仿人灵巧手的结构设计与单指的控制策略

基于机电一体化设计思想和最新的驱动技术,通过分析人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式以及运动规则,利用仿生学原理设计了一种仿人五指灵巧手。该灵巧手有5个手指,11个自由度,在外观和功能上接近人手;除拇指外其余四指采用模块化设计从而简化了灵巧手的机械结构设计过程,增强了互换性和可靠性。该灵巧手在结构上是人手的1.5倍,手指具有位置、力/力矩以及关节角度的感知功能。通过气动人工肌肉驱动,利用C8051F040单片机对灵巧手指进行控制,采用PID控制算法实现对手指各个关节的位置反馈控制。     

SHU-II五指仿人灵巧手的运动学及抓取分析

根据人手结构设计一种五指仿人灵巧手。该灵巧手共有5根手指,总计16个自由度。灵巧手的手指关节虚拟化,手指更加轻量。灵巧手采用欠驱动方式,并将驱动系统内置,整体结构集成度高,易于安装到不同的机械臂平台。在理论研究上,通过齐次变换矩阵得到灵巧手的运动学模型,进而得到五指的运动轨迹,并进而对灵巧手控制策略进行探讨,之后对灵巧手进行手势与抓取实验,实验表明灵巧手能完成夹、捏、握等10种动作。把灵巧手应用在不同的机械臂平台上,验证了灵巧手的抓取范围广及其在不同环境下的抓取能力。     

三指灵巧手结构设计与动态抓取研究

针对目前多自由度灵巧手存在的结构复杂、体积庞大等问题,设计了一种结构紧凑、质量轻盈的电机直驱式8自由度三指灵巧手.通过微型电机与齿轮减速器配合使用,实现了关节直驱方式,减少了驱动力损耗,手指驱动力得到有效提高.针对灵巧手在动态抓取模式下的不足,通过嵌入式超声波传感器、压力传感器和角度传感器的联合使用,对灵巧手的动态抓取...     

手指关节可独立控制的欠驱动灵巧手

为了实现对物体的精准抓取,针对欠驱动灵巧手手指关节转动不可控问题提出一种新颖的关节可锁紧的单腱欠驱动灵巧手的设计方案,完成了灵巧手关节锁紧机构和指间耦合机构的结构设计,并运用Matlab对灵巧手手指工作空间进行仿真。对关节锁紧机构和指间耦合机构动作起到关键作用的耦合弹簧和复位弹簧进行了设计,对影响关节驱动力矩的参数优化分析,得到优化后的手指传动机构和腱绳张紧机构。通过灵巧手样机对不同形状、大小物体的抓握试验,证明本欠驱动灵巧手可实现手指关节锁紧的动作,具有良好的包络抓握能力和较强的精确抓取能力。     

关节独立五指灵巧手指的耦合运动规划

利用超声电机低速和大转矩的特性设计了由其驱动的五指灵巧手,传动方式采用的是腱传动方式,每个手指均有4个自由度和4个关节,即其手指具有相互独立的关节,从而可以使手指末端两个关节的运动完全依照人手的二次运动方程耦合关系进行运动规划。然而这种关节运动耦合关系会导致在求运动学反解时某些关节角得不到解析解,于是采用数值迭代法,获得了相应的数值解;进而获得了灵巧手的单指运动空间,并通过ADAMS仿真验证了算法的正确性。     

推拿灵巧手的设计及其位置分析与仿真

为了提高推拿机器人的自动化程度,完成了多自由度推拿灵巧手的结构设计和运动学分析。该灵巧手含有食指、中指、无名指和大拇指4只手指,每个手指拥有指掌和指指两个关节,食指、中指、无名指3只手指的两个关节分别联动,使得本灵巧手共4个自由度。此外,本灵巧手创新性地采用了曲柄摇杆机构驱动指指关节,有利于提高捏法操作中运动的连续性和周期性,避免电机的频繁换向,延长电机的使用寿命。利用MATLAB的数值分析和ADAMS运动仿真功能,验证了本灵巧手实现捏法操作的运动性能。     

