基于欠驱动原理的多指灵巧手结构设计及实验研究

针对传统的多指灵巧手手指驱动源多、结构复杂,抓取过程中驱动电机保持堵转状态导致发热量大、寿命短,以及无法准确感知目标物体的位姿并施加合理的抓取力等问题,对灵巧手手指结构、系统构型及传感器等方面进行了研究。提出了一种具有欠驱动特性及自锁特性的多指灵巧手手指结构方案及具有不同承载能力的腱传动结构方案,设计了二指、三指及五指灵巧手系统构型,开发了高灵敏度、低成本一维力传感器及触觉传感器;以三指灵巧手为例,加工了实验样机,利用实验样机进行了相关实验。研究结果表明:该灵巧手的手指结构能够有效降低驱动源数量,实现机构减重,通过更改腱传动机构,可实现不同承担不同负载,具有较好的安全性和可靠性,一维力传感器及触觉传感器具有较高的灵敏度、准确性及低成本特性,该灵巧手指具有较高的重复定位精度,可完成针对不同形状物体的稳定、可靠的抓取任务。     

模块化磁吸五指灵巧手结构设计与控制研究

针对目前五指灵巧手自由度低、拆装繁琐等问题,设计出一种模块化、易拆装、直驱式11自由度五指灵巧手。通过永磁铁实现手指关节间的快速拆装,每个手指关节至少有±90°转动范围;通过对大拇指转动角度的特殊设计,可实现灵巧手左/右手模式直接切换以及双侧同时抓取。通过3D打印制作了五指灵巧手样机。针对灵巧手多传感器造成控制系统复杂的问题,提出采用电流反馈控制算法,通过对电机驱动电流进行信号采集和后处理,建立了电流-转角-指尖力之间的数学模型,并进行了抓取实验。结果表明,设计的模块化灵巧手具有较强的抓取能力,并且通过电流反馈控制算法,可以实现对灵巧手运动状态和抓取力的控制,完成对目标物抓取操作。     

手指关节可独立控制的欠驱动灵巧手

为了实现对物体的精准抓取,针对欠驱动灵巧手手指关节转动不可控问题提出一种新颖的关节可锁紧的单腱欠驱动灵巧手的设计方案,完成了灵巧手关节锁紧机构和指间耦合机构的结构设计,并运用Matlab对灵巧手手指工作空间进行仿真。对关节锁紧机构和指间耦合机构动作起到关键作用的耦合弹簧和复位弹簧进行了设计,对影响关节驱动力矩的参数优化分析,得到优化后的手指传动机构和腱绳张紧机构。通过灵巧手样机对不同形状、大小物体的抓握试验,证明本欠驱动灵巧手可实现手指关节锁紧的动作,具有良好的包络抓握能力和较强的精确抓取能力。     

仿人四指灵巧手的抓持能力分析

对四指仿人灵巧手的结构及单手指运动学及动力学进行了分析,为深入地研究该灵巧手的控制提供了理论依据。在ADAMS中进行了灵巧手抓取物体仿真实验,实时得到手指与抓取物体间的接触力值。并利用有限元方法分析了灵巧手在强力抓取时的手指结构的力学性能,验证了该灵巧手可以达到实现设计目标所要求的抓取载荷。为抓取实验提供了抓取物体重量的理论分析依据。     

基于机械臂灵巧手智能数据采集系统的设计与分析

在非结构环境中机器人对不同形状、重量物体的有效抓取效率低。针对这一现状,自主设计了一套基于机械臂灵巧手的智能数据采集系统平台,该平台由Kinect2.0摄像机、BH8-282三指灵巧手、UR5六自由度机械臂等设备组成,通过对目标物体的自动识别和定位,自主运动规划路线完成对目标物体的抓取动作,并得到抓取目标物的视觉和触觉信息。实验表明,该平台可以在无人监督的情况下,完成对目标物体的有效抓取,并实现对视觉和触觉数据的完全自动化采集。实验过程中对3 589组抓取目标物数据分析,未抓住目标物的比例为15.41%,抓稳的比例为42.91%,未抓稳的比例为41.86%,总体实验效果较好。     

仿人灵巧手的结构设计与单指的控制策略

基于机电一体化设计思想和最新的驱动技术,通过分析人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式以及运动规则,利用仿生学原理设计了一种仿人五指灵巧手。该灵巧手有5个手指,11个自由度,在外观和功能上接近人手;除拇指外其余四指采用模块化设计从而简化了灵巧手的机械结构设计过程,增强了互换性和可靠性。该灵巧手在结构上是人手的1.5倍,手指具有位置、力/力矩以及关节角度的感知功能。通过气动人工肌肉驱动,利用C8051F040单片机对灵巧手指进行控制,采用PID控制算法实现对手指各个关节的位置反馈控制。     

