機器人靈巧手指尖柔性觸覺傳感器研制及操作研究.pdf

1、通過利用必要的傳感器信息,機器人靈巧手能夠有效完成對多種物體的抓取和操作任務(wù)。其中指尖觸覺傳感器可有效獲取接觸狀態(tài)和接觸位置等信息,這些信息對提高機器人靈巧手的實際操作能力(尤其是滾動接觸操作能力)至關(guān)重要。因此本文以哈工大機器人研究所與德宇航中心聯(lián)合研制的 HIT/DLR Hand II型多指靈巧手為平臺,進行了靈巧手指尖觸覺傳感器研制及操作研究。
　　針對陣列壓阻式觸覺傳感器的回路干擾問題,本文首先構(gòu)建了基于電壓反饋法和零電勢

2、法的最簡化的回路干擾抑制電路;然后仿真分析了模擬開關(guān)和多路開關(guān)導(dǎo)通電阻值對各個電路測量精度的影響;最后比較分析了各個電路對回路干擾的抑制性能。這為后續(xù)的指尖觸覺傳感器的回路干擾抑制電路的設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)。
　　本文研制了一種基于壓阻原理的柔性的貼敷式指尖觸覺傳感器。該傳感器具有36個觸覺單元。針對非可展曲面近似展開問題,提出了一種省道切割結(jié)合有限元分析的非可展曲面近似展開法。該方法首先利用添加省道的方式適當分割非可展曲面,然后利用

3、有限元分析軟件獲取二維近似展開圖。利用該方法設(shè)計的該傳感器本體能夠很好地包絡(luò)該靈巧手手指指尖的三維曲面。針對該靈巧手對高集成的要求,設(shè)計了該傳感器基于片上可編程系統(tǒng)的嵌入式信號采集處理系統(tǒng)。為了測試該傳感器的性能,設(shè)計了觸覺傳感器的性能測試系統(tǒng)。指尖觸覺傳感器系統(tǒng)的成功研制為該靈巧手在抓取操作過程中獲取接觸狀態(tài)和接觸位置等信息提供了必要保障。
　　為了提高該靈巧手手指的運動學和力學模型的精度,構(gòu)建了基于觸覺傳感器位置信息的運動學和

4、力學模型。與傳統(tǒng)的基于虛擬指尖法構(gòu)建的運動學和力學模型相比,該模型能夠有效提高該靈巧手手指對笛卡兒空間接觸位置和接觸力的檢測精度,為該靈巧手后續(xù)的控制研究奠定了數(shù)學基礎(chǔ)。
　　為了保證該靈巧手手指在與環(huán)境接觸時的柔順性,研究了手指基于觸覺和力矩傳感器信息融合的笛卡兒阻抗控制。首先提出了適用于求取串聯(lián)機器人任意連桿中任意一點處所受的內(nèi)力和內(nèi)力矩的算法,該算法采用連桿假想截斷法利用牛頓–歐拉方程推導(dǎo)而出,推導(dǎo)過程綜合考慮了串聯(lián)機器人是

5、否處于靜態(tài)和末端是否受外力作用的情況,以及串聯(lián)機器人的關(guān)節(jié)是否是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的情況;然后利用該算法推導(dǎo)了連桿力矩傳感器空間的動力學模型。通過將連桿力矩傳感器的原始信號經(jīng)動態(tài)補償后融合觸覺傳感器位置信息計算得到的笛卡兒空間作用力轉(zhuǎn)化為位置、速度和加速度的修正量的方式,構(gòu)建了基于觸覺和力矩傳感器信息融合的兩種基于位置的笛卡兒阻抗控制器。實驗結(jié)果表明該算法和所構(gòu)建的笛卡兒阻抗控制器是有效的,同時也表明基于觸覺和力矩傳感器信息融合的笛卡兒阻抗控制能

6、夠有效提高手指指尖的動態(tài)位置跟蹤精度。這為該靈巧手的后續(xù)操作研究奠定了基礎(chǔ)。
　　針對靈巧手在操作未知物體時可能因發(fā)生滾動而無法完成期望操作的問題,首先構(gòu)建了基于固定接觸點假設(shè)的靈巧手操作的運動學和力學模型,然后在此基礎(chǔ)上提出了基于指尖觸覺傳感器的變接觸點操作策略。該策略利用機器人靈巧手手指指尖觸覺傳感器檢測指尖接觸點位置,通過判斷是否發(fā)生滾動的方式進行手指末端桿件的尺寸參數(shù)更新控制,既考慮了實際滾動發(fā)生的情況,又無需已知物體的幾