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。     

腱绳驱动仿人灵巧手运动分析

针对在极端环境下代替人工进行作业的需求,文中设计了一种由腱绳驱动的灵巧手作为高效机器人末端执行器。通过效仿人体骨骼设计,由手掌中的微型电动机转动带动腱绳驱动灵巧手关节转动。对灵巧手分别进行了正逆运动学分析,采用D-H参数法,得到手指末端的位置信息;利用解析法求解雅克比矩阵;进行动力学分析,得出灵巧手控制的基础条件;运用蒙特卡罗法将各手指运动学方程推导计算结果可视化为手指运动空间,结果验证了运动学分分析的正确性,可为灵巧手智能化控制的发展提供参考。     

智能机器人五指灵巧手研制成功

由哈尔滨工业大学承担的国家863计划先进制造领域智能机器人专题课题“五指灵巧手”通过了专家组验收。该灵巧手具有5个相同结构的模块化手指,     

基于欠驱动原理的多指灵巧手结构设计及实验研究

针对传统的多指灵巧手手指驱动源多、结构复杂,抓取过程中驱动电机保持堵转状态导致发热量大、寿命短,以及无法准确感知目标物体的位姿并施加合理的抓取力等问题,对灵巧手手指结构、系统构型及传感器等方面进行了研究。提出了一种具有欠驱动特性及自锁特性的多指灵巧手手指结构方案及具有不同承载能力的腱传动结构方案,设计了二指、三指及五指灵巧手系统构型,开发了高灵敏度、低成本一维力传感器及触觉传感器;以三指灵巧手为例,加工了实验样机,利用实验样机进行了相关实验。研究结果表明:该灵巧手的手指结构能够有效降低驱动源数量,实现机构减重,通过更改腱传动机构,可实现不同承担不同负载,具有较好的安全性和可靠性,一维力传感器及触觉传感器具有较高的灵敏度、准确性及低成本特性,该灵巧手指具有较高的重复定位精度,可完成针对不同形状物体的稳定、可靠的抓取任务。     

Development of Gesture-Changeable under-actuated Humanoid Robotic Finger

Robotic fingers, which are the key parts of robot hand, are divided into two main kinds: dexterous fingers and under-actuated fingers. Although dexterous fingers are agile, they are too expensive. Under-actuated fingers can grasp objects self-adaptively, which makes them easy to control and low cost, on the contrary, under-actuated function makes fingers feel hard to grasp things agilely enough and make many gestures. For the purpose of designing a new finger which can grasp things dexterously, perform many gestures and feel easy to control and maintain, a concept called "gesture-changeable under-actuated" (GCUA) function is put forward. The GCUA function combines the advantages of dexterous fingers and under-actuated fingers: a pre-bending function is embedded into the under-actuated finger. The GCUA finger can not only perform self-adaptive grasping function, but also actively bend the middle joint of the finger. On the basis of the concept, a GCUA finger with 2 joints is designed, which is realized by the coordination of screw-nut transmission mechanism, flexible drawstring constraint and pulley-belt under-actuated mechanism.Principle analyses of its grasping and the design optimization of the GCUA finger are given. An important problem of how to stably grasp an object which is easy to glide is discussed. The force analysis on gliding object in grasping process is introduced in detail. A GCUA finger with 3 joints is developed. Many experiments of grasping different objects by of the finger were carried out. The experimental results show that the GCUA finger can effectively realize functions of pre-bending and self-adaptive grasping, the grasping processes are stable. The GCUA finger excels under-actuated fingers in dexterity and gesture actions and it is easier to control and cheaper than dexterous hands, becomes the third kinds of finger.     

