一种新型欠驱动机械手爪的抓取分析和优化设计

传统欠驱动机械手的运动和功能单一，难以实现对不同尺寸物体的稳定抓取．为此，提出了一种新型欠驱动手爪结构，并进行抓取分析和优化．首先，介绍了欠驱动机械手爪的整体机构设计，并对手指进行静力学分析，针对手爪包络抓取物体时可能发生弹射的不稳定情况，进行手指结构优化．然后，基于刚度矩阵的势能模型，确定指尖合理的尺寸范围并建立指尖最佳形状．通过几何约束中的数学公式，表达了指尖抓取时手指位姿和物体尺寸的关系．最后，完成手爪样机的搭建，并对常见家用物品进行了指尖抓取和包络抓取实验．实验结果表明，该机械手爪能够对各种尺寸大小的物体进行稳定抓取．     

形状自适应欠驱动三关节机器人手指设计

根据欠驱动原理研制的三指10个自由度的机器人手爪具有驱动元件数量少、抓取物体范围广泛等优点．在欠驱动手爪的4个主要机构中,欠驱动手指对抓取物体具有被动柔顺和形状自适应的特性．首先对三关节欠驱动手指机构进行静力学分析,提出合理的设计目标和约束条件;然后根据设计目标,采用遗传算法得到手指机构的各个关节连杆尺寸和抓取物体时的特殊构形,使得在抓取给定物体时各关节指面的接触力达到均匀分布,得到高效的力传递和更加紧凑的机构尺寸．     

基于多感知的空间机械手爪控制研究

对融合了视觉、滑觉、角位移等多种传感器的欠驱动空间机械手爪,研究其对不同形状、质地的物体实现自适应抓取控制。通过传感器反馈控制机械手运动、抓取力,提高机械手的自主能力。在抓取模式选择中,采用基于专家系统的抓取规划,根据物体不同的形状、尺寸选择不同的抓取模式;在抓取力控制中,通过由PVDF制作的滑觉传感器反馈,采用基于滑觉信号的模糊控制方法,对不同质地的物体选择不同的控制参数。通过实验研究验证基于多感知的控制方法对各种物体可以进行可靠的抓取。     

多模式刚柔结合欠驱动抓取机构的设计、分析与实验测试

结合刚性欠驱动抓取机构与柔顺机构,提出一种多模式刚柔结合欠驱动抓取机构,并对所提出的机构进行分析与实验研究。基于刚体替代法,设计了二指多模式欠驱动抓取机构的刚柔结合方案。运用正运动学分析与载荷平衡方程,对驱动单元进行静力学建模。结合伪刚体模型法、载荷平衡方程与操作对象平衡位置枚举搜索,建立两点抓取与包络抓取模式下抓取力与驱动力矩的关系式。将驱动单元静力学建模与抓取单元静力学建模相结合,可以得到完整的多模式抓取力模型。进一步地,考虑由于接触引起的柔性杆件变形,结合线性插值,对抓取力模型进行修正。基于修正后的抓取力模型,对机构尺寸参数进行优化设计,综合提升机构在两点抓取模式和包络抓取模式下的载荷输出性能。RecurDyn仿真结果显示,在两点抓取模式和包络抓取模式下,修正后完整的抓取力模型与仿真值的最大相对误差为7.62%,并且所提出的优化算法有效提升了机构的两点抓取力与综合包络抓取力。实验结果显示,优化后的抓取机构抓取力有较大的提升,修正后完整的抓取力模型与实验值的最大相对误差为1.87%,验证了抓取力建模、优化设计的有效性。     

基于ADAMS的欠驱动三指机械手虚拟设计及参数优化

针对现有一款模块化欠驱动三指机械手本身的结构特征不完善,所能实现的抓取任务、承载能力有限等问题,设计了一种弹簧被动自适应手指机构。根据欠驱动手指的结构、构件的尺寸、驱动规律及构件间相对关系,以单指为例采用D-H坐标法建立了运动学模型;利用ADAMS软件对该欠驱动手的3种抓取构型进行运动学仿真,验证了结构设计的合理性;在满足运动学模型准确性的前提下,选出1种抓取构型,以中心滑盘连接手指处所受应力最小为目标,对基指节内部推杆的长度及摆动的角度进行参数优化,有效地增强了欠驱动手抓取的多样性,可为该机械手的设计研究提供可靠的理论依据。     

