.5 本章小结  18-19
第2章 多指灵巧手的结构设计  19-30
  2.1 引言  19
  2.2 仿生学及人手解剖学简介  19-21
    2.2.1 仿生学简介  19
    2.2.2 人手解剖学简介  19-21
  2.3 多指灵巧手的机械结构设计  21-28
    2.3.1 手指数量的确定  21-24
    2.3.2 手指的结构设计  24
    2.3.3 手掌和手腕的结构设计  24-25
    2.3.4 多指灵巧手的传动系统  25
    2.3.5 多指灵巧手的驱动装置  25-27
      2.3.5.1 液压/气压驱动  26
      2.3.5.2 形状记忆合金驱动(镍-钛合金)  26
      2.3.5.3 电机驱动  26-27
      2.3.5.4 新型驱动(可伸缩聚合体驱动,压电陶瓷驱动等)  27
    2.3.6 驱动源数目的确定  27-28
  2.4 灵巧手结构的具体说明  28
  2.5 灵巧手几种常见的抓取仿真模拟  28-29
  2.6 本章小结  29-30
第3章 多指灵巧手的运动学和静力学分析  30-44
  3.1 前言  30
  3.2 抓取模式分析  30-34
    3.2.1 多指灵巧手的运动学分析  30
    3.2.2 单指机构位姿方程的正解  30-34
  3.3 三指位姿方程的正向解  34-38
    3.3.1 拇指  35-36
    3.3.2 食指  36-37
    3.3.3 中指  37-38
  3.4 指端球面中心的坐标系表示  38-39
  3.5 三指位姿方程的逆向解  39-41
  3.6 多指灵巧手的静力学分析  41-43
    3.6.1 灵巧手的雅可比矩阵  41-42
    3.6.2 指端力在目标坐标系与球面中心坐标系中的力和力矩变换  42-43
  3.7 本章小结  43-44
第4章 灵巧手的抓取路径规划  44-53
  4.1 引言  44
  4.2 灵巧手抓取的运动轨迹规划  44-52
    4.2.1 轨迹规划方法的选择  45-46
    4.2.2 临近点得选取  46
    4.2.3 在关节空间中的轨迹规划  46-47
    4.2.4 抛物线连接的线性函数插值法  47-50
    4.2.5 轨迹规划的生成  50-51
    4.2.6 在笛卡尔空间中的轨迹规划  51-52
    4.2.7 抓紧阶段和微操作阶段  52
  4.3 本章小结  52-53
第5章 自主抓取规划的实现  53-65
  5.1 引言  53
  5.2 抓取模式规划  53-55
    5.2.1 抓取模式规划器  53-54
      5.2.1.1 物体的几何特征  54
      5.2.1.2 抓取任务描述  54
      5.2.1.3 建立抓取模式的模型  54
    5.2.2 抓取点的规划  54-55
      5.2.2.1 特征平面的概念  54
      5.2.2.2 抓取点确定  54-55
  5.3 抓取的封闭性分析  55-59
    5.3.1 抓取模型  55-57
    5.3.2 形封闭  57-58
    5.3.3 力封闭  58-59
    5.3.4 形封闭和力封闭的关系  59
  5.4 三指抓取手指接触力的计算  59-64
    5.4.1 抓取力的计算  60-61
    5.4.2 抓取力模式的概念  61-62
    5.4.3 操作力的计算  62-63
    5.4.4 最小接触力的计算以及其分解算法  63-64
  5.5 本章小结  64-65
第6章 总结和展望  65-67
  6.1 总结  65
  6.2 研究的不足之处和未来展望  65-67
参考文献  67-72
附录  72-76
攻读学位期间发表的学术论文目录  76-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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