基于仿肌弹性欠驱动手的设计与分析

针对仿肌腱传动灵巧手存在的驱动单元多、机构体积过大、控制系统复杂等问题,提出一种新型的仿肌弹性欠驱动手。以人类手指解剖学特征为思路,进行了仿人手指设计,通过引入双肌腱和弹性元件来实现手指的欠驱动,并给出合理选择弹性参数的方法,保证了手指的可达空间和抓取可靠性。进行了手指运动学分析,建立了关节空间到肌腱空间的映射关系。为获得最优的手掌尺寸及抓取范围,提出一种手指位置参数优化方法,并给出了评价指标,通过对比验证了该方法的优势。最后,进行了不同形状、尺寸物体的抓取实验,结果表明该欠驱动手具有较强的自适应抓取能力、广泛的物体抓取范围。     

三指灵巧手结构设计及接触力规划

针对传统灵巧手追求灵活性而带来其外形尺寸过大、结构复杂的问题,设计一种小巧紧凑而灵活性高的全驱动三指灵巧手并建立其三维模型。采用拉格朗日法建立单手指动力学模型并进行动力学分析。然后将灵巧手三维模型导入ADAMS软件中建立灵巧手虚拟样机进行仿真,得到其运动学与动力学等性能曲线。利用MATLAB软件对其动力学方程进行数值分析,其理论分析结果与ADAMS仿真结果一致,验证了理论计算的正确性和灵巧手结构设计的合理性。基于拉格朗日乘子法求取抓取力初值,通过引入稳定系数对其进行优化得到优化接触力,同时也验证了其在手指关节驱动力矩约束下的合理性,为灵巧手手指抓取力计算提供了新的参考。     

基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制

为了使灵巧手更加轻质化、拟人化,设计了一种由舵机经套索驱动的19关节灵巧手。参照人手关节确定灵巧手的构型,通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置,并分别对关节机构与驱动集成进行了设计。建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析;基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制。搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验。实验结果表明,将套索传动应用于灵巧手具有可行性,基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取。     

弹性欠驱动四指灵巧手设计与试验

全驱动灵巧手需要较多独立驱动单元,控制系统复杂,导致体积和重量过大,费用昂贵,在实际应用中有极大局限性。欠驱动灵巧手具有驱动单元少、控制简单等特点。在保证具有一定运动灵巧性的前提下,欠驱动灵巧手能极大降低灵巧手本体及控制系统的复杂度和制造维护成本,体现出更高的实际应用价值。由此提出一种新颖的仿人单腱弹性欠驱动四指灵巧手的设计方案。同时,完成四指灵巧手本体结构设计,及分析获得关节弹簧刚度的选取方法。对影响关节驱动转矩的滑轮单元进行几何参数的优化分析,得到手指传动机构的较优设计方案。通过多指手样机对不同形状、大小物体的抓握试验,证明本欠驱动四指灵巧手具有抓取自适应能力和较强抓取能力。     

三指灵巧手结构设计与动态抓取研究

针对目前多自由度灵巧手存在的结构复杂、体积庞大等问题,设计了一种结构紧凑、质量轻盈的电机直驱式8自由度三指灵巧手。通过微型电机与齿轮减速器配合使用,实现了关节直驱方式,减少了驱动力损耗,手指驱动力得到有效提高。针对灵巧手在动态抓取模式下的不足,通过嵌入式超声波传感器、压力传感器和角度传感器的联合使用,对灵巧手的动态抓取算法进行了研究。通过3D打印制作了三指灵巧手样机,并进行了抓取实验验证。实验表明,设计的三指灵巧手具有较强的抓取能力;通过多传感器的融合控制算法,可以使灵巧手对动态目标物实现准确、安全、稳定的抓取。     

欠腱驱动多指灵巧手的设计

提出一种欠腱驱动多指灵巧手，它具有结构简单，操作灵巧，控制容易，较高的操作适应性，每个多指节手指仅用一个腱驱使手指弯曲运动。文中描述了欠腱驱动多指灵巧手的结构设计与手指位移分析，与现有的多指灵巧手和欠驱动多指杆机器人手相比，这种手指灵巧手的结构更为简单紧凑，且能减少控制的复杂性、重量和成本，并能实现多功能地抓取不同物体的能力。     

人工肌肉驱动的多指灵巧手运动学计算与分析

目前对灵巧手的运动学分析对象多为单指结构,很少涉及多指协调的运动学分析,为了更好地完成HUST灵巧手的抓取规划,主要针对多指灵巧手的运动学问题以及各手指的操作可达性进行分析计算与验证。根据气动人工肌肉驱动的HUST灵巧手的结构特点,采用标准D-H参数法建立各手指指尖相对于手掌坐标系的运动方程,分析求解多指气动灵巧手的正逆运动学问题,基于Matlab对灵巧手的工作空间进行仿真分析,得出了各手指在手掌坐标系下的操作可达空间,并通过抓取实例验证了运动学与仿真分析的正确性,为多指灵巧手的抓取规划提供了重要依据。     