机器人滑觉传感器的研究

本文介绍作者研制的机器人握力实现可控“软抓取”的简易又实用的滑觉传感器.1 工作原理、结构和安装1.1 工作原理与结构将滑动位移量转换成角位移量,得到光电脉冲信号,送入控制计算机,其结构见图1.当机械手夹持物体(5)移动时,如果物体下滑,就带动摩擦轮转动,并通过齿轮副增     

基于仿人机械手的五指力封闭抓取算法

手是人类在长期进化过程中形成的最完美的工具,能够灵活、精细的进行抓取物体等操作。机械手设计初衷是取代人手完成工作,是机器人系统的重要组成部分,因此抓取物体等操作一直是仿人机械手的研究重点。传统的抓取方法是利用机械手三指形成力封闭完成任务。但由于机械手本身结构复杂等原因,易出现控制信号偏差或某自由度未达到要求水平,使得抓取过程中目标物体脱落等问题。为了使机械手达到稳定抓取的效果,本文提出了一种效仿人手抓取的五指力封闭抓取算法,其本质是利用冗余机制解决传统三指抓取过程中可能出现的抓取不平稳或脱落的问题。首先,基于三指力平衡算法的思想上提出了满足五指力封闭抓取算法的条件。然后,对五指力封闭抓取算法进行了充分性和必要性的证明。最后,通过仿真环境下的实验抓取不同目标物体,验证了五指力封闭算法的可行性及必要性。     

水下机器人手爪力感知系统研究

提出了一种水下机器人手爪力感知系统的组成结构,该力感知系统由一个六维力/力矩传感器和三指夹持器指端的三个指力传感器组成,本文介绍了上述两种传感器的设计和标定,并对利用该手爪系统抓取物体进行了实际测试和分析,实验结果表明;所设计的力感知系统能够实时地感知腕力和夹持力信息,可以满足机械手力控制的需要.     

平夹自适应欠驱动手的参数优化与稳定性分析

针对欠驱动多模式抓取问题,提出了一种具有平夹自适应复合抓取模式的8自由度机械手(PASA手).为了研究PASA手的抓取性能,提出了抓取姿态与稳定性分析模型.根据被抓取物体的位置、尺寸和大小的不同,PASA手能够执行平夹(PA)用于精确抓取,自适应包络用于力量型抓取,或者像人手那样既能平夹又能自适应抓取(PASA).不同抓取模式之间的切换是自动且自适应的.详细讨论了PASA手的运动、抓取力分布和在不同外力下基于势能的抓取稳定性分析.对各种状态下手指接触力进行了测量,并对不同的物体进行了抓取实验.尽管被抓取对象形状、大小各异,PASA手均能牢固抓取.实验结果表明PASA手具有可靠性和广泛适用性.     

欠驱动多指机械手抓取能力分析与优化研究

给出两种模块化欠驱动手指的优化设计方法,分析了采用曲柄滑块以及四连杆机构可实现欠驱动,并减少驱动电动机数。采用D-H参数法建立手指运动学模型,并对模型采用正运动学求解。借助于ADAMS仿真软件对机械手建模并进行运动学仿真,研究并分析了欠驱动手爪在不同抓取模式下的运动特性及抓取能力,验证了欠驱动手爪抓取的多样性。最后,在精确建立运动学模型的前提下,以中心滑盘连接手指处所受应力最小为目标,对基指节内推杆的长度及摆动的角度进行参数优化,有效地增强了欠驱动手爪抓取的实用性和可靠性。     

