多指仿人機(jī)器人靈巧手的同步控制研究.pdf

1、具有多種感知功能的仿人機(jī)器人靈巧手是機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向。本文結(jié)合國(guó)家科技部(863計(jì)劃)項(xiàng)目“新一代五指仿人靈巧手及其協(xié)調(diào)控制的研究”(課題編號(hào)：2006AA04Z255)，在哈工大機(jī)器人研究所與德宇航中心聯(lián)合研制的HIT/DLR I靈巧手基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與人手相近的外形和尺寸(HIT/DLR I靈巧手為1.5倍人手大小，且僅有四個(gè)手指)，研制達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的驅(qū)動(dòng)內(nèi)置型五指仿人靈巧手，并重點(diǎn)進(jìn)行單手指位置控制和柔

2、順控制的研究以及基于該靈巧手進(jìn)行多指協(xié)調(diào)操作的研究。
　　為了能夠代替人手完成復(fù)雜的任務(wù)，要求靈巧手具有與人手相似的大小和活動(dòng)能力，這由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)所決定。此外，靈巧手還須具有與人手類(lèi)似的操作能力，如執(zhí)行精細(xì)抓取操作時(shí)要求手指具有足夠的位置精度，對(duì)易碎物體的抓取時(shí)要有足夠的力控制精度，同時(shí)由于環(huán)境的不確定性，要求靈巧手具有一定的抗干擾能力，以保證對(duì)物體的穩(wěn)定抓取，這些均對(duì)靈巧手控制系統(tǒng)的性能提出了嚴(yán)

3、格的要求。
　　為了提高靈巧手的集成度并增強(qiáng)控制性能，本文研制了基于DSP/FPGA控制結(jié)構(gòu)的模塊化嵌入式手指控制系統(tǒng)，成功地將手指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成在手指內(nèi)部，使得與人手尺寸和活動(dòng)性相似的HIT/DLR II五指機(jī)器人靈巧手的得以實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流檢測(cè)，采用一個(gè)電流傳感器測(cè)量并重構(gòu)了三相電流，并通過(guò)設(shè)定采樣時(shí)間獲得了穩(wěn)定的電流信號(hào)。為解決手指DSP和FPGA之間如何穩(wěn)定、高效通信的難題，結(jié)合先進(jìn)先出寄存器，設(shè)計(jì)了基于串行通信接口和

4、RS485總線(xiàn)的多中斷差分通信系統(tǒng)。為了提高靈巧手的智能化水平，HIT/DLR II靈巧手集成了多個(gè)微型傳感器，所有傳感器的模擬輸出就近轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以減小信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸引起的噪聲干擾。
　　針對(duì)傳統(tǒng)巨磁阻傳感器在小于1.5mm工作距離可能引起信號(hào)失真或傳感器損壞的問(wèn)題，基于三維靜態(tài)磁場(chǎng)分析技術(shù)分析了不同類(lèi)型的永磁鐵磁場(chǎng)分布，為高度集成的HIT/DLR II五指機(jī)器人靈巧手開(kāi)發(fā)了工作距離為0.5mm的微型巨磁阻傳感器系統(tǒng)。實(shí)踐結(jié)

5、果表明經(jīng)非線(xiàn)性誤差補(bǔ)償后巨磁阻傳感器角度測(cè)量精度可達(dá)±1o。此外，所開(kāi)發(fā)的巨磁阻傳感器系統(tǒng)與傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)相比，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、集成度高、精度高的特點(diǎn)，為其它微機(jī)電系統(tǒng)和高集成系統(tǒng)的微型磁傳感器研究建立了良好的基礎(chǔ)。
　　針對(duì)HIT/DLR II五指機(jī)器人靈巧手手指結(jié)構(gòu)，本文建立了驅(qū)動(dòng)空間中基關(guān)節(jié)交叉耦合同步誤差和關(guān)節(jié)空間中主從同步誤差表達(dá)式，提出了包含同步誤差和位置誤差反饋?lái)?xiàng)及平滑魯棒非線(xiàn)性反饋補(bǔ)償項(xiàng)的同步位置控制策略

6、，并理論證明了該策略能夠使同步誤差和位置誤差均收斂，且具有漸近穩(wěn)定性。通過(guò)與非同步控制的PD加摩擦力補(bǔ)償算法和軌跡跟蹤控制算法進(jìn)行對(duì)比，表明文中所設(shè)計(jì)的控制器有效地提高了指尖在自由空間中的軌跡跟蹤精度。
　　通過(guò)將關(guān)節(jié)力矩傳感器的反饋信號(hào)轉(zhuǎn)化為位置修正向量，本文建立了驅(qū)動(dòng)空間中基關(guān)節(jié)交叉耦合同步誤差和關(guān)節(jié)空間中主從同步誤差表達(dá)式，提出了包含同步誤差和位置誤差反饋?lái)?xiàng)及平滑魯棒非線(xiàn)性反饋補(bǔ)償項(xiàng)的同步阻抗控制策略。基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理

7、論證明了所提出的控制策略能夠使同步誤差和位置誤差均收斂，并且保證了系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。經(jīng)與非同步控制的PID阻抗控制算法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提出控制策略的有效性，同時(shí)與人手的相互作用實(shí)驗(yàn)，可以看出設(shè)計(jì)的同步阻抗控制器能夠根據(jù)感應(yīng)到的力矩產(chǎn)生柔順的光滑運(yùn)動(dòng)，表明該系統(tǒng)獲得了理想的阻抗性能，為多指手的抓握和與人協(xié)調(diào)操作奠定了基礎(chǔ)。
　　針對(duì)靈巧手在不確定環(huán)境工作中有可能碰到障礙或受到外界干擾，從而發(fā)生被抓物體脫離或損壞的情況，建立了笛卡爾