五指形仿人机械手控制系统与示教方法研究

摘要

从第一个机器人灵巧手样机出现至今,已经历30多年的历程。机器人灵巧手的研究,仍然是一个充满问题和挑战的领域。为实现拟人化和集成化的目标,必须进一步攻克机器人灵巧手的设计、控制和操作规划中所面临的一系列难题。 对于怎么样设计机器人灵巧手的问题,研究人员提出了两种思路,一种是模仿人手进行设计；另一种是基于分析模型和性能指标进行设计。作为从仿生角度和灵巧控制的一个研究方向,仿人机械手(或者说仿人灵巧手),尤其是具有与人手完全一样结构的五指形仿人灵巧手,是目前研究的重点。本文提出的五指形仿人机械手,是以仿人手研究为主,综合研究了机械手的灵巧性和示教控制。 本文设计和实现了一个具有五个手指和手掌的仿人机械手(以下简称仿人机械手),在此基础上,对五指机械手的运动建模、运动控制、人手示教等进行了研究,使其能具有人手的灵巧性,能够有效地完成复杂的作业。 首先,以现有的仿人机械手研究成果为基础,对五指形仿人机械手的模型进行了研究,对仿人机械手进行了优化设计和实现,实现了机械手的控制系统接口。我们根据D-H矩阵表示法对机械手进行了运动建模,提出了机械手手指关节运动的并行控制算法。 然后,讨论了五指形仿人机械手的抓持规划,通过数据手套为示教源,获得人手的运动信息,对仿人机械手示教模型进行了研究。为了使机械手获得人手的准确抓持位姿,我们讨论了机械手抓持的常见识别方法,主要是讨论了支持向量机(SVM)分类器来进行机械手的抓持类型识别的算法。并以此为基础进行实验,获得了较好的实验结果。 最后,利用仿人机械手进行了若干作业实验,实验结果证明了并仿人机械手及其示教模型的正确性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题研究的科学意义与应用前景

1.2仿人机械手的国内外研究现状

1.2.1国外的研究

1.2.2国内的研究

1.3本文的组织内容

第二章五指形机械手的设计

2.1五指形仿人手总体设计

2.1.1机械手的灵巧性与模型分析

2.1.2五指形仿人手设计原理

2.2手指机构设计

2.2.1基关节与近基关节结构

2.3手掌设计

2.3.1机器人五指手的结构优化设计

2.4机械手驱动设计

2.4.1电机控制参数

2.4.2驱动控制算法

2.5本章小结

第三章五指形机械手运动模型与控制

3.1机器人运动学模型

3.1.1 D.H矩阵表示法

3.2机械手的运动建模

3.2.1建立指关节坐标系

3.2.2手指运动学模型

3.2.3拇指运动学模型

3.3机械手控制系统

3.3.1硬件控制系统架构

3.3.2软件控制系统

3.4本章小结

第四章五指形仿人机械手示教规划

4.1机械手的抓持规划

4.1.1机械手抓持规划策略

4.2人手运动信息采集

4.2.1人手模型与数据手套

4.2.2数据手套与仿人五指手关节的关系

4.2.3指关节角度计算

4.2.4指尖位置计算

4.3示教规划系统

4.3.1抓持类型识别

4.3.2统计学习原理

4.3.3支持向量机(SVM)分类器

4.3.4实现算法与结果

4.4本章小结

第五章实验方法与结果

5.1实验步骤

5.2实验过程与结果

结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