基于气动柔性驱动器FPA五自由度手指的运动分析及其控制研究

论文摘要

末端执行器作为机器人与外界环境互相作用的最后执行部件一直受到研究人员的关注。除了传统的刚性驱动和执行机构以外，气动人工肌肉作为一种新型执行器(或驱动器)，由于可以直接驱动、结构简单、动作灵活、易于控制、功率／重量比大等特点，国内外众多学者对其进行了大量的研究工作，在机器人领域的研究和应用有了较大的进展，并取得了初步的成效。本文研究的新型气动柔性驱动器FPA，既是驱动器也是执行器，可以直接构成各种关节。气动柔性驱动器FPA除了具有典型人工肌肉驱动器的特点外，还具有相对比较高的刚性的特点。基于FPA，设计了气动柔性弯曲关节、球关节，在FPA及其关节的基础上，本文设计了气动柔性五自由度手指。本文对气动柔性五自由度手指进行了运动学分析，建立其运动学、逆运动学方程。采用遗传算法(GAs)求解逆运动学方程，很好的解决了逆运动方程的冗余度问题。人类手指结构及其运动学规律，是气动柔性手指设计的基础。本文基于进化论原理，对手指在运动过程中各关节及指尖的运动规律进行分析研究，并应用于气动柔性五自由度手指的轨迹规划。根据神经网络原理，分别设计了BP神经网络和径向基RBF神经网络控制器，通过比较这两控制器的优缺点，得出了可以在不同场合选用不同控制器完成气动柔性手指轨迹跟踪任务的结论。在理论分析的基础上搭建实验平台，对手指的轨迹规划和运动控制进行了实验研究。在实现气动柔性手指各关节对人类手指各关节运动的轨迹跟踪的基础上实现了气动柔性手指指尖对人类手指指尖的轨迹跟踪，达到了模拟人类手指运动目的。本文设计了气动柔性五自由度手指，并深入研究了其运动学模型及相关的控制算法，为其在气动柔性多指灵巧手研究中的应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 机器人多指手的发展概述
• 1.3 机器人的驱动方式及气动柔性驱动器研究现状
• 1.4 本课题主要研究内容及意义
• 第二章 气动柔性五自由度手指的运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 气动柔性五自由度手指设计
• 2.2.1 人类拇指解剖学分析
• 2.2.2 气动柔性驱动器
• 2.2.3 气动柔性弯曲关节
• 2.2.4 气动柔性球关节
• 2.3 手指运动学分析
• 2.3.1 手指运动学方程
• 2.3.2 手指逆运动学分析
• 2.4 本章小节
• 第三章 基于数据手套的气动柔性手指抓持规划研究
• 3.1 引言
• 3.2 数据手套
• 3.3 人手拇指在抓取过程中轨迹的研究
• 3.3.1 人手抓取特点
• 3.3.2 拇指指尖及各关节运动轨迹研究
• 3.4 本章小节
• 第四章 手指位置的控制
• 4.1 引言
• 4.2 人工神经网络
• 4.2.1 BP神经网络原理
• 4.2.2 径向基RBF神经网络
• 4.3 手指控制器设计
• 4.3.1 气动手指控制器整体设计
• 4.3.2 气动柔性球关节控制
• 4.3.3 球关节控制器的BP神经网络训练
• 4.3.4 球关节控制器的RBF神经网络训练
• 4.3.5 比较分析BP神经网络与RBF神经网络
• 4.4 本章小节
• 第五章 手指控制平台及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 控制系统实验平台
• 5.2.1 硬件系统
• 5.2.2 虚拟仪器及Labview
• 5.3 手指运动实验
• 5.3.1 控制软件设计
• 5.3.2 实验数据测量
• 5.4 实验误差分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 后续研究工作的思路及方向
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目 录
• 致谢