气动柔性五指机械手的运动学及抓持能力

根据人手仿生学结构,采用2种自主开发的柔性关节,研发了气动柔性仿人机械手.该机械手有5根手指,每根手指由关节本体和驱动装置复合一体的3个柔性关节组成.首先采用参数化齐次坐标变换矩阵,建立了机械手运动学方程.而且分析了机械手的工作空间,并对机械手摆出复杂手势和取物进行了仿真.相应的实物样机实验通过机械手气动平台完成,验证了该机械手的灵活性及其功能.测试了柔性手指在不同通气方式下手指各关节的夹持力.该机械手具有较高灵活性,能够完成抓、握、捏、夹和拧等13种取物模式,对物形变化具有较强的适应性.     

气动机器人多指灵巧手——ZJUT Hand

总结了现有灵巧手的缺点,例如结构复杂、难以控制等,并在此基础上提出了一种新型的气动驱动多指灵巧手,命名为ZJUT Hand.基于一种新型的气动柔性驱动器FPA,设计了气动刚柔性弯曲关节及侧摆关节;在此基础上给出了一种4自由度气动拟人手指;为了获得较高的模块化集成度,将5个完全相同的手指装配在拟人手掌上,构成具有5个手指、20个自由度的ZJUT Hand的本体结构;采用仿生学优化方法确定ZJUT Hand的结构参数,并对其本体结构进行了抓持仿真实验.仿真结果表明:ZJUT Hand能够对圆柱、长条形、球形等典型形状的物体实现抓持,并能够模拟人手实现对捏、夹持、勾拉等复杂拟人手形.详细设计了ZJUT Hand的力/位传感系统.完成了ZJUT Hand的抓取实验,结果表明:ZJUT Hand能够对典型形状目标物体实现稳定抓取.最后,简单总结了ZJUT Hand的特色之处.     

五指形仿人机械手的设计与实现及示教

设计和实现了一个具有五个手指和手掌的仿人机械手（以下简称仿人机械手）,并利用数据手套对其进行了示教,使其能有效地完成复杂的作业。首先,以现有的仿人机械手研究成果为基础,对仿人机械手进行了优化设计和实现;然后,以数据手套为示教源,对仿人机械手示教模型进行了研究,采用D-H变换矩阵建立了仿人机械手的逆向运动学,解决了示教运动映射问题。最后,利用仿人机械手进行了若干作业实验,实验结果证明了仿人机械手及其示教模型的正确性。     

基于细径McKibben型气动人工肌肉的仿生手研发

以细径McKibben型气动人工肌肉作为执行器,研发了一种质量轻且具有良好柔顺性、灵巧性的仿生机械手.分别以直径为1.3mm和2mm的细径McKibben型人工肌肉模拟人手的内在肌和外在肌,以人手骨骼、关节、肌肉的生理构造为设计准则,设计并制作仿生手样机.该样机由35根人工肌肉驱动,与人手大小相仿,质量小于0.5 kg.通过实验,对该仿生手的运动性能、目标抓握能力和鲁棒性进行验证,该仿生手可以完成与人手相近的动作.     

一种单电机驱动多指多关节机械手的设计

为了使机械手灵巧、稳妥地抓取物体,设计了一种新型结构的单电机驱动4 指12 关节机械手爪．该手 爪由电机驱动一根十字连杆,其端部分别连接4 个手指的第1 动力连杆;每个手指有3 个指节,由2 个平行四边形 的指节结构确保手指末端做平移运动;每个手指的第2 动力连杆具有延伸滑槽,当第2 动力连杆运动时,经过特别 设计的滑槽在固定支点滑动,可使手指末端匀速运动．该新型的单电机驱动手爪设计方案实现了机械手控制简单、 抓握可靠的目的．     

级联气动肌肉仿人肘关节建模与模糊控制

针对现有单组拮抗式配置的气动肌肉关节输出力小、运动范围不足等问题,设计了一种级联气动肌肉仿人肘关节,采用2组拮抗式配置的气动肌肉驱动关节.建立了仿人肘关节模型,并设计了模糊控制器,将关节柔度C、角度作为模糊控制器的输入,上下臂比例K、PI(比例-积分)参数作为模糊控制器的输出.分别采用PI控制和模糊PI控制进行了肘关节位置跟踪实验,通过实验证明了级联方案设计的合理性以及模糊控制方法的有效性.     

基于数据手套的仿人机械手控制系统

为了以自然、直观的方式控制仿人机械手,提高仿人机械手的操作性能,设计和实现了基于数据手套的仿人机械手控制系统.提出了从14-传感器数据手套到仿真虚拟手和五指型仿人机械手的关节角度映射方案.设计了实时仿真控制和在线控制两类控制模式,提出的借助仿真虚拟手可及时展示控制效果,解决了在线控制仿人机械手时运动时延带来的控制不直观的问题.实验结果证明了基于数据手套的仿人机械手控制系统的正确性和实用性.     

