面向任务的机器人灵巧手控制系统及多指空间协调阻抗控制

为提高多指灵巧手的控制和操作性能,提出了基于集中控制-分层处理的DLR/HIT Ⅱ机器人灵巧手实时控制系统结构,并建立了基于Simulink/QNX的实时控制平台和嵌入式驱动控制层,极大地简化了高集成度机电一体化灵巧手的控制器设计过程,并实现灵巧手在多自由度仿机器人上的无缝连接,进行了多指灵巧手空间协调阻抗控制的研究,基于手指指尖位置建立了适用于任意手指数目n的机器人灵巧手物体空间坐标系,并基于六维空间虚拟弹簧的阻抗思想和关节力矩反馈实现了以被抓取物体位置和姿态为控制目标的多指灵巧手空间协调阻抗控制.在基于Simulink/QNX的实时控制平台上对DLR/HIT Ⅱ灵巧手进行了空间协调阻抗控制实验,实验结果表明了灵巧手控制软硬件系统和控制策略的有效性和稳定性.在未降低灵巧手自由度的前提下,将DLR/HIT Ⅱ多指灵巧手协调抓取操作的控制输入量由30个减为6个,为提高抓取规划算法效率提供了稳定高效的新型控制策略.     

DLR/HIT多指机器人灵巧手的研究

基于机电一体化设计理念和集成化、模块化设计方法研制了DLR/HIT灵巧手,DLR/HIT灵巧手具有4个相同结构的模块化手指,共具有13个自由度,具有拟人手形的外观.采用商品化的直流无刷电机实现了手指的驱动;手指具有位置、力/力矩及温度等多种感知能力;基于DSP/FPGA等实现了手指的通讯和实时控制;高度集成,将所有部件均集成在手指和手掌内.DLR/HIT手具有很好的可靠性、可操作性和精细操作能力.     

欠驱动四指灵巧手的设计与研究

传统的全驱动灵巧手独立驱动单元过多,控制复杂,体积和重量过大,造价高昂,限制了其实际应用.欠驱动多指手在保证一定运动灵活性条件下,极大地降低了系统成本,具有驱动单元少、控制器相对简单的特点,体现出更高的实际应用价值.本文提出一种通过腱、滑轮传动的欠驱动多指手的设计方案.给出了多指手的机械结构,以及拇指的独特设计.通过对手指静态构形的分析,讨论了影响多指手运动的关键部件关节弹簧的选取原则和方法.建立了手指的抓取静力学模型.在此基础上,分析了多指手抓取物体时弹射现象的形成.通过计算机仿真和实物实验,验证了能够利用4个电机实现4个手指的抓握、伸展和抓取不同形状的物体,且具有较强的抓取物体的能力.     

HIT/DLR HandⅡ类人形五指灵巧手机构的研究

为了使灵巧手的外观和结构功能更加类人化,研制了新一代类人形机器人五指灵巧手--HIT/DLR Hand Ⅱ.该灵巧手由一个独立的手掌和5个完全相同的具有4个关节3个自由度的模块化手指构成.机电集成的设计思想保证了所有驱动器,传动系统和电路系统都集成在手指和手掌的内部.钢丝耦合机构的采用,保证了手指末端关节在整个运动范围内都能够保证精确定1:1传动比.包装件同结构功能件融合的设计思想不但进一步缩减的灵巧手的外形尺寸,而且使灵巧手外形更加类人化.所有的创新型设计使灵巧手的手指外形尺寸仅是上一代手指的1/3.此外,为了提高灵巧手的多感知能力,重新设计的力/力拒传感器,位置传感器及温度传感器通巧妙的集成在手指的内部.试验表明,所设计的灵巧手不但达到了设计目标,也表现出了很强的抓握能力.     

基于机电一体化的机器人灵巧手手指的研制

运用机电一体化设计思想,设计了新一代灵巧手手指,具有3个自由度,由3个体积小、出力大的无刷直流电机驱动,机械传动系统采用刚性的减速器、齿轮及连杆传动,使手指具有很好的刚度.该手指具有丰富的感觉功能,包括位置感觉、力/力矩感觉以及温度感觉等.该手指集机械本体、驱动、传感器及电路为一体,最大限度地实现了灵巧手手指的集成化、模块化.     

机器人多指手的优化抓取力计算

由于机器人灵巧手与物体接触所产生的摩擦力约束为非线性约束,导致实时计算手指抓取力受到了极大的限制。提出了一种计算多指手优化抓取力的通用方法,其关键是利用拉格朗日乘子法,通过自动调节各手指法向接触力的权值系数来获得满足非线性摩擦锥约束的初始抓取力,并结合梯度流的方法对初始抓取力进行优化。对于任意的干扰外力,在满足抓取稳定性的情况下,可快速地计算出各手指的优化抓取力。仿真结果证明了该方法的有效性。     

一种新型灵巧手的设计与仿真分析

为了提高BHG-1型灵巧手的自适应性和拟人化,设计了一种欠驱动手指机构,以较少的驱动器数目获得较多的自由度,降低装置对控制系统的要求。采用拉格朗日方程建立了2自由度欠驱动手指的动力学模型,并利用Adams软件对其进行了动力学的仿真与分析。     

移动机器人灵巧手的优化设计

针对移动机器人灵巧手的最佳灵巧性设计问题, 提出了一种最优化结构参数的设计方法。将人类手 指仿生学原理引入优化算法中, 从单个手指的灵巧性分析出发, 采用灵巧度指标最优的设计准则, 确定了空间单指 的最佳灵活性区域、各杆长度间的关系以及各关节的旋转范围, 并采用MAT LAB 对上述结构参数进行优化计算与 仿真, 获得了满足抓取任务的尺寸参数, 在此基础上对手指间相对位置采取了定量化的计算方法, 仿真结果满足了 灵巧性的设计要求。     

