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机器人多指手的力规划及其同步协调控制

作　者: 陈栋金
导　师: 姜力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 多指手交叉耦合阻抗力跟踪线性组合力优化
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 26次
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内容摘要

装备有多指手的机器人系统在复杂操作任务领域拥有巨大潜力，研究多指手的控制对提升整个机器人系统的性能具有重大意义。本文结合国家自然科学基金项目“机器人多指手实时力优化和自主操作控制的研究”(课题号：60675045)，在HIT/DLR灵巧手及其控制平台上，以提高多指手的操作精度为目标，研究了多指手的交叉耦合位置控制、阻抗力跟踪控制及抓取力优化算法。多指手的精细操作多通过手指指尖完成。由于手指本质上相当于串联机器人，其末端即指尖的运动轨迹是各关节运动的耦合，因此指尖的运动精度与各关节相关，而传统的控制方法忽略了关节之间的联系。本文探讨了不同形式的交叉耦合误差对手指控制的影响，选择将比例形式的关节间同步误差直接耦合引入到手指的控制量。认为单纯的耦合误差引入将影响系统的稳定性，设计了含耦合补偿的轨迹跟踪控制器，进行了稳定性证明。对设计的控制器进行了实验验证并分析了耦合参数对指尖位置精度、关节间同步误差的影响。多指手在抓取操作过程中需要对操作对象进行力的作用，而自由空间到约束空间的过渡中可能发生冲击。针对这一问题，本文研究了手指的笛卡尔空间阻抗力控制，通过将笛卡尔阻抗转换为等效的关节阻抗进而在关节空间实现笛卡尔阻抗。为实现操作力的精确控制，在引入参考力的基础上，本文设计了以交叉耦合位置控制器为内环的间接自适应阻抗力跟踪控制器。对设计的控制器进行了实验验证并分析了不同内环位置控制器的影响。精细操作要求多指手的抓取力不能过大，而且要求抓取力能够平衡外力并满足摩擦锥约束。因此对多指抓取进行力规划时需要进行力优化，而实际应用要求力优化能够实时进行。本文研究了多指抓取力的优化算法。基于梯度流算法，设计了抓取力初值的线性组合计算方法，理论证明了算法的完备性。构建抓取算例进而对算法进行了仿真验证并分析了算法中权重参数的影响。最后结合交叉耦合位置控制、阻抗力跟踪及抓取力优化进行了多指抓取操作实验验证了算法的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题背景  10
  1.2 多指手发展综述  10-13
  1.3 交叉耦合控制综述  13-14
  1.4 阻抗力跟踪综述  14-15
  1.5 多指手的力优化综述  15-17
  1.6 本研究课题的来源及主要研究内容  17-18
第2章基于交叉耦合控制的单手指轨迹跟踪  18-31
  2.1 引言  18
  2.2 单手指的运动学分析  18-21
  2.3 交叉耦合误差  21-24
    2.3.1 轮廓误差  21-22
    2.3.2 轮廓误差在驱动空间的等效误差  22
    2.3.3 耦合误差  22-24
  2.4 基于交叉耦合的同步控制算法研究  24-27
    2.4.1 耦合补偿  24-25
    2.4.2 交叉耦合控制器  25-26
    2.4.3 稳定性证明  26-27
  2.5 单手指的轨迹跟踪实验及分析  27-29
    2.5.1 轨迹跟踪实验  28
    2.5.2 耦合参数的影响分析  28-29
  2.6 本章小结  29-31
第3章单手指的笛卡尔空间阻抗力跟踪  31-42
  3.1 引言  31
  3.2 单手指的动力学分析  31-33
    3.2.1 关节摩擦模型  31-32
    3.2.2 笛卡尔空间、关节空间、驱动空间的力矩转换  32-33
  3.3 单手指的阻抗控制  33-34
  3.4 阻抗力跟踪算法研究  34-38
    3.4.1 参考位置的计算  35-36
    3.4.2 物体刚度的自适应估计  36-38
    3.4.3 基于位置的阻抗力跟踪算法  38
  3.5 单手指的阻抗控制实验  38-41
    3.5.1 笛卡尔阻抗控制实验  38-40
    3.5.2 阻抗力跟踪实验  40-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章多指抓取力的线性组合计算  42-56
  4.1 引言  42
  4.2 抓取模型  42-44
    4.2.1 接触模型  43
    4.2.2 抓取矩阵  43-44
  4.3 抓取力的计算  44-49
    4.3.1 梯度流力优化算法  45
    4.3.2 初值的线性组合算法  45-47
    4.3.3 线性组合力的摩擦锥约束特性  47-49
  4.4 线性组合算法分析  49
  4.5 多指抓取算例仿真  49-55
    4.5.1 抓取算例  49-52
    4.5.2 连续外力下的初值计算  52-54
    4.5.3 目标函数权重参数的影响分析  54-55
  4.6 本章小结  55-56
第5章多指手抓取操作实验  56-66
  5.1 引言  56
  5.2 多指抓取模型  56-59
    5.2.1 手指与物体的位置关系  57-58
    5.2.2 手指与物体的速度关系  58-59
  5.3 抓取操作实验  59-64
    5.3.1 自由空间的直线操作实验  59-62
    5.3.2 物体作用力跟踪实验  62-64
  5.4 本章小结  64-66
结论  66-67
参考文献  67-72
攻读学位期间发表的学术论文  72-74
致谢  74

机器人多指手的力规划及其同步协调控制

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