基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制

为了使灵巧手更加轻质化、拟人化,设计了一种由舵机经套索驱动的19关节灵巧手。参照人手关节确定灵巧手的构型,通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置,并分别对关节机构与驱动集成进行了设计。建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析;基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制。搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验。实验结果表明,将套索传动应用于灵巧手具有可行性,基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取。     

仿人四指灵巧手的抓持能力分析

对四指仿人灵巧手的结构及单手指运动学及动力学进行了分析,为深入地研究该灵巧手的控制提供了理论依据。在ADAMS中进行了灵巧手抓取物体仿真实验,实时得到手指与抓取物体间的接触力值。并利用有限元方法分析了灵巧手在强力抓取时的手指结构的力学性能,验证了该灵巧手可以达到实现设计目标所要求的抓取载荷。为抓取实验提供了抓取物体重量的理论分析依据。     

果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制

为了实现果蔬的无损采摘,采用欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构,基于欠驱动原理设计的机械手结构简单可靠,抓取物体时具有形状自适应能力,手指可完全包络物体,可以通过最大接触力的闭环力反馈控制来实现无损采摘。基于这一设计思想设计出仅靠一个电动机驱动三个手指的机械手爪,通过理论分析、手爪机构设计与建模、结构参数优化,确定设计尺寸制出机械手爪,设计控制电路结合力反馈控制进行抓取试验。试验结果表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能,并具有控制简单可靠、抓取稳定、不损伤果实等特点。     

面向快速拆装的模块化机器人柔顺控制方法

在进行快速拆装任务时,模块化机器人既要有较高的伺服刚度与结构强度,又要对接触物体表现出一定的顺从特性,为此,提出一种面向快速拆装的模块化机器人柔顺控制方法。分析机器人拆装时的正逆向运动学,获取末端执行器与基座间的总坐标转换形式,以及对应关节的旋转角度,调整模块力的反馈作用,令阻抗与导纳趋于动态均衡。基于机器人与外界环境间作用力,建立模块阻抗关系,推算柔顺控制规律,利用设计的自适应柔顺控制模型,取得期望控制力,令模块到达期望位置。实验测试中,使机器人模块随实验人员手部移动,跟随运动轨迹表明,其能够较好地适应手部给予的未知力,各方向上的跟随速度与作用力拟合情况以及零件实际装配结果较为优越,具备良好的控制稳定性,且满足快速拆装时的柔顺控制基本需求。     

多指抓取的实时力优化算法

根据非线性摩擦约束与特定结构矩阵正定性之间的等价性,将多指抓取力规划问题描述为线性约束正定矩阵对应的平滑流形最优化问题,并且采用线性约束梯度流方法计算得到最优的抓取力。当手指数目较多时,高维描述矩阵限制了传统线性约束梯度流表达式的计算速度,为了解决该问题,基于力优化过程中描述矩阵的仿射约束特性,提出一种适合实时应用的基于抓取力矢量的线性约束梯度流算法。该算法取代描述矩阵,采用抓取力矢量表示线性约束梯度流,大大降低了线性约束梯度流表达式的维数和计算量。以摩擦点接触情况下的四指灵巧手为对象, 采用该算法进行抓取力计算,分析权重因子和步距因子对于计算结果和收敛速度的影响,证明该算法的正确性和实时性。     

A design approach for myoelectric arm with hand and wrist motions using single actuator

This paper relates to the development of prosthetic myoelectric hand that performs many functions of real human hand like opening and closing of fingers and wrist rotation. This dual movement of prosthetic hand is controlled by a single DC motor. Below-elbow amputee persons with missing limbs can append this prosthetic hand with the available stump and can do some of the hand operations with multiple degrees of freedom by voluntary activation of muscles using electromyogram (EMG) electrodes. To rehabilitate such a person, facilities like opening, closing, grasping, and lifting objects of different weight with variable grip force are available like natural hand. The main design consideration includes degrees of freedom, number of actuators, power of actuators, reliability, electronic control, light weight, economic viability, wrist rotation, variable grip force pattern, and ease of attachment with limb. Use of electromagnetic clutches along with the coupling logic of DC motor and microcontroller based on grip force generation and wrist rotation based on EMG signals imparts a new function to the device. It will be useful for both robotic and prosthetic industry.     

一种基于FPGA的力反馈数据手套

为了实现对机器人灵巧手的遥操作控制,并将灵巧手与外界的相互作用力反馈给操作者,以获得真实的临场感,设计出一种新型的力反馈数据手套.对数据手套的基于人机工程的模块化的外骨骼机械结构进行了介绍,另外,重点对融合光、电、磁、力的多传感器系统,以及基于FPGA的底层实时控制系统进行了详细阐述.