欠驱动柔性机器人的振动可控性分析

欠驱动柔性机器人的可控性分析是对其进行有效控制的关键问题. 本文以具有柔性杆的3DOF平面欠驱动机器人为例, 分两步分析系统的可控性. 首先,忽略杆件的弹性变形, 研究欠驱动刚性系统在不同驱动电机位置的状态可控性；然后, 考虑柔性因素, 研究欠驱动柔性系统的结构振动可控性. 结果表明振动可控性是随机器人关节位形和驱动电机位置而变化的, 并且欠驱动刚性机器人的状态可控性对相应的柔性系统的振动可控性有很重要的影响. 最后, 将上述研究方法扩展到具有一个被动关节的N自由度平面欠驱动柔性机器人.     

柔性臂仿人智能变结构控制

柔性臂的位置控制中，最大的难点是柔性振动的抑制，常规控制方法往往不能同时得到良好的关节跟踪轨迹和对柔性振动的补偿。本文提出了仿人智能变结构控制方法，此方法综合了仿人智能控制与变结构控制的优点，仿真结果表明，这种控制方法能有效的抑制柔性振动，同时具有良好的关节跟踪能力。     

绳驱动柔性上肢外骨骼机器人设计与控制

为了提高上肢外骨骼机器人的拟人化程度及关节柔性,设计了一种由串联弹性驱动器和鲍登线驱动的4自由度柔性上肢外骨骼机器人.首先,设计一种六连杆双平行四边形机构,建立肩关节虚拟转动中心,满足人体肩部3自由度运动需求.然后,设计基于串联弹性驱动器和鲍登线的驱动模块,将驱动器和机器人关节分离,降低结构的复杂度,减轻关节质量,实现力矩/位置信息的反馈.最后,构建机器人运动学及动力学模型,设计关节阻抗控制器并对样机肘关节进行阻抗控制实验.由实验结果可知,刚度系数在0.5 N·m/(°)～1.5 N·m/(°)时,力矩跟踪均方根为0.33 N·m;阻尼系数在0.001 N·m·s/(°)～0.01 N·m·s/(°)时,力矩跟踪均方根为0.57 N·m.实验结果表明,调节阻抗控制器中的阻抗系数能够改变关节的刚度和阻尼特性,从而提高人机连接的柔顺性.因此该机器人可以满足康复训练需求.     

柔性臂仿仿人智能变结构控制

柔臂的位置控制中，最大的难点是柔性振动的抑制，常规控制方法往往不能同时得到良好的关节跟踪轨迹和对柔性振动的补偿，本文提出了仿人智能变结构控制方法，此方法综合了仿人智能控制与变结构控制的优点，仿真结果表明，这种控制方法能有效的抑制柔性振动，同时具有良好的关节跟踪能力。     

柔性机械手的模糊预测组合控制与实验

本文研究了柔性机械手的关节PID,应变PD和端点加速度反馈的的模糊预测组合控 制及其实验．与其它方法的实验现象和结果比较,表明这种模糊预测组合控制方法能够控制 单杆柔性机械手期望的关节运动,能较好抑制运动过程中的弹性变形和消除端点残余振动．     

基于多模式弹性驱动器的膝关节外骨骼机械腿

基于人体行走过程中下肢肌肉的运动机理,提出一种多模式弹性驱动器,并应用于膝关节外骨骼中实现膝关节外骨骼机械腿的刚性驱动及柔性驱动.首先,对多模式弹性驱动器及膝关节外骨骼进行机构设计,并分析驱动器运动模式.其后,进行驱动器的动力学建模,并分析弹性参数、阻尼参数及负载对驱动器输出带宽的影响,针对弹性驱动器特征进行了基于运动状态机的控制策略研究.最后,根据控制策略对膝关节外骨骼样机实施运动控制.实验结果表明,膝关节外骨骼能根据运行状态机实现有效控制,从而验证了弹性驱动器设计的合理性.     

仿青蛙游动机器人机构设计

为研制仿青蛙游动机器人,设计了游动机器人机构.首先通过分析生物青蛙结构,设计仿青蛙机器人的原理样机.选择气动肌肉作为驱动器,分别驱动髋、膝、踝关节的转动,并采用钢丝传动结构,将膝关节气动肌肉安装在躯干上,从而有效减小了腿部的质量.建立了机器人系统的运动学模型并进行机器人运动学分析.分析了青蛙游动过程中的水下受力,并将水的作用力引入ADAMS仿真环境中,模拟了青蛙游动中的水环境,从而进行动力学仿真分析.最后对所研制出的仿青蛙游动机器人进行水下游动实验,其推进阶段平均速度达到339 mm/s.通过对比分析发现在动力学仿真和样机实验两种不同方法下机器人后肢运动形式基本一致,从而验证了仿青蛙游动机器人原理样机设计的可行性.     

