腱驅(qū)動(dòng)靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn).pdf

1、當(dāng)前，空間在軌維修任務(wù)主要依靠航天員完成，但是惡劣的空間環(huán)境對(duì)航天員來(lái)說(shuō)充滿風(fēng)險(xiǎn)。面向空間在軌維修任務(wù)的機(jī)器人多指靈巧手無(wú)疑是協(xié)助或代替航天員的最佳選擇。然而，多數(shù)機(jī)器人靈巧手的機(jī)構(gòu)、電氣及傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)都未考慮空間環(huán)境的特殊性。本文在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，設(shè)計(jì)了一個(gè)面向空間操作任務(wù)和空間環(huán)境的機(jī)器人靈巧手指，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能、控制性能進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。主要研究?jī)?nèi)容如下：靈巧手指的設(shè)計(jì)指標(biāo)分析、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析、手指運(yùn)動(dòng)性能分析以及手

2、指位置控制和阻抗控制性能驗(yàn)證等。
　　首先，本文基于人手的解剖學(xué)理論及空間在軌服務(wù)的操作任務(wù)，確定靈巧手指的基本設(shè)計(jì)指標(biāo)及總體方案，包括自由度配置，驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)方案選擇。為了具有類似人手的靈巧性，腱驅(qū)動(dòng)靈巧手指具有4個(gè)關(guān)節(jié)和3個(gè)獨(dú)立自由度。其中，MP關(guān)節(jié)為兩自由度的差動(dòng)耦合關(guān)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)擺/俯仰兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，PIP關(guān)節(jié)為單自由度關(guān)節(jié)，DIP關(guān)節(jié)通過(guò)“∞”字形可預(yù)緊式耦合機(jī)構(gòu)與PIP關(guān)節(jié)耦合。“N型”腱繩傳動(dòng)方案的選擇，有效減小驅(qū)

3、動(dòng)系統(tǒng)的尺寸，并通過(guò)兩路腱繩輸入實(shí)現(xiàn)了MP關(guān)節(jié)兩自由度（俯仰和側(cè)擺）的差動(dòng)耦合運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)手指內(nèi)部和外部信息的感知，本文通過(guò)巨磁阻式驅(qū)動(dòng)端角度位置傳感器與應(yīng)變式腱繩張力傳感器，間接實(shí)現(xiàn)了對(duì)靈巧手指關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)位置的檢測(cè)。
　　其次，構(gòu)建了串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)長(zhǎng)路徑腱傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)空間與關(guān)節(jié)空間的映射描述和腱繩的彈性補(bǔ)償分析?；贒-H參數(shù)法分析了單手指的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，并利用Matlab軟件繪制了手指的

4、操作空間?；凇癗”型傳動(dòng)方案，分析了驅(qū)動(dòng)空間與關(guān)節(jié)空間的映射關(guān)系。通過(guò)對(duì)腱繩彈性變形補(bǔ)償分析，得到了關(guān)節(jié)空間與驅(qū)動(dòng)空間以及腱繩張力之間的精確關(guān)系，為關(guān)節(jié)位置檢測(cè)提供了理論依據(jù)。另外，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了應(yīng)力分析，以校核其強(qiáng)度。
　　最后，考慮到腱驅(qū)動(dòng)靈巧手指長(zhǎng)路徑腱繩系統(tǒng)的非線性傳遞關(guān)系與間接的位置和力矩信息獲取方式，構(gòu)建了具有實(shí)時(shí)性的靈巧手指QNX實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了長(zhǎng)路徑腱傳動(dòng)手指在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間的位置跟蹤性能。關(guān)節(jié)空間位置