基于微创外科手术机器人操作手的夹持灵活度研究

为了反映外科手术机器人六自由度操作手的指尖在夹持点对物体的夹持能力,分析了夹持时指尖的姿态、夹持物的姿态及两者的关系．推导了指尖在夹持点对处于任意姿态的物体进行夹持时所需姿态的解析表达式,并借助姿态球给出了夹持灵活度的定义．研究了本机构工作空间中离散点的夹持灵活度,确定了指尖夹持的灵活空间,并通过SimMechanics进行了仿真验证．     

基于T-S模糊的欠驱动机械臂的平衡控制

针对欠驱动机械臂平衡控制精度低,鲁棒性差,抗干扰空间狭窄,起摆成功率低等问题,提出了一种基于T-S模糊结构和线性调节理论的欠驱动机械臂平衡控制策略,并实现了一种新的起摆-平衡控制方式.首先将系统设定的状态空间分为若干个模糊子空间,通过线性二次型最优理论和线性调节理论,在每个模糊子空间建立局部控制器,保证系统在每个局部子空间中平衡,并最终收敛于给定平衡点,然后使用隶属函数平滑的将各个局部控制器连接起来,最终得到非线性控制对象的模糊平衡控制器,实现了欠驱动机械臂在任意给定点的平衡控制.实验结果表明,所提出的控制策略控制精度高,抗干扰范围大,鲁棒性强,起摆成功率高,并且易于实现,具有较高的推广和应用价值.     

基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计

传统上肢康复机器人交互控制系统受到奇异位形影响,导致系统控制精准度较低,为此提出基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统;设计上肢康复机器人交互控制系统结构,选取双串口12CSA60S2系列单片机作为下位机控制核心模块,利用椎齿轮改变驱动力方向,设计机械臂肘部结构,通过同步带传动,将器件隐藏于空手柄中;设计机械臂腕部结构,满足临床康复时上肢患者站姿与坐姿训练需求;选择箔式应变片BF350力传感器,设计电阻应变片桥接电路,处理传输信号;构建机器人目标阻抗模型,设计基于力阻抗控制策略,调节位置、速度和关节;为改善奇异位形情况,在奇异位形附近关节角速度指令直接由各个关节力矩阻尼控制得到,实现角速度精准输出,完成系统控制;由实验结果可知,该系统直线运动位置、旋转关节位置和伸缩关节位置跟踪结果与标准值基本一致,满足系统设计需求。     

基于STM32的力觉反馈装置及用于主从遥操作实现

在遥操作系统中为了增强现实及实现本地力觉信号再现功能以提高精细化操作的目的 ,设计了用于人机交互功能的力反馈装置;该装置为单自由度结构,基于步进电机驱动;利用STM32微控制器采集触觉力信号以及关节位移信号,通过设计基于力误差的控制律调整位置变量实现输出力信号与标准力信号的匹配;为了验证该力反馈装置进行了标准力信号再现实验;并且利用该力反馈装置作为主机械手与单自由度从机械手搭建遥操作装置,进行了力、位置双边跟踪实验验证,实现了主、从机械手力、位置协同一致的目的.     

Mobile manipulation of flexible objects under deformation constraints

We develop a velocity field tracking-control scheme with proportional integral force feedback to transport and manipulate deformable material with a mobile manipulator. We assume that the deformable object is a damped underactuated mechanical system. The input-to-state stability properties of its zero dynamics are used to derive bounds on the admissible end-effector velocities and accelerations. It is shown both analytically and in simulation that using deformation feedback, we can avoid exciting excessive object deformations.     

