多指仿人机器人灵巧手的同步控制研究

摘要

具有多种感知功能的仿人机器人灵巧手是机器人领域中一个重要的研究方向。本文结合国家科技部(863计划)项目“新一代五指仿人灵巧手及其协调控制的研究”(课题编号：2006AA04Z255)，在哈工大机器人研究所与德宇航中心联合研制的HIT/DLR I灵巧手基础上进行改进，目标是实现与人手相近的外形和尺寸(HIT/DLR I灵巧手为1.5倍人手大小，且仅有四个手指)，研制达到国际领先水平的驱动内置型五指仿人灵巧手，并重点进行单手指位置控制和柔顺控制的研究以及基于该灵巧手进行多指协调操作的研究。
　　为了能够代替人手完成复杂的任务，要求灵巧手具有与人手相似的大小和活动能力，这由执行机构、驱动控制系统和传感器系统的机械机构所决定。此外，灵巧手还须具有与人手类似的操作能力，如执行精细抓取操作时要求手指具有足够的位置精度，对易碎物体的抓取时要有足够的力控制精度，同时由于环境的不确定性，要求灵巧手具有一定的抗干扰能力，以保证对物体的稳定抓取，这些均对灵巧手控制系统的性能提出了严格的要求。
　　为了提高灵巧手的集成度并增强控制性能，本文研制了基于DSP/FPGA控制结构的模块化嵌入式手指控制系统，成功地将手指驱动系统集成在手指内部，使得与人手尺寸和活动性相似的HIT/DLR II五指机器人灵巧手的得以实现。为实现电机相电流检测，采用一个电流传感器测量并重构了三相电流，并通过设定采样时间获得了稳定的电流信号。为解决手指DSP和FPGA之间如何稳定、高效通信的难题，结合先进先出寄存器，设计了基于串行通信接口和RS485总线的多中断差分通信系统。为了提高灵巧手的智能化水平，HIT/DLR II灵巧手集成了多个微型传感器，所有传感器的模拟输出就近转化为数字信号，以减小信号长距离传输引起的噪声干扰。
　　针对传统巨磁阻传感器在小于1.5mm工作距离可能引起信号失真或传感器损坏的问题，基于三维静态磁场分析技术分析了不同类型的永磁铁磁场分布，为高度集成的HIT/DLR II五指机器人灵巧手开发了工作距离为0.5mm的微型巨磁阻传感器系统。实践结果表明经非线性误差补偿后巨磁阻传感器角度测量精度可达±1o。此外，所开发的巨磁阻传感器系统与传统的传感器系统相比，还具有结构简单、成本低、集成度高、精度高的特点，为其它微机电系统和高集成系统的微型磁传感器研究建立了良好的基础。
　　针对HIT/DLR II五指机器人灵巧手手指结构，本文建立了驱动空间中基关节交叉耦合同步误差和关节空间中主从同步误差表达式，提出了包含同步误差和位置误差反馈项及平滑鲁棒非线性反馈补偿项的同步位置控制策略，并理论证明了该策略能够使同步误差和位置误差均收敛，且具有渐近稳定性。通过与非同步控制的PD加摩擦力补偿算法和轨迹跟踪控制算法进行对比，表明文中所设计的控制器有效地提高了指尖在自由空间中的轨迹跟踪精度。
　　通过将关节力矩传感器的反馈信号转化为位置修正向量，本文建立了驱动空间中基关节交叉耦合同步误差和关节空间中主从同步误差表达式，提出了包含同步误差和位置误差反馈项及平滑鲁棒非线性反馈补偿项的同步阻抗控制策略。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了所提出的控制策略能够使同步误差和位置误差均收敛，并且保证了系统的渐近稳定性。经与非同步控制的PID阻抗控制算法进行对比，验证了所提出控制策略的有效性，同时与人手的相互作用实验，可以看出设计的同步阻抗控制器能够根据感应到的力矩产生柔顺的光滑运动，表明该系统获得了理想的阻抗性能，为多指手的抓握和与人协调操作奠定了基础。
　　针对灵巧手在不确定环境工作中有可能碰到障碍或受到外界干扰，从而发生被抓物体脱离或损坏的情况，建立了笛卡尔空间多指同步误差表达式，提出了笛卡尔空间多指同步阻抗控制算法，将受干扰手指与其它未受干扰手指的运动联系起来，保持了相对的抓取平衡状态。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了所提出的控制策略能够保证系统的渐近稳定性。实验表明该控制策略避免了被抓取物体的脱离或损坏，从而大大提高抓取的抗干扰能力。

目录

多指仿人机器人灵巧手的同步控制研究

RESEARCH ON SYNCHRONIZED CONTROL OFMULTI-FINGERED ANTHROPOPATHICDEXTEROUS ROBOT HAND

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 仿人灵巧手驱动控制系统综述

1.2.1形状记忆合金驱动

1.2.2 气压驱动

1.2.3 电机驱动

1.3 位置传感器综述

1.4 灵巧手控制综述

1.4.1 单手指控制

1.4.2 多手指协调控制

1.5 同步控制综述

1.5.1 并行控制

1.5.2 主从控制

1.5.3 交叉耦合控制

1.6 课题来源及主要研究内容

第2章 嵌入式多指灵巧手的控制系统

2.1 引言

2.2 灵巧手控制结构

2.3 手指电气系统

2.3.1 手指控制系统

2.3.2 手指驱动系统

2.3.3 相电流检测系统

2.3.4 电源系统

2.3.5 手指通讯系统

2.4 传感器系统

2.4.1 力矩传感器

2.4.2 基关节位置传感器

2.4.3 温度传感器

2.5 手指控制电路板

2.6 本章小结

第3章 微型巨磁阻传感器系统开发

3.1 引言

3.2 巨磁阻位置传感器原理

3.3 手指巨磁阻位置传感器系统

3.4 三维静态磁场分析

3.5 信号检测和处理

3.6 实验结果

3.7 本章小结

第4章 单手指同步位置控制研究

4.1 引言

4.2 手指动力学模型

4.3 层次化的控制空间

4.3.1 电机空间到驱动空间的变换和逆变换

4.3.2 驱动空间到关节空间的变换和逆变换

4.3.3 传感空间到关节空间的变换

4.4 同步位置控制策略

4.4.1 基关节交叉耦合同步误差

4.4.2 手指关节主从同步误差

4.5 单手指同步位置控制器

4.6 单手指位置控制实验

4.7 本章小结

第5章 单手指同步阻抗控制研究

5.1 引言

5.2 关节空间阻抗控制研究

5.3 基于位置的关节空间同步阻抗控制

5.3.1 基关节交叉耦合同步误差

5.3.2 手指关节主从同步误差

5.4 单手指同步阻抗控制器

5.5 单手指阻抗控制实验

5.6 本章小结

第6章 笛卡尔空间多指同步阻抗控制研究

6.1 引言

6.2 抓取模型

6.3 手指遇外力干扰情况的笛卡尔阻抗控制

6.4 笛卡尔空间多指同步阻抗控制

6.4.1 笛卡尔空间同步误差

6.4.2 笛卡尔空间同步阻抗控制器

6.5 笛卡尔空间多指同步阻抗控制实验

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历