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五指仿人灵巧手的结构设计及其控制的研究

作　者: 陈大勇
导　师: 蔡鹤皋
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 机器人灵巧手结构设计阻抗控制抓取规划
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

灵巧手是仿人机器人系统的重要组成部分,影响着整个机器人系统的灵巧化、智能化水平。随着人类对空间等未知领域的探索,应用的广泛性和作业条件的复杂性对机器人灵巧手提出了更高的要求。研制智能化、灵巧化、稳定可靠的机器人灵巧手成为机器人领域重要的研究课题。本课题来源于国家科技部(863计划)先进制造技术领域“新一代五指仿人灵巧手及其协调控制的研究”。本课题结合机械、驱动、传感等领域的先进技术研制了HIT/DLR-II型五指仿人灵巧手,包括手指和手掌的本体结构设计、单指控制和多指抓取规划的研究。新一代HIT/DLR-II型仿人灵巧手具有高度集成化、模块化、高可靠性、易于维护以及具有可重构的手掌结构等特点。HIT/DLR-II灵巧手由五个模块化的手指组成,每个模块化的手指具有三个自由度、四个关节。由于采用微型的盘式电机、谐波减速器及合理的结构布置,该灵巧手的外形尺寸相对于上一代灵巧手得到了极大的改善。此外,新一代灵巧手还具有一个可重构化的手掌结构,包括五指的空间布置和内敛/外收的拇指结构。可以通过配置拇指的不同位置来满足不同的抓取要求。单指控制是多指控制的基础层和执行层。本文基于灵巧手的手指结构,分析了灵巧手的手指运动学、动力学和手掌运动学,为实现灵巧手控制做准备。手指控制分为自由空间的位置控制和约束空间的柔顺控制,本文实现了HIT/DLR-II灵巧手关节空间的位置控制、指尖笛卡尔空间的位置控制和基于位置的阻抗控制。抓取规划是实现HIT/DLR-II灵巧手抓取操作的前提。传统的多指抓取矩阵过于复杂,难于在实际中得到应用。本文通过总结抓取理论和简化抓取模型,提出了对不同尺寸的球体的抓取规划算法,确定最佳抓取点和手指的运动分配。最后通过在Adams中进行抓取仿真验证了算法的正确性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-19
  1.1 引言  8-9
  1.2 灵巧手的发展综述  9-14
    1.2.1 国外发展综述  9-13
    1.2.2 国内发展综述  13-14
  1.3 灵巧手控制综述  14-18
    1.3.1 单手指控制  15-16
    1.3.2 多手指控制  16-18
  1.4 课题的研究意义和主要研究内容  18
  1.5 本文结构  18-19
第2章 HIT/DLR-II 灵巧手系统  19-34
  2.1 引言  19
  2.2 集成化的灵巧手机械结构  19-28
    2.2.1 手指的模块化设计  20-23
    2.2.2 手掌的结构设计  23-28
  2.3 传感系统  28-31
  2.4 电气系统  31-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章 HIT/DLR-II 灵巧手运动学与动力学分析  34-48
  3.1 引言  34
  3.2 手指运动学与静力学分析  34-37
    3.2.1 手指正位置运动学  34-36
    3.2.2 手指逆位置运动学  36
    3.2.3 手指微分运动学及静力学  36-37
  3.3 手指动力学分析  37-39
    3.3.1 电机的动力学特征  37
    3.3.2 关节动力学特征  37-38
    3.3.3 手指动力学  38-39
  3.4 整手运动学分析  39-44
    3.4.1 拇指运动学分析  39-42
    3.4.2 手掌运动学分析  42-44
  3.5 改进前后手掌抓取能力的对比  44-47
  3.6 本章小结  47-48
第4章 HIT/DLR-II 灵巧手单手指控制  48-58
  4.1 引言  48
  4.2 单手指位置控制  48-53
    4.2.1 关节空间的位置控制  48-50
    4.2.2 关节空间的位置控制实验  50-51
    4.2.3 笛卡尔空间的位置控制  51-52
    4.2.4 笛卡尔空间的位置控制实验  52-53
  4.3 单手指阻抗控制  53-57
    4.3.1 基于位置的关节空间阻抗控制  53-55
    4.3.2 关节空间的阻抗控制实验  55-57
  4.4 本章小结  57-58
第5章 HIT/DLR-II 灵巧手多指抓取规划  58-66
  5.1 引言  58
  5.2 多指抓取模型的简化  58-60
  5.3 球体的抓取规划  60-64
    5.3.1 多指抓取点的选择  61
    5.3.2 拇指的运动分配  61-63
    5.3.3 球体的抓取规划  63-64
  5.4 球体的抓取仿真  64-65
  5.5 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-72
致谢  72

五指仿人灵巧手的结构设计及其控制的研究

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