新型仿人假手及其动态控制的研究

论文摘要

传统的单自由度商用假手虽然也是一种典型的生物机电一体化系统,但只能进行简单的抓握,与人手还有很大的差距,远远满足不了残疾人正常生活和工作的需要。目前残疾人假手正朝着多自由度的方向发展,重量轻、体积小、可靠性高、自适应抓握,控制简单和操作灵活是假手的发展趋势。因此,本文结合国家自然科学基金重点项目“新一代仿人型残疾人假手系统及理论的研究”（项目编号:50435040）,研制了达到国际领先水平的HIT-DLR新型仿人假手,并进行了单手指的运动学、静力学和动力学分析,动态轨迹跟踪及其柔顺控制的研究。HIT-DLR新型仿人假手,外形和人手相似,共有五个手指,十五个活动关节,通过三个步进电机驱动,总重量约为500g。根据欠驱动和耦合原理采用模块化思想设计了假手的手指,手指有很强的运动灵活性和可靠性。设计了由一个电机驱动的三指联动机构,该机构能完成对复杂物体的自适应抓取,同时该机构在外观和运动形式上实现了仿人化设计,具有较高的运动一致性和保持固有位姿的能力;设计了仿人拇指机构,该拇指在一个电机的驱动下,能够沿空间的锥面实现抓握,球轴承的使用使欠驱动原理在空间机构上得到了实现,同时为了保证抓握不同物体的有效性,用ADAMS进行了仿真实验,给出拇指的具体布置位置;设计基于应变测量的、可以互换使用的基关节力矩传感器。基于集成化的思想设计假手的本体结构,实现假手的机构、传感、驱动和微处理器系统的集成,完成了假手的外包装设计,包括假手外观美化设计和假手的机构优化设计。假手的抓取试验和负载实验验证了假手的设计思想。进行了食指连杆机构和拇指空间连杆机构的运动学分析,完成手指耦合四连杆的参数设计,确定连杆的机构参数,并在ADAMS虚拟环境下进行了仿真验证。建立假手欠驱动单手指的静力学模型,给出抓握不同物体时驱动力矩和各指节受力之间的关系,使用ADAMS进行了验证,并使用压力传感器进行了实验验证。基于手指,由MATLAB和ADAMS进行了仿真、比较,得到了一致的结果,并进行了实验验证。假手的手指控制性能直接影响假手的操作性能,是假手设计的重要一环。单手指可以看作一个小机器人,手指的运动学和动力学分析,也是为手指的控制做准备。在控制方面,首先结合假手的控制系统平台,进行了计算力矩法的轨迹跟踪控制实验,其结果大大减小了PID轨迹跟踪的误差,提高了动态性能,取得了良好的轨迹跟踪效果,消除了在运动控制中扭簧造成的不可控性;由于假手手指只有位置传感器,这就不可避免地给控制带来了的误差,为了减少这种误差,建立了基于假手手指动力学模型的速度观测器,该观测器运用在手指的控制中可以通过手指的位置传感器信号和动力学模型准确的获得速度信号,弥补了假手没有速度传感器的缺点,大大减小了控制误差。加入速度观测器的计算力矩轨迹跟踪算法,进一步减小了跟踪误差;结合了速度观测器的自适应控制器,补偿动力学模型的中的不确定因素,减小了速度误差,使手指的动态控制效果比较理想。当假手在完成与环境接触的作业时,手指的柔顺性十分重要,阻抗控制是实现手指主动柔顺的主要方法之一,得到深入研究和广泛应用。本文分别通过基于位置和基于力的阻抗控制对手指基关节的抓握力进行控制,其中在基于力的阻抗控制中同样也使用了速度观测器。基于力的阻抗控制通过动力学补偿不仅可以准确地进行力跟踪,而且把轨迹跟踪和力跟踪结合起来,实现了手指的动态抓握控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 仿人型假手发展综述
• 1.2.1 单自由度商业用假手
• 1.2.2 键驱动的多自由度假手
• 1.2.3 连杆驱动的多自由度假手
• 1.3 人手骨骼结构和欠驱动原理分析
• 1.3.1 人手骨骼结构和抓握方式的研究
• 1.3.2 欠驱动和耦合原理分析
• 1.4 机器人手控制算法综述
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 1.5.1 课题来源及意义
• 1.5.2 学位论文的主要研究内容
• 1.6 本文结构
• 第2章 仿人假手的机构设计
• 2.1 引言
• 2.2 仿人假手的总体结构
• 2.3 假手的手指设计
• 2.3.1 假手四指（食指、中指、无名指、小指）结构设计
• 2.3.2 拇指结构设计
• 2.3.3 三指联动机构设计
• 2.4 假手手腕的设计
• 2.5 假手传感、驱动、微处理系统的集成化设计
• 2.5.1 力矩传感器的设计
• 2.5.2 假手的集成化设计
• 2.6 假手的外包装设计
• 2.6.1 假手的外观美化设计
• 2.6.2 假手的机构本体的优化设计
• 2.7 假手的试验与分析
• 2.7.1 假手的负载试验
• 2.7.2 假手的适应性抓取试验
• 2.7.3 三代假手样机的比较与分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 欠驱动手指的运动学和静力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 食指的运动学分析
• 3.2.1 食指欠驱动连杆的分析
• 3.2.2 食指耦合连杆的分析
• 3.2.3 Adams 仿真验证
• 3.3 拇指近指节空间连杆机构的运动学分析
• 3.4 食指的静力学分析
• 3.5 假手手指静力学的实验验证
• 3.5.1 压力传感器的工作原理
• 3.5.2 假手手指基关节的纯力矩控制
• 3.5.3 手指静力学模型验证实验
• 3.6 本章小结
• 第4章 欠驱动假手手指的动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 基于虚拟弹簧的四连杆动力学分析方法
• 4.3 欠驱动手指的动力学建模
• 4.3.1 前向动力学方程的建立
• 4.3.2 逆动力学方程的求解
• 4.4 仿人假手手指的动力学方程
• 4.5 欠驱动假手手指的动力学仿真
• 4.5.1 仿真软件简介
• 4.5.2 仿真结果与分析
• 4.6 动力学模型的实验验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 手指基关节的动态轨迹跟踪及柔顺控制
• 5.1 引言
• 5.2 假手控制系统
• 5.2.1 假手的控制系统的总体方案
• 5.2.2 硬件实现
• 5.2.3 位置传感器系统设计
• 5.2.4 手指的控制实验平台
• 5.3 轨迹跟踪的计算力矩方法
• 5.3.1 计算力矩法轨迹跟踪
• 5.3.2 轨迹跟踪实验分析
• 5.3.3 基于模型的速度观测器
• 5.3.4 基于速度观测器的计算力矩控制器
• 5.4 基于速度观测器的自适应轨迹跟踪
• 5.4.1 基于速度观测器自适应控制
• 5.4.2 实验结果
• 5.5 手指基关节的阻抗力跟踪
• 5.5.1 基于位置的手指基关节阻抗控制
• 5.5.2 基于力矩的手指基关节阻抗力跟踪
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历