HIT/DLR多指手抓取操作研究

研究了HIT／DLR多指手在抓取操作过程中,其手指关节与被抓物体间的位姿对应关系,并基于多指平面抓取建立了HIT／DLR多指手完整的运动学方程．该算法通过自上而下的层次化结构算法简化了多指运动学的求解过程,避免了传统算法中抓取矩阵和手雅克比矩阵的高维矩阵计算．HIT／DLR多指手的抓取实验表明,该运动学算法能够满足抓取操作中的位置控制要求．     

YWZ灵巧手运动学分析和交互式仿真

对一种多自由度的灵巧机械手进行了运动学分析以及交互式的运动学仿真。首先介绍了YWZ灵巧机械手的机械结构和自由度,然后通过D-H方法得出YWZ灵巧机械手的运动学方程,最后提出一种交互式的运动学仿真方法对YWZ灵巧机械手进行运动学仿真。仿真结果表明：交互式的灵巧机械手运动学仿真能在仿真过程中实时调整虚拟灵巧手各个关节的旋转方向、角度,优化抓取动作,不必反复设置运动学参数,提高了运动学仿真的效率,有利于灵巧手机械结构的设计和控制方案的改进,为灵巧手的研制和实际控制提供理论依据。     

用于临场感系统的机器人电触觉反馈手套

阐述了应用于临场感灵巧机器人的新型电触觉反馈手套的设计 ,讨论了手指的灵敏度和电刺激脉冲的关系 ,电刺激脉冲的频率、占空比和幅值决定手指的灵敏度 ,分析了电极的材料、尺寸、放置位置和形状对手指灵敏度的影响 .设计了一套触觉临场感系统进行实验 ,实验表明戴有电触觉反馈手套可以控制灵巧机器人手并能识别和分类 3种物体     

Mechanical Design and Drive Control of a Novel Dexterous Hand for On-Orbit Servicing

In order to meet the requirements of on-orbit servicing outside the cabin, a flexible, dexterous hand with easy grasping ability and strong loading capacity is designed. The dexterous hand is comprised of three fingers. Each finger is driven by a set of four linkages. Furthermore, two fingers have a set of axial rotational degrees of freedom. In order to achieve the position control and keep griping stability, the dexterous hand adopts a mechanism of hybrid force/position control. In the end, experimental results demonstrates that the on-orbit servicing dexterous hand has great adaptability and operational capability.     

模块化嵌入式五指机器人灵巧手手指控制系统

为开发高度集成的五指机器人灵巧手,提出了采用DSP(Digital Signal Processor)+FPGA(Field Programmable Gate Array)控制结构的模块化嵌入式手指控制系统设计方法。实现了采用单电流传感器检测全桥控制下相电流及相电流过流双保护。为解决手指DSP和FPGA之间如何稳定、高效通信的难题,结合先进先出FIFO(First In First Out)寄存器,设计了基于串行通信接口SCI(Serial Communications Interface)和RS485总线的多中断差分通信系统。实验证明,这种DSP+FPGA控制结构及模块化的设计,使得手指控制部分得以高度集成,同时DLR/HITII灵巧手获得很好的整体性能和稳定性。     

Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator (FPA), bending joint and side-sway joint, a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed. The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders. Mechanical parts and FPAs are integrated, which reduces the overall size of the finger. Driven by FPA directly, the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced. An improved adaptive genetic algorithm (IAGA) was adopted to solve the inverse kinematics problem of the redundant finger. The statics of the finger was analyzed and the relation between fingertip force and joint torque was built. Finally, the finger force/position control principle was introduced. Tracking experiments of fingertip force/position were carried out. The experimental results show that the fingertip position tracking error is within ±1 mm and the fingertip force tracking error is within ±0.4 N. It is also concluded from the theoretical and experimental results that the finger can be controlled and it has a good application prospect.     

Imaginary displacement method for analysis of multi fingered robot hands grasping stability

０　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮ　　（１）ＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆｐｒｅｓｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｇｒａｓｐｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙＡｍｕｌｔｉｆｉｎｇｅｒｅｄｈａｎｄｈａｓｍｕｌｔｉｐｌｅｆｉｎｇｅｒｓａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅｃｏｎｔａｃｔｐｏｉｎ...     

基于指尖位置的人手与HIT/DLR灵巧手运动映射

分别建立人手和HIT/DLR机器人灵巧手的几何模型,并分析两者之间的结构差异及其产生的运动映射问题.通过数据手套测得人手关节角度,利用人手模型和人手运动学关系计算得到人手指尖位置,通过改进的指尖位置的映射方法,将人手的运动映射到机器人灵巧手上,解决了人手运动空间和灵巧手空间不一致的问题.仿真试验结果表明该映射方法是有效和直观的,能满足对HIT/DLR机器人灵巧手遥操作的需要.     

Design and control of integrated pneumatic dexterous robot finger

Based on flexible pneumatic actuator(FPA),bending joint and side-sway joint,a new kind of pneumatic dexterous robot finger was developed.The finger is equipped with one five-component force sensor and four contactless magnetic rotary encoders.Mechanical parts and FPAs are integrated,which reduces the overall size of the finger.Driven by FPA directly,the joint output torque is more accurate and the friction and vibration can be effectively reduced.An improved adaptive genetic algorithm(IAGA) was adopted to s...