垂直三连杆欠驱动机械臂通用控制策略设计

本文针对一类含单一欠驱动关节的垂直三连杆欠驱动机械臂提出一种基于振荡衰减轨迹的通用控制策略. 与传统的分区控制策略相比, 本文控制策略无需采用分区方式就能快速地实现将机械臂末端点由垂直向下初始位 置开始移动, 并最终稳定在垂直向上目标位置的控制目标. 首先, 根据驱动连杆的初始和目标状态, 为驱动连杆规划 含可调参数的振荡衰减轨迹. 该轨迹能够在一定调节时间内将驱动连杆直接由初始状态移动至目标状态. 基于连 杆状态间的耦合关系, 利用粒子群优化算法优化轨迹参数使欠驱动连杆在相同调节时间内也运动至目标状态. 接 着, 利用滑模方法设计跟踪控制器使驱动连杆跟踪优化后的振荡衰减轨迹, 这样, 系统末端点将由初始位置移动至 目标位置. 进一步利用极点配置方法设计镇定控制器克服重力的作用将末端点稳定在目标位置. 最后, 通过仿真实 验验证所提控制策略的有效性.     

A practical operator support scheme and its application to safety-ensured object break using dual-arm machinery

A practical operator support system for disaster response work using construction machinery is applied to object-break operations using a dual-arm machine. An object-break operation, which separates an object into two different parts by applying massive pulling force, requires skillful force and trajectory controls. Operators typically have trouble visually perceiving the movement of the manipulator because the target object is strongly restrained. As a result, after the object has been separated into two pieces, the operator may continue performing lever operations because of unavoidable perception reaction time and the manipulator may collide with the surrounding environment. A control input cancellation system based on object-break identification is proposed to reduce the time difference between the object break and operation stoppage. A support system for disaster response situations must be safe and efficient and accommodate operators with various skill levels; thus, common physical phenomena related to the object breakage should be exploited. The system cancels control inputs to stop the movement of the manipulator when an object-break flag is detected, which is defined as a situation where the force applied to each joint of a manipulator decreases rapidly when a lever operation and load on the inside of the grapple are detected. Demolition experiments were conducted using a hydraulic dual-arm system. The results indicate that the displacement of the end-point after the object breaks is greatly decreased and the completion time of the task is reduced as well.     

基于张拉整体结构的连续型弯曲机械臂设计与研究

为实现对目标物体的缠绕捕获，利用张拉整体结构质量轻、变形大等特点，提出一种基于张拉整体结构的连续型机械臂的设计．本文首先设计连续型机械臂的结构，建立其力学模型．通过准静态和动态分析，对不同驱动形式下的连续型机械臂运动进行仿真，并在实验平台上验证所建力学模型的准确性，最后分析了其工作空间及奇异位姿．实验结果表明本文设计的连续型机械臂可以实现弯曲缠绕变形，满足对不同大小物体进行缠绕捕获的需求．     

On the design and development of attitude stabilization, vision-based navigation, and aerial gripping for a low-cost quadrotor

This paper presents the design and development of autonomous attitude stabilization, navigation in unstructured, GPS-denied environments, aggressive landing on inclined surfaces, and aerial gripping using onboard sensors on a low-cost, custom-built quadrotor. The development of a multi-functional micro air vehicle (MAV) that utilizes inexpensive off-the-shelf components presents multiple challenges due to noise and sensor accuracy, and there are control challenges involved with achieving various capabilities beyond navigation. This paper addresses these issues by developing a complete system from the ground up, addressing the attitude stabilization problem using extensive filtering and an attitude estimation filter recently developed in the literature. Navigation in both indoor and outdoor environments is achieved using a visual Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) algorithm that relies on an onboard monocular camera. The system utilizes nested controllers for attitude stabilization, vision-based navigation, and guidance, with the navigation controller implemented using a nonlinear controller based on the sigmoid function. The efficacy of the approach is demonstrated by maintaining a stable hover even in the presence of wind gusts and when manually hitting and pulling on the quadrotor. Precision landing on inclined surfaces is demonstrated as an example of an aggressive maneuver, and is performed using only onboard sensing. Aerial gripping is accomplished with the addition of a secondary camera, capable of detecting infrared light sources, which is used to estimate the 3D location of an object, while an under-actuated and passively compliant manipulator is designed for effective gripping under uncertainty. The quadrotor is therefore able to autonomously navigate inside and outside, in the presence of disturbances, and perform tasks such as aggressively landing on inclined surfaces and locating and grasping an object, using only inexpensive, onboard sensors.