HIT机器人灵巧手手指及其阻抗控制的研究

手指对接触环境具有柔顺性是实现多指灵巧操作的关键,阻抗控制是实现机器人柔顺控制的主要方法之一。针对HIT灵巧手手指,阐述了其力／力矩传感器的设计,包括指尖六雏力／力矩传感器和2个关节力矩传感器。利用指尖六维力／力矩传感器作为力反馈,实现了笛卡尔空间的阻抗控制。     

HIT／DLR灵巧手传感器系统

介绍了HIT／DLR多指灵巧手的传感器系统,基于DSP,FPGA及A／D转换芯片等,实现了手指传感器信息的数字化采集和传输,提高了传感器的信号质量及系统可靠性。在灵巧手的传感器系统中,着重介绍了指尖六维力／力矩传感器、关节位置传感器、关节力矩传感器及触觉传感器等。     

DLR/HIT机器人灵巧手手指位置控制的研究

手指的位置控制是灵巧手进行力控制和多指协调等操作的基础。针对DLR／HIT灵巧手手指,首先建立了手指的坐标系,划分了层次化的手指控制空间。基于驱动空间的滑膜位置控制器和轨迹规划算法,设计和实现了关节空间及笛卡尔空间的手指位置控制策略。     

DLR/HIT仿人机器人灵巧手的设计

基于对人手结构及功能的分析，提出了仿人机器人灵巧手的设计依据，并以此为目标设计了DLR／HIT仿人机器人灵巧手。DLR／HIT手具有与人手相似的自由度配置，共有13个自由度，具有4个相同结构的手指，每个手指具有3个自由度，拇指另有一个张开／闭合的自由度，包括位置、力／力矩、温度等多种感知功能以及高速实时控制器的设计，这些功能赋予了DLR／HIT手更强的操作能力。通过抓握仿真，证明DLR／HIT手能够在一定范围内实现人手的抓握操作。     

五指仿人机器人灵巧手DLR/HIT Hand II

基于机电一体化设计思想和最新的驱动技术,研制DLR/HIT II仿人灵巧手。该灵巧手由5个相同结构的模块化手指和1个独立的手掌构成,每个手指有4个关节、3自由度,所有的驱动器和电路板均集成在手指或手掌内。采用新型的体积小输出力矩大的盘式无刷直流驱动电动机、质量轻的谐波减速器、齿形皮带等的驱动传动方案,使手指的体积和质量得到显著减小;采用钢丝耦合传动方案,实现手指末端两个关节的1:1耦合运动;手指具有位置、力/力矩、温度等多种感知功能。层次化的灵巧手硬件结构由手指电气系统、手掌电气系统和PCI总线控制卡等组成,灵巧手具有点对点串行通信、CAN以及网络等多种通信接口。在灵巧手的外观设计中,将外观设计与灵巧手的本体设计融为一体,实现灵巧手与人手相近的体积和外观。5指灵巧手的质量为1.5 kg,手指的指尖输出力10 N。     

三指灵巧手的控制系统研究及实现

以分级控制系统的结构，搭建了三指灵巧手控制系统框架。在上位机中利用VC6．0编制了Windows环境下的显控系统，以完成各个手指的轨迹规划及协调三指运动。在下位机中建立了基于Maxon ADS50／5驱制器的硬件结构，实现了各个关节的位置伺服控制。     

智能三指灵巧手结构设计及验证

针对市场上灵巧手结构复杂、体积大等弊端,设计了具有欠驱动的三指智能灵巧手,实现一个电动机控制2个关节运动。可分别控制3根手指,能够适应异形物体抓取,机械自锁的结构可提高抓取可靠性。灵巧手内部集成多种传感器,可测量指尖力矩和关节运行角度,通过软件算法实现掉落感知、防脱落、防碰撞和人机协作等功能。在硬件方面设计了驱控一体板卡,大大缩小了灵巧手体积。经过两代样机研制,验证了智能三指灵巧手功能的可靠性。     

三指灵巧手主从控制系统的搭建与实现

设计了三指灵巧手的主从控制系统,主手运动信息通过外围电路采样送入核心控制器TMS320F2812DSP,采用PID控制算法实现对从手各个关节的位置反馈控制,使从手(灵巧手)跟随人手运动.从手的位置由主从手指尖位置的映射关系决定.操作者佩戴合适的主手装置,可实现从手的多种动作.     

