腱驅動靈巧手指結構設計及其運動分析與試驗.pdf

1、當前，空間在軌維修任務主要依靠航天員完成，但是惡劣的空間環(huán)境對航天員來說充滿風險。面向空間在軌維修任務的機器人多指靈巧手無疑是協(xié)助或代替航天員的最佳選擇。然而，多數(shù)機器人靈巧手的機構、電氣及傳感系統(tǒng)設計都未考慮空間環(huán)境的特殊性。本文在國家863計劃的支持下，設計了一個面向空間操作任務和空間環(huán)境的機器人靈巧手指，并對其運動性能、控制性能進行了分析和驗證。主要研究內(nèi)容如下：靈巧手指的設計指標分析、機械系統(tǒng)的設計和分析、手指運動性能分析以及手

2、指位置控制和阻抗控制性能驗證等。
　　首先，本文基于人手的解剖學理論及空間在軌服務的操作任務，確定靈巧手指的基本設計指標及總體方案，包括自由度配置，驅動及傳動方案選擇。為了具有類似人手的靈巧性，腱驅動靈巧手指具有4個關節(jié)和3個獨立自由度。其中，MP關節(jié)為兩自由度的差動耦合關節(jié)，能夠實現(xiàn)側擺/俯仰兩個方向的運動，PIP關節(jié)為單自由度關節(jié)，DIP關節(jié)通過“∞”字形可預緊式耦合機構與PIP關節(jié)耦合?！癗型”腱繩傳動方案的選擇，有效減小驅

3、動系統(tǒng)的尺寸，并通過兩路腱繩輸入實現(xiàn)了MP關節(jié)兩自由度（俯仰和側擺）的差動耦合運動。為了實現(xiàn)對手指內(nèi)部和外部信息的感知，本文通過巨磁阻式驅動端角度位置傳感器與應變式腱繩張力傳感器，間接實現(xiàn)了對靈巧手指關節(jié)力矩和關節(jié)位置的檢測。
　　其次，構建了串聯(lián)關節(jié)式機器人系統(tǒng)數(shù)學模型，并針對長路徑腱傳動系統(tǒng)的特點進行了驅動空間與關節(jié)空間的映射描述和腱繩的彈性補償分析。基于D-H參數(shù)法分析了單手指的正逆運動學，并利用Matlab軟件繪制了手指的

4、操作空間?；凇癗”型傳動方案，分析了驅動空間與關節(jié)空間的映射關系。通過對腱繩彈性變形補償分析，得到了關節(jié)空間與驅動空間以及腱繩張力之間的精確關系，為關節(jié)位置檢測提供了理論依據(jù)。另外，對關鍵零部件進行了應力分析，以校核其強度。
　　最后，考慮到腱驅動靈巧手指長路徑腱繩系統(tǒng)的非線性傳遞關系與間接的位置和力矩信息獲取方式，構建了具有實時性的靈巧手指QNX實驗系統(tǒng)，驗證了長路徑腱傳動手指在關節(jié)空間和笛卡爾空間的位置跟蹤性能。關節(jié)空間位置