具有力感知功能的水下灵巧手研究

论文摘要

随着水下机器人在探测、打捞、管线检测与修复等应用领域的不断延伸，对水下机器人的精细作业水平提出了越来越高的要求，具有感知功能的水下灵巧手的研制和开发逐渐受到各国机器人研究者的重视。 本课题来源于黑龙江省自然科学基金项目“水下机器人多指灵巧手基础技术研究”项目。在项目中，对具有力感知功能的水下三指灵巧手关键技术进行研究。目的是开发出一种能安装到水下机器人手臂上且通用性比较强的多功能手爪，与机器人手臂配合使用以扩大机器人的作业范围。对提高水下机器人作业能力，实现作业的智能化，具有重要的理论意义和实用价值。在海洋开发中具有广阔的应用前景。 论文综述了国内外灵巧手、水下机械手爪、力感知技术和力控制技术等相关领域的研究现状。 文中参考非水环境灵巧手的设计经验，考虑灵巧手使用的具体环境，提出了具有九个自由度的三指水下灵巧手的总体方案，包括机械本体结构、传感器系统和控制系统。设计了手指的密封结构，并分析了该种方式的效率。通过对结构参数的优化设计使水下灵巧手的结构更趋合理性，最大限度提高水下灵巧手的作业能力。设计了包括关节位置、指尖力和视觉的传感器系统。根据仿生学原理设计了基于CAN总线的分布式控制系统，在保证实时性要求的前提下，提高系统的可靠性、易维护性。 指尖力传感器是水下灵巧手实现力封闭控制，完成智能抓取的关键因素，用于检测手指与物体之间作用力的大小和作用点的位置。针对水下环境的特殊性，进行水下指尖力传感器的结构设计，并采用弹性力学建立了精确的数学模型，最后采用有限元方法验证该数学模型是精确有效的，并且从结果分析可知，该数学模型的精度远优于使用材料力学所建立的数学模型精度。该数学模型对圆筒式多维力传感器的主动设计具有重要的意义。 运动学模型和动力学模型是机器人控制的必然要素。文中针对水下灵巧手的具体结构，进行手指运动学分析，建立了运动学模型。水下灵巧手用于水下环境，作业时必将受水环境的影响，其动力学模型非常复杂。文中在作相关假设的前提下，考虑水阻力、附加质量力等的影响，建立了较为精确的水下灵巧手手指动力学模型，并对其进行仿真，分析了水环境对手指运动的

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 相关领域国内外发展概况
• 1.2.1 非水环境灵巧手的研究
• 1.2.2 水下机械手爪的研究
• 1.2.3 力感知技术
• 1.2.4 手指的力控制技术
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 水下灵巧手的总体方案
• 2.1 引言
• 2.2 非水环境灵巧手的设计经验
• 2.2.1 机械结构
• 2.2.2 驱动系统
• 2.2.3 传感器系统
• 2.2.4 控制系统
• 2.3 机械本体
• 2.3.1 总体特性
• 2.3.2 结构参数的优化设计
• 2.3.3 防腐与密封技术
• 2.4 传感器系统
• 2.4.1 位置传感器
• 2.4.2 力觉传感器
• 2.4.3 视觉传感器
• 2.5 控制系统
• 2.5.1 控制系统方案
• 2.5.2 硬件结构设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 水下指尖力传感器的设计理论
• 3.1 引言
• 3.2 传感器结构模型及测量原理
• 3.3 圆筒受六维力作用时的应力分析
• x作用时'>3.3.1 单F_x作用时
• y作用时'>3.3.2 单F_y作用时
• z作用时'>3.3.3 单F_z作用时
• x作用时'>3.3.4 单M_x作用时
• y作用时'>3.3.5 单M_y作用时
• z作用时'>3.3.6 单M_z作用时
• 3.3.7 综合效应分析
• 3.4 结构设计
• 3.5 传感器有限元分析
• 3.5.1 前期处理
• 3.5.2 计算结果与分析
• 3.5.3 圆筒内外壁应力差异分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 手指的运动学和动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 手指运动学
• 4.2.1 运动方程
• 4.2.2 运动学逆解
• 4.2.3 雅可比矩阵
• 4.3 手指动力学
• 4.3.1 关节空间动力学方程
• 4.3.2 水阻力矩的计算
• 4.3.3 附加质量力矩的计算
• 4.3.4 操作空间动力学方程
• 4.3.5 动力学仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 手指的力控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 位置型阻抗控制
• 5.2.1 目标阻抗模型
• 5.2.2 物体动态模型
• 5.2.3 控制器结构
• 5.2.4 参考轨迹
• 5.2.5 仿真实验与分析
• 5.3 位置型神经网络阻抗控制
• 5.3.1 动力学模型不确定的补偿方法
• 5.3.2 物体刚度不确定的补偿方法
• 5.3.3 指尖力传感器测量误差的影响
• 5.3.4 物体位置误差的影响
• 5.3.5 物体位置不确定的补偿方法
• 5.3.6 神经网络补偿器的设计
• 5.3.7 仿真实验与分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 水下灵巧手原理样机的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验系统
• 6.2.1 水下灵巧手原理样机
• 6.2.2 传感器系统
• 6.2.3 PCI-CAN总线适配卡
• 6.2.4 手指运动控制系统
• 6.3 关节运动特性实验
• 6.4 手指位置控制实验
• 6.5 手指的力控制实验
• 6.6 灵巧手抓取实验
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