仿人机器人柔性腰部机构研究

仿人机器人腰部的构成对仿人机器人的运动学、动力学性能起着重要的作用．本 文着重分析了目前仿人机器人腰部机构存在的问题，提出了一种具有柔性特征的仿人机器人 腰部设计方案，并分析了此腰部机构对机器人的运动稳定性、操作柔顺性的影响．本设计使 仿人机器人具有良好的柔顺性，提高了机器人与人协作时的安全性、稳定性和抗干扰能力．     

一种气动肌肉拮抗驱动机器人关节的类人运动控制方法

为了实现气动人工肌肉拮抗驱动机器人关节系统的类人运动控制,针对该系统严重非线性的特点,本文将其控制问题视为一个非线性最优控制问题,根据人体手臂关节运动的最小加加速度模型设定系统的最优控制性能指标,首先采用扩张状态观测器将机器人关节模型线性化得到积分器串联标准型,然后在线性化模型基础上设计最优控制律,使机器人关节具有与人手臂关节相似的无约束运动轨迹.仿真结果表明,采用本文算法,机器人关节能实现大运动范围(0～120°)的类人运动,关节运动轨迹对负载的改变(1 kg～5 kg)不敏感,并且关节运动具有较好的抗扰动能力.在机器人关节实验平台上通过实物实验验证了算法的有效性,并进一步讨论了控制器参数的设计规则.本文算法需要整定的参数只有2个,适用于气动肌肉拮抗驱动关节的类人运动控制,能够满足协作机器人在本质安全性、运动柔顺性以及类人运动模式等方面的要求.     

机器人串联弹性关节驱动器的刚度控制方法

机器人关节的柔顺性在人机协作过程中具有重要作用，然而固定的关节柔性无法满足动态变化的人机协作需求，因此对机器人的关节驱动器提出了具有刚度调节能力的要求.本文采用阿基米德螺旋线平面涡卷弹簧作为机器人关节的柔性元件，并提出一种可用于具有固定刚度的串联弹性驱动器的刚度控制方法.根据关节刚度的定义，将测量得到的弹簧输出端角度用于计算弹簧的输入端转角，使得机器人关节驱动器的等效刚度可以被调整到所期望的大小.该方法以电机位置控制为内环，关节刚度控制为外环，简化了控制器设计，并实现了解耦控制.对所设计的刚度控制器进行了分析.最后在自主设计的单自由度薄型串联弹性驱动器实验平台上进行了刚度调节实验，包括刚度的双向阶跃、零刚度和正弦变化的刚度，实验结果表明关节等效刚度能准确跟踪期望值，验证了该方法的有效性.     

基于HMCD的仿人机器人单杠运动控制策略

为完成仿人机器人单杠运动,分析了欠驱动单杠机器人Acrobot模型,并根据IHOG技术要求、实物机器人本体结构和自由度配置,提出了基于HMCD的控制策略.通过单杠视频捕捉获取人体运动数据,根据仿人机器人模型分析关键特征点、基本动作的运动数据得到的关键帧的关节角数据,经过运动学约束调整,采用插值方法生成能够应用于仿人机器人的运动轨迹.在MF-1型仿人机器人单杠实物平台上进行控制实验的成功,验证了该方法的有效性.     

考虑脚部柔性的仿袋鼠跳跃机器人运动特性研究

基于对袋鼠结构及跳跃运动特点的研究，设计了具有柔性脚的仿袋鼠跳跃机器人单腿机构模型，建立了相应机构在着地阶段的运动学和动力学方程．结合实例，用Matlab 6．5计算和仿真了模型在着地阶段各关节转角、柔性脚与地面接触长度、地面支承力和关节力矩随时间的变化规律曲线．结果分析表明：模型跳跃的起跳时间约占着地时间的2/3，当柔性脚与地面接触长度最大时，地面作用力也达到最大；踝关节的输入力矩要大于髋关节的输入力矩．此运动研究为仿袋鼠跳跃机器人的设计以及精确控制提供了理论基础．     

柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模

柔性关节柔性连杆机械臂是典型的非线性、强耦合、欠驱动系统,其控制难度高.对于这类系统,选择合适的动力学模型进行控制器设计对于提高控制性能是非常有帮助的.为此,研究了具有柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模问题,并提出了一种改进的建模方法.在该方法中,连接柔性连杆的柔性关节首先被简化为刚性关节和柔性连杆的弹性约束边界.然后,根据结构动力学理论、哈密顿原理和假设模态法建立系统的刚柔耦合动力学方程.相较于将柔性关节简化为刚性关节和扭簧的传统处理方式,所采用的简化方式一方面可以降低系统的自由度,另一方面可以得到更适合控制器设计的动力学模型.最后,通过数值仿真验证了本文方法的有效性和优势.