基于PSO算法优化模糊PID控制器的灵巧手抓取控制研究

随着仿生学的进展,机器人领域中五指灵巧手作为主要执行机构的重要性不断增强。然而,在抓取过程中,五指灵巧手常常面临内部作用复杂、速度缓慢和效率低等问题。为了应对这些挑战,该文提出了一种基于角度闭环模糊自适应控制算法。该算法采用模糊策略来推断灵巧手关节角度偏差与控制器参数之间的关系,并制定相应的模糊规则。通过实时调整控制器参数,该算法能够提高系统的稳定性和抓取效率。此外,通过建立ADAMS模型和相应的闭环控制系统,以提高实验过程的可视化程度。实验结果表明,通过采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization Algorithm)优化模糊自适应PID算法并改进系统参数,相较于传统的PID算法,可以显著减少灵巧手在抓取过程中的关节抖动,并展现出更好的手指指尖接触力控制性能。     

灵巧手指面压力与驱动电机电流关系的建模

为了使灵巧手在抓取过程中避免对物件造成损伤或脱落,对指面压力的预测和控制是当前需要解决的主要问题。通过在灵巧手装置中加入力传感器和电流传感器,在抓取过程中同步采集手指末端的压力和驱动电机电流的原始信号,并运用Savitzky-Golay滤波算法对原始信号中的噪声进行处理,最后采用最小二乘法曲线拟合对灵巧手的指面压力与驱动电机电流的关系进行建模。结果表明指面压力与驱动电机电流之间的数学模型为3阶多项式关系,利用该关系式可实现通过控制灵巧手驱动电机电流来对灵巧手指面压力进行预测和控制的目的。     

基于并联手指结构的多功能灵巧手的设计与研究

为满足工业生产对机器人末端夹持器灵巧性和承载能力的要求，设计了一种基于并联手指结构的多功能灵巧手。对手指机构的运动学、工作空间、奇异性进行了分析，对灵巧手的承载能力进行优化，并通过ADAMS仿真进行了验证。样机实验说明灵巧手具有理想的工作空间和较好的自适应性，可以实现对不同形状物体的随形抓取，适应柔性化工业生产的要求。     

三指灵巧手运动学分析及抓持仿真

参考人手的结构特征,设计了一种三指灵巧手,手指采用模块化设计,各手指结构相同。手指各主动关节均由直流伺服电机驱动,通过锥齿轮和钢丝绳传动机构传动,直流伺服电机和传动机构均配置在手指内部。采用D-H法建立手指坐标系,推导出运动学正、逆解,为灵巧手控制和抓取规划的研究奠定基础。运用仿真软件A D A M S对灵巧手抓持球体过程进行仿真分析,结果表明三指灵巧手在其工作空间内能够实现对物体的精确抓取。     

基于SMA丝驱动的仿人手指传动结构设计与研究

由于SMA驱动器具有结构简单、控制简单、功率密度大的特性,在仿人灵巧手的驱动装置中得到广泛研究。但是在实际应用中存在驱动位移小的问题,需要将驱动器放置到手臂中来增加驱动位移。采用模块化的欠驱动手指结构设计,将形状记忆合金丝直接作为传动和驱动部件,设计了驱动位移放大结构,并采用永磁铁作为复位结构,实现了驱动与传动的一体式轻量化设计。对仿人灵巧手的传动结构进行了分析。通过3D打印手指模型并组装了单根手指,实现了对日常用品的抓取操作。     

腱绳驱动机械手的设计及其柔性抓取控制

为了实现机械手稳定的自适应抓取目的,需要加强对抓取信息的感知处理,同时设计柔顺的力控抓取算法。针对不同尺寸、外形、材质的物体对抓取姿态和力度要求各异的问题,提出了一种腱绳驱动的柔性三指机械手方案及对应的柔性抓取力控算法(导纳力控算法)。首先,设计了一种腱绳驱动柔性机械手指,提出了一种往复式缠绕的腱绳传动线路,制作了柔性机械手的实物;其次,采用改进Denavit-Hartenberg(DH)法,建立了机械手指的运动学模型,利用MATLAB的机器人工具箱,分析了手指的自适应包络能力;然后,设计了适配机械手驱动的导纳控制算法,通过在实物上的程序实现和控制测试对机械手的柔性力控性能进行了验证;最后,搭建了柔性机械手的软件控制平台和实机实验平台,对不同目标物体进行了实物抓取实验,对柔性机械手的稳定抓取能力进行了验证。研究结果表明：该往复式缠绕传动线路和导纳力控算法可保证该机械手在面对不同尺寸、外形、材质的物体时,具有抓取形状的高自适应性和抓取力的高柔顺性;在抓取过程中,机械手的手指可以自适应地包络目标,并借助导纳控制算法柔顺地控制抓取力,进而完成稳定、可靠的抓取任务。     

基于变胞理论的欠驱动多指节灵巧手指的构态分析

基于变胞机构理论,提出了一种新的分析欠驱动多指节灵巧手指的方法,定义了欠驱动二指节灵巧手指抓取过程的3个构态,并通过邻接矩阵建立了各构态之间转换的关系方程,从而从根本上解释了灵巧手指的欠驱动原理,为欠驱动灵巧手的机构设计及控制规划提供了理论指导。建立了欠驱动二指节灵巧手指的运动学方程,分构态分析了灵巧手指的运动学特性,结果表明欠驱动灵巧手指运动中构态间变换的平顺性非常重要,并相应提出了两种设计方案。提出的构态分析法在欠驱动三指节或多指节灵巧手指的分析中同样适用。