机器人灵巧手抓持规划及抓持力优化方法研究

摘要

随着经济的飞速发展,产品种类不断增多,机械臂末端的传统夹持器已难以适应产品生产的需要,作为通用末端操作器的机器人灵巧手在现代工业生产领域将发挥重要作用。在太空、水下及核辐射等极限有害环境中,灵巧手能替代人类执行危险复杂的操作任务,应用潜力巨大。在服务和娱乐领域,集成于人形机器人的仿人灵巧手也受到越来越多的关注。但现有灵巧手还存在许多实际应用问题,需要进一步完善其抓持和操作等方面的理论。本文针对机器人灵巧手的抓持规划、退化抓持接触力分解和退化抓持规划、抓持力优化和水下环境手指动力学分析进行深入的研究。
　　 论文在抓持静力学方程基础上,给出基于加权广义逆的关节力矩矢量通解表达式。,为了更全面的反映关节力矩到外力和接触内力的各向力传递情况,提出广义(内)外力椭球体积和广义(内)外力椭球扁平度指标。建立允许扁平度下广义外力椭球体积最大和广义接触内力椭球体积最小的最优抓持指标,提出面向任务的最优抓持规划方法,并通过抓持仿真验证抓持规划指标的有效性和抓持规划方法的可行性。
　　 在接触力子空间分解的基础上,将接触力分解为关节力矩和被动平衡外力的表达式。推导极限被动平衡外力的计算通式,并用极限被动平衡外力来表征退化抓持的稳定性。提出最大化极限被动平衡外力的退化抓持规划指标,并通过两指抓持平面圆盘的退化抓持规划仿真来验证退化抓持规划指标的有效性。
　　 将非线性摩擦锥、摩擦双锥体和椭球体替换为线性多面锥、多面双锥和椭球形多面体,完成各种抓持接触约束模型的线性化,并进一步给出接触约束线性化误差与线性多面体面数的关系。将稳定抓持需满足的非线性约束简化为以关节力矩为变量的线性约束,建立以关节力矩平方和最小为目标函数的抓持力优化数学模型,并给出有效的基于关键约束集的抓持力优化算法。
　　 在水动力学基础上研究水下环境对于灵巧手手指动力学建模的影响问题,给出水下环境中手指承受的关节水阻力矩、附加质量力矩、水流冲击力矩和浮力矩算法。建立准确的水下灵巧手手指动力学模型,推导侧摆型三关节手指的水下动力学方程并进行动力学仿真,得出水下各影响因素对手指的影响程度。
　　 构建了灵巧手实验系统,对关节运动控制、单指位置控制、抓持规划和抓持力优化方法进行实验研究,结果表明,灵巧手可实现关节空间和笛卡尔空间的精确位置控制;基于广义力椭球体积和扁平度的抓持规划方法能够有效的完成抓持规划,可得到最优的抓持位形和接触点;基于关键约束集的抓持力优化方法能够有效完成关节力矩空间的抓持力优化。