水下灵巧手的结构优化及控制系统设计

设计了3指水下灵巧手及其防腐密封结构,对结构参数进行了优化设计.基于CAN总线构建了灵巧手控制系统.根据优化设计结果研制了3指水下灵巧手原理样机,测试结果表明,该灵巧手可灵活抓取多种复杂表面的物体,部分代替人工水下作业.     

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。     

阻抗控制框架下基于关节力矩反馈的机器人零力控制

针对当前示教器示教过程烦琐、效率低下以及对操作者技能水平要求高等缺点,提出了一种阻抗控制框架下基于关节力矩反馈的机器人零力控制方法,适用于机械臂的直接拖动示教。该方法采用阻抗控制框架,通过设置低刚度增益的方式,无需获取精确的动力学参数便可实现良好的零力控制效果。同时,区别于基于六维力传感器的零力控制方法,该方法不仅可对机械臂末端进行拖动,还可实现在关节空间下对机械臂任意关节的拖动。最后,在自行设计搭建的机器人平台上进行拖动实验。实验结果表明,该方法鲁棒性强、性能稳定,并可实现对机械臂任意关节的零力控制。     

基于力阻抗控制的手臂康复机器人实验研究

把阻抗控制理论运用于手臂康复机器人控制中,使用基于力阻抗控制模型设计了系统的控制器。利用MATLAB/Simulink系统设计工具建立了系统控制模型,并在dSPACE实时仿真平台上进行了实验研究。结果表明,通过调节控制器中的刚度系数、阻尼系数可以使手臂康复机器人具有不同的刚度特性和阻尼特性。该控制器实现了被动和主动两种训练模式中机器人的柔顺运动控制。     

冗余空间机械臂的运动学和笛卡尔阻抗控制方法

为了能让七自由度空间机械臂在空间站外壁换位行走,需要在对接的过程中能够自动控制机械臂接触力以确保其在安全的范围之内。介绍了七自由度空间机械臂的运动学计算方法,采用二次计算法求得其逆运动学解。提出了基于安装在空间机械臂末端六维力传感器反馈的笛卡尔空间阻抗控制方法,将逆运动学解转化到关节空间的位置内环进行位置控制,经Simulink仿真优化参数后在空间机械臂上进行了调试实验,结果表明,力的控制效果柔顺。     

适应环境刚度、阻尼参数未知或变化的机器人阻抗控制方法

针对机器人阻抗控制在实际应用中其性能受环境的阻尼、刚度参数未知或变化影响的问题,提出了一种机器人自适应阻抗控制方法。在定义机器人阻抗控制性能指标的基础上结合阻抗模型刚度变化的几何表示,给出了阻抗模型刚度参数初值计算方法,提出了基于人工神经网络的环境等效刚度在线估计方法,并结合二阶系统临界阻尼条件计算阻抗模型阻尼参数初值。机器人力控制实验结果验证了该方法较已有的机器人阻抗控制方法在参考轨迹平滑性、力控制稳定性和易于工程实践方面有一定的优势。     

基于姿态库的危险品检测机械臂远程控制

考虑危险品采样的特殊性以及远程遥控多自由度机械臂灵活性不高的问题,提出了一种基于姿态库的机械臂远程控制方法.首先,分析了机械臂运动学,在控制器中搭建了机械臂正解模型和逆解模型的应用层;然后,通过示教多个常用于采样危险品的姿态,在控制器里搭建了姿态库控制的应用层;最后,通过无线通信实验和有无姿态库对比实验,验证了基于姿态库的机械臂远程控制方法的有效性和实用性.