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多指灵巧手抓取运动规划的研究

作　者: 朱玉乐
导　师: 郭冰菁
学　校: 河南科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 多指灵巧手 运动学 数据手套 抓取控制 轨迹规划
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


科技的进步，自动化生产的需求，共同促进了机器人技术的飞速发展，结构和功能都与人手极为相似的仿人多指灵巧手的设计与研究更是引起了相关专家学者的广泛关注。建立一定的抓取运动规划可以实现仿人灵巧手像人手一样灵巧地抓持不同形状大小的物体，因此本文针对灵巧手的抓取运动规划问题进行了分析与研究。首先根据自行设计的HAUST仿人灵巧手的结构特点，分析计算了灵巧手抓取过程中的运动学和静力学问题，基于Matlab对灵巧手的工作空间进行仿真分析，得出了灵巧手可抓取的工作范围，为抓取运动规划提供了理论依据；通过分析灵巧手的静力学问题，得出了灵巧手各关节驱动力与指端对物体施加的力的关系。其次在对灵巧手抓取性能分析的基础上，建立了适合HAUST灵巧手的抓取模式分类，确定了抓取性能评价指标，并分析了最佳接触点位置和最优抓取构型选择的方法。本文采用了主从控制与自主控制相结合的抓取运动控制方式，将灵巧手的整个抓取运动分两步进行：从零位到临近接触点状态，借助数据手套将人手运动映射给灵巧手运动，使灵巧手在主从控制模式下完成抓取；临近点到接触点状态，由单片机控制系统控制灵巧手自主完成抓取运动。最后构建灵巧手抓取运动控制平台，包括基于数据手套信息采集的主从运动控制平台和基于单片机的自主控制平台。利用C++builder设计人机交互测控系统界面，实现手指各关节角度和指端力的动态变换曲线显示、数据通讯、主从控制与运动规划等功能；基于F040单片机开发手指控制系统，实现关节角度和指端力的动态检测、自主抓取控制及数据通讯功能。本文基于此控制平台，完成了相关的实验与调试，对抓取运动规划的理论研究进行了验证。

全文目录


摘要  2-3
ABSTRACT  3-5
目录  5-7
第1章 绪论  7-15
  1.1 课题来源  7
  1.2 课题研究的背景和意义  7-8
  1.3 国内外仿人多指灵巧手的研究概况  8-13
    1.3.1 国外仿人多指灵巧手的发展状况  8-11
    1.3.2 国内仿人多指灵巧手的发展状况  11-13
  1.4 仿人多指灵巧手抓取规划的发展状况  13-14
  1.5 课题研究的主要内容  14-15
第2章 仿人多指灵巧手的运动学与静力学分析  15-31
  2.1 HAUST 灵巧手及控制系统简介  15-17
  2.2 多指灵巧手的运动学分析与仿真  17-28
    2.2.1 灵巧手的正运动学分析  17-24
    2.2.2 灵巧手的逆运动学分析  24-25
    2.2.3 灵巧手的运动学仿真  25-27
    2.2.4 灵巧手的操作可达性分析  27-28
  2.3 灵巧手的静力学分析  28-30
    2.3.1 多指灵巧手的雅克比矩阵  29
    2.3.2 指端力与关节力矩的关系  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章 灵巧手抓取运动规划与控制系统设计  31-47
  3.1 多指灵巧手的抓取运动规划  31-40
    3.1.1 HAUST 灵巧手的抓取模式分类与识别  31-33
    3.1.2 HAUST 灵巧手与被抓物体的接触模型  33-34
    3.1.3 灵巧手抓取性能评价指标的确定  34-38
    3.1.4 灵巧手抓取时接触点的选择  38-40
  3.2 灵巧手抓取运动控制系统设计  40-46
    3.2.1 基于数据手套的主从控制规划  40-41
    3.2.2 人手到灵巧手的运动映射  41-44
    3.2.3 灵巧手的自主控制规划  44-46
  3.3 本章小结  46-47
第4章 灵巧手抓取运动控制平台构建  47-61
  4.1 主从控制平台的构建  47-54
    4.1.1 串口通讯模块设计  48-50
    4.1.2 基于数据手套的人手运动数据采集  50-54
  4.2 自主控制规划平台的构建  54-60
    4.2.1 灵巧手控制系统的硬件电路设计  54-57
    4.2.2 灵巧手控制系统的程序设计  57-60
  4.3 本章小结  60-61
第5章 控制平台调试与抓取规划分析  61-71
  5.1 数据手套数据采集与处理  61-62
  5.2 灵巧手实验平台的构建  62-68
    5.2.1 高速开关阀占空比与关节角度变化的实验验证  63-64
    5.2.2 灵巧手控制系统的程序调试  64-68
  5.3 抓取运动规划实例与性能评价指标的验证  68-70
  5.4 本章小结  70-71
第6章 结论与展望  71-73
  6.1 结论  71
  6.2 展望  71-73
参考文献  73-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间的研究成果  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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