基于数据手套的仿人机械手控制系统的研究与实现

摘要

机器人学是近年来迅速发展的一个高技术领域。随着机器人学的发展，机器人的应用领域不断拓宽，机器人作业的任务和环境的复杂性也不断增加。仿人机械手作为机器人的重要组成部分，是一个十分复杂的系统。完善的控制方式是仿人机械手完成多种操作任务的前提，因此，寻找快速准确的控制方式成为目前仿人机械手研究的热点问题之一。
　　 传统的机械手控制，通常采用离线编程或示教方式，这样的控制方式具有局限性，机械手只能完成预先规定的动作，难以适应工作环境的变化。数据手套的出现，大大增加了机械手，特别是多指、多关节的仿人机械手控制的适应性。在本课题研究中，使用的方式是：操作者佩戴数据手套，直接地控制仿人机械手，并且在计算机的仿真平台上生成虚拟手辅助操作。该控制方式自然、直观，能实现对仿人机械手准确的控制。
　　 本文研究与实现了基于数据手套的仿人机械手控制系统。首先，对控制系统的总体设计框架进行介绍。其次，对实验室自主研发的五指型仿人机械手进行运动学分析和建模。接着，提出了从14-传感器数据手套到仿真虚拟手和五指型仿人机械手的关节角度映射方案，其中对数据手套的校正、数据手套各关节角度获取、以及关节角度映射关系等关键问题进行了深入的分析与探讨。然后，为控制系统设计了实时仿真控制和在线控制两种控制方式，提出的借助仿真虚拟手可及时展示控制效果，解决了在线控制仿人机械手时运动时延造成的控制不直观的问题；最后，通过实验以及对实验结果的分析，证明了基于数据手套的仿人机械手控制系统的正确性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 仿人机械手的产生与发展

1.2 仿人机械手及其控制方式的研究现状

1.2.1 仿人机械手的研究现状

1.2.2 仿人机械手操作控制的研究现状

1.3 课题的研究意义

1.4 本文研究的主要内容

1.5 本章小结

第二章 基于数据手套的仿人机械手控制系统的总体设计

2.1 系统的硬件组成

2.1.1 五指型仿人机械手

2.1.2 数据手套

2.2 系统构架

2.2.1 系统的开发环境和运行平台

2.2.2 系统总体构架设计

2.3 本章小结

第三章 仿人机械手运动学分析与建模

3.1 机器人运动学理论基础

3.2 仿人机械手的运动学建模

3.2.1 指关节坐标建立

3.2.2 手指运动学建模

3.3 本章小结

第四章 数据手套到虚拟手和机械手的映射

4.1 数据手套的选择

4.1.1 数据手套的原理

4.1.2 国内外数据手套的主要产品

4.1.3 数据手套的选用

4.2 数据手套校正及对应关节角度获取

4.2.1 数据手套校正

4.2.2 数据手套对应关节角度获取

4.3 仿真虚拟手

4.3.1 虚拟现实技术

4.3.2 仿真虚拟手平台

4.3.3 仿真虚拟手的结构

4.4 数据手套到虚拟手和机械手的关节角度映射

4.4.1 数据手套关节与虚拟手和机械手关节的差异

4.4.2 人手解剖结构和运动学特点

4.4.3 数据手套到仿真虚拟手和仿人机械手的关节角度映射

4.4.4 指尖运动直观映射

4.5 本章小结

第五章 控制方式及其关键技术

5.1 实时仿真控制

5.1.1 实时仿真控制各模块设计

5.1.2 实时仿真控制关键技术

5.2 在线控制

5.2.1 在线控制各模块设计

5.2.2 在线控制关键技术

5.3 本章小结

第六章 实验方法与实验结果分析

6.1 实时仿真控制实验

6.1.1 实时仿真控制实验方法

6.1.2 实时仿真控制实验过程与结果分析

6.2 在线控制实验

6.2.1 在线控制实验方法

6.2.2 在线控制实验过程与结果分析

6.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