基于同步控制的多指手操作控制方法的研究

论文摘要

多指手的研究是提高机器人系统的操作能力和智能水平的一个重要方面。而控制是多指手研究的一个重点,特定的硬件条件下,控制系统的优劣决定了多指手的操作性能。本文结合国家自然科学基金项目“机器人多指手实时力优化和自主操作控制的研究”(课题号:60675045),以HIT/DLR手为平台,研究了基于同步控制的多指手操作控制方法。HIT/DLR手的手指由三个电机联合驱动,其中两自由度基关节由两个电机和差动机构驱动,驱动器间运动的协调成为影响手指运动精度的重要因素。因此,本文在分析多指手的运动学和动力学以后,将同步控制的思想引入到手指控制算法的设计中,以协调各驱动器间的运动。根据期望轨迹对应的运动学约束设计驱动器间的同步误差,提出了包含速度和加速度前馈项、跟踪误差和同步误差反馈项、饱和度控制项的手指位置同步控制算法。该算法简单,不需要精确的动力学模型参数,并且具有渐近稳定性。实验证明,与传统的无同步控制方法相比,该算法具有更高的位置跟踪精度。分别以基于同步控制的位置控制器和力控制器为内环,建立手指基关节的阻抗控制系统。该系统内环精度提高,从而减小了力超调,缩短了过渡过程时间。多个手指间的协调是研究多指操作的一个重点。本文以物体平动情况下的多指运动学为基础,研究了与单指位置控制算法具有相同结构的多指位置同步控制算法,以协调各手指的运动。实验证明该算法提高了多指手操作控制精度。为了使手指与物体之间保持期望的接触力,在多指位置同步控制算法中引入基于接触力同步误差的力控制环,对期望位置进行修正,进一步改善操作效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本研究课题的背景和意义
• 1.2 多指手综述
• 1.3 多指手控制综述
• 1.3.1 单手指控制
• 1.3.2 多手指操作控制
• 1.4 同步控制综述
• 1.4.1 并行控制
• 1.4.2 主从控制
• 1.4.3 交叉耦合控制
• 1.5 本研究课题的来源及主要研究内容
• 第2章 多指手的运动学及动力学
• 2.1 引言
• 2.2 HIT/DLR手的运动学构型
• 2.3 HIT/DLR手的单手指运动学与动力学
• 2.3.1 运动学分析
• 2.3.2 静力学分析
• 2.3.3 动力学分析
• 2.4 多指运动学分析
• 2.4.1 手掌运动学分析
• 2.4.2 拇指与中指运动学分析
• 2.4.3 食指与无名指运动学分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于同步控制的手指位置控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 手指位置测量和运动空间转换
• 3.2.1 位置测量
• 3.2.2 运动空间转换
• 3.3 同步位置控制的研究
• 3.3.1 轨迹规划
• 3.3.2 同步误差的设计
• 3.3.3 控制算法的研究
• 3.4 手指的位置控制实验
• 3.4.1 实验中用到的其他方法的概述
• 3.4.2 基关节位置控制实验
• 3.4.3 手指笛卡尔位置控制实验
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于同步控制的手指基关节阻抗控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 阻抗控制算法
• 4.2.1 基于位置的基关节阻抗控制
• 4.2.2 基于力的基关节阻抗控制
• 4.3 阻抗控制实验
• 4.3.1 基于位置的阻抗控制实验
• 4.3.2 基于力的阻抗控制实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于同步控制的多指手抓取操作研究
• 5.1 引言
• 5.2 抓取模型的建立
• 5.3 多指位置控制
• 5.3.1 轨迹规划
• 5.3.2 多指位置同步控制算法
• 5.3.3 实验研究
• 5.4 力补偿位置控制
• 5.4.1 建立抓取力模型
• 5.4.2 算法研究
• 5.4.3 实验研究
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