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.     

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.     

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．     

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。     

新一代机器人灵巧手

哈尔滨工业大学机器人研究所与德国宇航中心(DLR)合作建立的HIT/DLR机器人联合研究室，研制成功第三代多传感器、高度集成的机器人灵巧手。     

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.     

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.     

新型微直线驱动器的设计和控制

为减小机器人灵巧手的尺寸,提高其性能,研究了一种新型的集成式微直线驱动器．该驱动器将微型无刷直流电机、旋转一直线转换和减速机构融为一体,并且具有直线位置检测、电机位置检测和极限位置检测等多种感知功能,体积小,输出力大．基于DS1103控制板,建立了驱动器的控制系统．基于多种位置传感信息,利用PID控制,实现了驱动器的轨迹跟踪．该驱动器及其控制系统已经成功地用于HIT灵巧手．     

机床夹具可重构模块化设计方法研究

:如何提高机床夹具设计的效率和质量是计算机辅助工艺装备研究的一个重要问题.在分析机床夹具可重构模块和模块系列规划过程的基础上,提出一种基于公理化设计与设计结构矩阵集成的机床夹具可重构模块化设计方法.该方法以设计过程中的共性单元归并和信息、过程的重用问题为切入点,采用设计结构矩阵建立产品内构件间相互关系,得到合理的模块化夹具产品结构,实现可重构模块拓展变换来实现夹具快速设计.夹具实际实例验证表明,本文设计方法有助于实现机床夹具可重构模块化快速设计,具有较好的应用指导意义.     

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.     

On set-point tracking control of dexterous robot hand

A model-free set-point tracking control approach of multi-fingered robot hand is presented.The set-point tracking controller,which has the structural form of PD controller,is composed with a combination of feedforward term,feedback term and saturation control term.The controller does not require the explicit use of dynamic modeling parameters.Experiments performed on the HIT/DLR hand demonstrate the effectiveness of the proposed approach in performance improvement and real-time application.     

HIT anthropomorphic robotic hand and finger motion control

Researchonanthropomorphichandsisoneofthemostactiveareasinrobotics.Ingeneral,thesehandsaredividedintotwocategories:oneconsistsofmulti sensor,multi degreeoffreedomandmulti fingereddex teroushands,suchasNASAHandandDLRHand[1～3].Thesekindsofhands,withhighinte…     

Fault-tolerant design for joint of HIT/DLR space robot arm

The joint reliability design for the HIT/DLR space robotic arm has been discussed in this paper. The redundant controller unit, redundant CAN bus communication unit and latch-up power protection unit have been outlined. The fault-tree of the joint has been built. Moreover, the algorithm for fault detection has been improved, and the fault-tolerant strategies of the joint have been proposed. Experimental results demonstrate the high reliability of the fault-tolerant design for the joint.     

一种新颖的手部运动跟踪系统

目前已有的手部运动跟踪系统大多在一定程度上限制了人体运动自由.基于此,提出一种无线、可穿戴、无障碍的腕关节、指关节运动跟踪系统.在人体每个手指甲上粘贴一轻小永磁体,用以产生标示腕关节、指关节运动的信号;若干磁传感器置于手腕处的电子腕带上,作为标示信号(磁信号)检测器.当腕关节、指关节运动时,永磁体在各传感器所在位置处的合成磁场发生变化,传感器对该磁场信号进行测量,所检测到的磁场信号送入手部姿势估计器,估计器基于系统数学模型计算手部姿势,从而实现对手部运动的跟踪.     

计算机控制的智能化柔性机械手

该文设计和研制了一种完全可由计算机控制、具有指端触觉传感器的智能化柔性手实验装置,它不仅能像人手一样对触觉和滑觉有敏感的反应,而且利用由接触觉、滑觉信号转变得到的位置命令自动地操纵柔性手。文中的主要贡献是在柔性手指端安装了新型而灵活的触觉传感器,并将传感器的触、滑觉信号转变成位置命令给内部位置控制系统,由对抓握力的控制来实现手指的位置控制。并且由滑觉信号来自动实现位置误差的补偿,响应迅速而准确。经实验证明,该智能化柔性手能顺利完成抓握一定大小和重量范围内的物体的任务,在抓握易破碎的物体时达到了不破不摔的理想抓握状态。     

Design of a novel finger of DLR/HIT dextrous robot hand based on mechatronic integration

With the idea of mechatronic integration,a novel finger of the dextrous robot hand has been designed. The finger with nice envelop has four joints with three DOFs driven by three brushless DC motors with smaller size and more torque. The use of rigid gear head,bevel gears and linkage in the transmission system makes the finger more rigid. Abundant sensors such as joint angle sensors,joint torque sensors and temperature sensors are located in the finger. Integration and modularization are achieved at most by high integration of finger body,driving system,sensors and electronics.     

人机交互中基于可穿戴式计算的手势和活动辨识

人与机器人交互是机器人技术领域、尤其是生活辅助机器人领域的重要课题。本文以辅助老年人、病人和残疾人为应用背景,提出了"智能辅助生活系统"(SAILSystem),并解决了该系统中人的手势识别和日常动作识别两个重要问题。对于手势识别问题,本文采用一个惯性传感器来采集被试验人手指部位活动的信号,运用人工神经网络进行手势捕捉,并应用一个分层隐马尔可夫模型结合前后手势的关联信息,来提高手势识别的准确率。对于动作识别问题,数据来源于位于被试验人一侧的脚面和腰部的两个惯性传感器,并采用多传感器融合方法识别各种日常动作。在对两个传感器的数据进行融合的粗分类之后,细分类应用了隐马尔可夫模型和启发式方法来进一步识别各个动作类型。该穿戴式传感器系统经过实验测试,结果证明了本识别算法的有效性和精确性。