基于实时操作系统的HIT/DLRⅡ灵巧手控制平台设计

论文摘要

灵巧手已成为国内外很多高校及研究机构的研究热点。在本体硬件的研究上,灵巧手和人手越来越相似;在控制平台的研究上,具有分层控制结构的控制平台被广泛应用,并被证实具有优越的控制性能;在控制算法的研究上,现代智能控制方法的应用使得灵巧手的使用性能有了很大提升,但还需要做深入的研究。为了深入研究HIT/DLR II灵巧手的控制算法,本文利用QNX实时操作系统和Simulink技术,搭建了一种实时控制平台。它提供了一个性能优良且便于使用的控制算法设计与试验环境,简化了灵巧手控制算法研究工作,提高了研究效率,为今后的研究工作打下了基础。本文首先阐述了本控制平台的设计过程:为了实现优良的控制性能,选用PC机和QNX实时操作系统作为高层控制平台的硬件与软件框架;为了实现研究与设计的高效率,本文研究了控制系统设计方法,比较了传统的设计方法和最新的基于模型的设计方法,得出基于模型的设计方法优于传统方法的结论,具有较高的设计效率和设计质量,因此选用具有该技术Simulink软件作为控制算法的设计环境;经过一系列二次开发工作,联合以上各部分搭建了本平台。本平台将控制系统建模、仿真、检验、优化与实时控制等都集成到同一平台,相对于传统的控制平台而言,它在控制性能、人机接口、可移植性、可维护性等方面具有明显优势。本文剩下部分介绍了利用搭建完成的平台进行的初步研究工作,以验证平台的有效性。为了验证平台对基于模型的设计方法的支持,本文通过系统辨识建立了单手指PWM控制模型,然后基于该模型设计了单手指位置控制器,并将控制器用于单手指位置控制试验,试验结果表明所设计的控制器在仿真控制和实时控制时具有几乎相同的控制效果。为了验证平台在复杂控制中的有效性,本文提出并设计了一种自适应抓取算法:通过一组有序姿态,利用轨迹规划方法和力矩锁定机制,在大范围内连续搜索可实现稳定抓取物体的姿态。通过对不同质地、大小、形状物体的抓取试验,验证了该算法以及该平台的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第2章 基于实时操作系统的HIT/DLR Ⅱ 灵巧手控制平台设计
• 2.1 引言
• 2.2 原HIT/DLR Ⅱ 灵巧手控制平台
• 2.3 控制平台组成与工作原理
• 2.3.1 QNX 子平台
• 2.3.2 Simulink 子平台
• 2.3.3 灵巧手子平台
• 2.4 灵巧手Simulink 库
• 2.4.1 灵巧手正逆运动学模块
• 2.4.2 灵巧手SimMechanics 模块
• 2.4.3 PWM 控制仿真模块
• 2.4.4 实时控制API 模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 单手指位置控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 单手指建模
• 3.2.1 单手指结构原理分析与建模
• 3.2.2 最小二乘法
• 3.2.3 单手指模型参数辨识
• 3.3 基于模型的单手指位置控制器设计与试验
• 3.3.1 控制器结构设计
• 3.3.2 控制器参数整定
• 3.3.3 仿真控制试验
• 3.3.4 实时控制试验
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于目标空间的自适应抓取操作研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于目标空间的自适应抓取操作设计
• 4.2.1 目标空间序列的建立
• 4.2.2 自适应抓取操作算法流程图
• 4.3 灵巧手阻抗控制
• 4.4 基于目标空间的抓取试验
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