曲面点接触高副接触运动学及其在多指抓取中的应用研究

摘要

本文系统研究了曲面点接触高副的接触运动学，以及在机器人手点接触抓取操作中的应用。运用三维空间中刚体运动学和微分几何学的基本理论推导了点接触高副的运动学方程，并结合高副接触处不同的运动形式，获得了适用于纯滚动、纯滑动和滚滑兼有等情况的接触运动学方程。定义了曲面点接触两物体的位置正解和位置逆解，并给出相应的算法。对于纯滚动接触的情况，给出了点接触运动两物体表面接触轨迹的关系。 将非线性控制系统的理论和思想方法运用到曲面点接触高副的接触运动控制中，以接触处的相对速度作为输入，将点接触运动学方程看作为无漂移非线性控制系统的描述，基于可控性讨论分析了由初始接触位形至期望接触位形间的运动可行性，提出了基于多项式输入实现由初始接触位形运动到期望接触位形的算法，并采用滑模控制的方法实现对接触位形空间中给定轨迹的跟踪。 将曲面点接触高副接触运动学的研究结果应用于多指机器人的抓取操作分析，推导了机器人手指点接触抓取操作时的运动学方程，并根据此方程和其他约束条件，得到抓取操作时手指关节位移量、被操作物体运动及手指指端和被操作物体表面的接触坐标的变化情况。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

§1.1曲面点接触高副及其应用

1.1.1曲面点接触高副的概念

1.1.2曲面点接触高副的应用

§1.2国内外研究现状及动态

§1.3本文主要研究内容

第二章点接触运动学方程

§2.1刚体运动

2.1.1三维空间中的刚体运动

2.1.2刚体速度

§2.2曲面模型

2.2.1曲面定义

2.2.2曲面的几何参数

2.2.3接触坐标系

§2.3接触运动学方程

2.3.1接触坐标

2.3.2接触运动方程

§2.4点接触两物体的位置分析

2.4.1坐标系相对位形

2.4.2位置正解

2.4.3位置逆解

§2.5纯滚动接触轨迹关系

§2.6本章小结

第三章曲面点接触的运动控制

§3.1点接触运动系统的可控性

3.1.1控制模型

3.1.2系统的可控性

3.1.3可控性讨论举例

§3.2点接触运动系统位形的控制

3.2.1位形的控制方法

3.2.2在平面上滚动的单位圆盘算例

§3.3轨迹的跟踪

3.3.1跟踪模型

3.3.2跟踪算例

§3.4本章小结

第四章曲面点接触高副在多指抓取中的应用

§4.1手指位置的正解

4.1.1问题的描述

4.1.2三转动关节手指算例

§4.2手指位置的逆解

4.2.1问题的描述

4.2.2吴消元法基本理论

4.2.3 SCARA手指算例

§4.3手指抓取运动学

4.3.1指端的速度

4.3.2点接触抓取操作的运动方程

4.3.3手指滚动操作的算例

§4.4本章小结

第五章结论

§5.1总结

§5.2展望

致谢

参考文献

硕士阶段发表的论文