DLR/HIT仿人灵巧手系统及手指柔顺控制的研究
具有多种感知功能仿人机器人灵巧手作为提高机器人系统作业水平和智能水平的重要工具，成为机器人领域中一个重要的研究方向。灵巧手本体的研制和多方面的控制工作是灵巧手研究的两个重要方面，本体提供了操作基础，控制对于灵巧手的操作性能具有致关重要的意义。本文结合国家“863”计划704主题项目“空间实验室舱内机器人综合服务系统仿人灵巧手的研究”，研制了达到国际领先水平的DLR/HIT仿人灵巧手，并重点进行了单手指的位置控制、柔顺控制的研究和两指协调精细操作策略的研究。 DLR/HIT仿人灵巧手由四个相同结构的手指组成，共有13个自由度，具有多种感知、集成化和模块化、高度数字化以及可重构手掌等特点。传感器的种类及数量，对于提高灵巧手的作业水平和智能化水平具有重要意义，DLR/HIT手具有力感、位置感和温度感等多种感知功能。采用机电一体化设计思想，将机械本体与传感、驱动、传动以及电气系统等统一考虑、合理布局，实现系统的最优化设计。每个模块化的手指，作为可独立工作的小机器人集自身的驱动、传感、通讯等功能为一体。模块化的手指结构简化了灵巧手的设计过程，提高了系统的互换性，便于维护。DLR/HIT手基于FPAG/DSP结构实现了全数字化的数据采集、高速的通讯系统以及实时控制，保证了信号的质量，增强了系统的可靠性。除此硬件基础外，API函数和相关的用户程序接口等使操作者在不需要知道硬件工作原理的基础上也能操作灵巧手工作，为上层操作者提供了一个友好的试验平台。 灵巧手的外观，对于灵巧手的应用以及得到认可是非常关键的。在具有开放式结构的DLR/HIT灵巧手样机的基础上实现灵巧手的仿人型外观设计是本文重点研究的一个内容，包括外观的设计和样机本体的修改设计两方面工作。首先以DLR/HIT灵巧手样机作为内骨骼，进行灵巧手的外观效果设计，进而以此设计效果为目标利用三维造型软件进行灵巧手包装件的具体设计，并根据外观设计的需要，对机械本体、传感器结构等进行修改。 单手指控制是灵巧手控制系统的底层，其控制性能直接影响灵巧手的操作性能。单手指可以看作一个小的串联机器人，机器人的运动学和动力学理论适用于手指的研究，本文首先基于手指结构，分析了手指的运动学和动力学，为手指的控制做准备。手指的控制可以分为自由空间的位置控制和约束空间的柔顺控制。本文运用Paul提出的四次多项式轨迹插补算法和驱动器的滑模变结构控制，设计了手指的关节位置跟踪控制算法，并进而完成了笛卡尔空间的指尖位置控制。 当灵巧手在完成与环境接触的作业时，手指的柔顺性十分重要，阻抗控制是实现手指主动柔顺的主要方法之一，得到深入研究和广泛应用。本文以指尖六维力/力矩传感器提供的力信息和指尖位置控制为基础，实现了基于位置的笛卡尔空间的手指阻抗控制。在利用灵巧手完成某些特定的操作时，要对指尖与环境间的接触力进行控制。本文基于自适应策略，设计和实现了手指的阻抗控制的力跟踪算法，在不同刚度的环境下实现力跟踪控制。本文最后进行了关节空间阻抗控制的研究，提出和实现了可变内环PD位置器控制参数的阻抗控制策略。
DLR/HIT仿人灵巧手;单手指;位置控制;柔顺控制;两指操作策略
哈尔滨工业大学
博士
机械电子工程
刘宏
2006
中文
TP242
134
2013-03-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）