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HIT/DLR力反馈手套的研制及与灵巧手主从控制的研究

2020-12-10阅读(345)

HIT/DLR力反馈手套的研制及与灵巧手主从控制的研究

论文摘要

采用遥操作的方式将人作为系统中的一个环节参与到多指灵巧手这种具有多自由度、多手指协调特点的机器人抓取操作中,能够提高灵巧手的操作性能和作业水平。力反馈手套或者其他力反馈装置作为能够很好的实现人机交互的接口装置,一直是遥操作系统研究的重点领域。本文结合国家863课题“新一代五指仿人灵巧手及其协调控制的研究”,以新型设计的力反馈手套为主手,与HIT/DLR II机器人灵巧手搭建主从遥操作系统,并对力反馈手套和灵巧手的相关控制进行研究。本文首先针对现有力反馈手套的不足搭建了新型力反馈手套系统,并结合模块化、集成化和智能化的思想设计了基于FPGA的嵌入式底层控制器和多传感器系统,并将基于PCI总线的DSP/FPGA控制卡作为上层控制器以实现轨迹规划和控制算法等,采用LVDS的PPSeCo通讯技术,对力反馈手套进行实时控制。建立了主、从手的运动学模型和主从手的运动映射误差模型,分析了关节空间位置映射和笛卡尔空间的指尖位置映射这两种映射方法。采用线性拟合和查表法完成力反馈手套到灵巧手运动映射的建立。针对滑模变结构控制的优点和特性,结合驱动空间的数学模型设计了驱动空间的滑模位置控制器,并以此为基础,完成对主从手的位置控制,结合相关位置和力传感器完成力反馈手套和操作者位置和力的交互性能的控制;分析各种柔顺控制的特点,选择阻抗控制策略保证灵巧手与环境交互的稳定性。最后,结合动力学模型和硬件系统条件对主从控制策略的分析,选用力/位双通道的主从控制策略,完成从端处于自由空间和约束空间的主从控制,获得很好的力觉临场感,并在此基础上,采用局部自主抓取策略完成灵巧手的主从遥操作抓取实验,证明了控制方法和策略的有效性和可行性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景
  • 1.2 力反馈数据手套的研究现状
  • 1.2.1 国外力反馈数据手套现状
  • 1.2.2 国内力反馈数据手套现状
  • 1.2.3 现有力反馈手套的性能分析
  • 1.3 基于力反馈手套的主、从机器人控制技术
  • 1.3.1 独立机器人系统控制技术
  • 1.3.2 基于力反馈手套的主、从控制技术
  • 1.4 课题的意义和研究内容
  • 1.4.1 课题的意义
  • 1.4.2 课题研究内容
  • 第2章 HIT/DLR 双向力反馈手套电气系统设计
  • 2.1 引言
  • 2.2 HIT/DLR 双向力反馈手套总体方案
  • 2.3 机械系统
  • 2.4 力反馈手套电气系统设计
  • 2.4.1 基于FPGA 嵌入式控制系统
  • 2.4.2 电源和通讯系统设计
  • 2.4.3 无刷电机驱动系统设计
  • 2.4.4 传感器及数据采集系统
  • 2.5 硬件PCB 设计
  • 2.6 SOPC 软件程序设计
  • 2.7 本章小结
  • 第3章 基于力反馈手套的人手到灵巧手的运动映射
  • 3.1 引言
  • 3.2 基于Kane 方法的力反馈手套的运动学和动力学
  • 3.2.1 Kane 方法的基本原理
  • 3.2.2 力反馈手套手指的运动学
  • 3.2.3 基于Kane 方法的连杆端的动力学分析
  • 3.2.4 驱动端的动力学
  • 3.2.5 动力学参数的预处理
  • 3.3 HIT/DLR II 灵巧手（从手）的运动学和动力学
  • 3.4 主、从手的运动映射
  • 3.4.1 运动映射的前提分析
  • 3.4.2 两种映射方法
  • 3.5 误差参数的确定
  • 3.5.1 误差向量Δφ的求解
  • 3.5.2 误差标定结果
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 力反馈手套和灵巧手的滑模变结构控制
  • 4.1 引言
  • 4.2 轨迹规划
  • 4.3 滑模控制器（SMC，Sliding Mode Controller）设计
  • 4.3.1 驱动端模型分析
  • 4.3.2 切换函数s （ E ） 的选择
  • c（E ） 的求取'>4.3.3 控制律uc（E ） 的求取
  • 4.3.4 滑模控制器的改进和抖动的抑制
  • 4.4 基于滑模控制器的力反馈手套控制
  • 4.4.1 基关节位置控制
  • 4.4.2 指尖力直接力跟踪控制
  • 4.4.3 基于光电传感器的指尖位置跟踪控制
  • 4.4.4 基于指尖压阻力传感器的零力控制
  • 4.5 HIT/DLR II 灵巧手（从手）的位置控制和柔顺控制
  • 4.5.1 笛卡尔空间的指尖位置控制
  • 4.5.2 灵巧手的柔顺控制
  • 4.6 本章小结
  • 第5章 力/位双通道的力反馈手套和灵巧手的主从控制
  • 5.1 引言
  • 5.2 基于力反馈手套和多指灵巧手的主从控制试验平台
  • 5.3 主从控制策略分析
  • 5.4 主、从控制及实验分析
  • 5.4.1 自由空间的主、从位置跟踪控制
  • 5.4.2 自由空间到约束空间的过度实验
  • 5.5 基于力觉临场感的HIT/DLR II 灵巧手的局部自主抓取实验
  • 5.5.1 局部自主抓取操作分析
  • 5.5.2 灵巧手抓取类别和接触点的确定
  • 5.5.3 灵巧手局部自主抓取过程控制
  • 5.5.4 灵巧手局部自主抓取实验
  • 5.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 附录
  • 攻读学位期间发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

    • [1].力反馈设备运动学分析及轨迹规划[J]. 机床与液压 2017(03)
    • [2].力反馈系统控制参数优化研究[J]. 机械制造与自动化 2017(05)
    • [3].基于虚拟现实的力反馈交互系统应用技术[J]. 轻工机械 2016(02)
    • [4].基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真[J]. 系统仿真学报 2015(04)
    • [5].空心抽油杆液力反馈泵应用及试验研究[J]. 石油矿场机械 2014(11)
    • [6].工业用力反馈器机构的研究与设计[J]. 北京印刷学院学报 2011(02)
    • [7].基于力反馈技术的开启件滚边质量优化研究[J]. 汽车工艺师 2020(03)
    • [8].半球谐振陀螺力反馈模式下信号处理方法分析[J]. 压电与声光 2014(06)
    • [9].虚拟油泥造型技术中的实时力反馈仿真研究[J]. 机床与液压 2018(19)
    • [10].一种三维力反馈训练仿真控制系统设计[J]. 测控技术 2018(05)
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    • [30].基于力触觉手柄的虚拟环境力反馈交互系统稳定性分析[J]. 仪器仪表学报 2019(06)

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