DLR-HIT仿人靈巧手系統(tǒng)及手指柔順控制的研究.pdf

1、具有多種感知功能仿人機器人靈巧手作為提高機器人系統(tǒng)作業(yè)水平和智能水平的重要工具，成為機器人領(lǐng)域中一個重要的研究方向。靈巧手本體的研制和多方面的控制工作是靈巧手研究的兩個重要方面，本體提供了操作基礎(chǔ)，控制對于靈巧手的操作性能具有致關(guān)重要的意義。本文結(jié)合國家“863”計劃704主題項目“空間實驗室艙內(nèi)機器人綜合服務(wù)系統(tǒng)仿人靈巧手的研究”，研制了達到國際領(lǐng)先水平的DLR/HIT仿人靈巧手，并重點進行了單手指的位置控制、柔順控制的研究和兩指協(xié)調(diào)

2、精細操作策略的研究。
　　DLR/HIT仿人靈巧手由四個相同結(jié)構(gòu)的手指組成，共有13個自由度，具有多種感知、集成化和模塊化、高度數(shù)字化以及可重構(gòu)手掌等特點。傳感器的種類及數(shù)量，對于提高靈巧手的作業(yè)水平和智能化水平具有重要意義，DLR/HIT手具有力感、位置感和溫度感等多種感知功能。采用機電一體化設(shè)計思想，將機械本體與傳感、驅(qū)動、傳動以及電氣系統(tǒng)等統(tǒng)一考慮、合理布局，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計。每個模塊化的手指，作為可獨立工作的小機器人集

3、自身的驅(qū)動、傳感、通訊等功能為一體。模塊化的手指結(jié)構(gòu)簡化了靈巧手的設(shè)計過程，提高了系統(tǒng)的互換性，便于維護。DLR/HIT手基于FPAG/DSP結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集、高速的通訊系統(tǒng)以及實時控制，保證了信號的質(zhì)量，增強了系統(tǒng)的可靠性。除此硬件基礎(chǔ)外，API函數(shù)和相關(guān)的用戶程序接口等使操作者在不需要知道硬件工作原理的基礎(chǔ)上也能操作靈巧手工作，為上層操作者提供了一個友好的試驗平臺。
　　靈巧手的外觀，對于靈巧手的應(yīng)用以及得到認可是

4、非常關(guān)鍵的。在具有開放式結(jié)構(gòu)的DLR/HIT靈巧手樣機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)靈巧手的仿人型外觀設(shè)計是本文重點研究的一個內(nèi)容，包括外觀的設(shè)計和樣機本體的修改設(shè)計兩方面工作。首先以DLR/HIT靈巧手樣機作為內(nèi)骨骼，進行靈巧手的外觀效果設(shè)計，進而以此設(shè)計效果為目標(biāo)利用三維造型軟件進行靈巧手包裝件的具體設(shè)計，并根據(jù)外觀設(shè)計的需要，對機械本體、傳感器結(jié)構(gòu)等進行修改。
　　單手指控制是靈巧手控制系統(tǒng)的底層，其控制性能直接影響靈巧手的操作性能。單手指可

5、以看作一個小的串聯(lián)機器人，機器人的運動學(xué)和動力學(xué)理論適用于手指的研究，本文首先基于手指結(jié)構(gòu)，分析了手指的運動學(xué)和動力學(xué)，為手指的控制做準(zhǔn)備。手指的控制可以分為自由空間的位置控制和約束空間的柔順控制。本文運用Paul提出的四次多項式軌跡插補算法和驅(qū)動器的滑模變結(jié)構(gòu)控制，設(shè)計了手指的關(guān)節(jié)位置跟蹤控制算法，并進而完成了笛卡爾空間的指尖位置控制。
　　當(dāng)靈巧手在完成與環(huán)境接觸的作業(yè)時，手指的柔順性十分重要，阻抗控制是實現(xiàn)手指主動柔順的主要