多自由度灵巧手控制系统的设计与研究

摘要

多自由度灵巧手是机器人的末端执行器之一，其灵活性和可控制性是自动化水平的重要体现，极大的影响了机器人的智能化水平。因此，多自由度灵巧手控制系统的设计和控制方法的研究，已成为机器人拟人化研究面临的紧迫任务。本文研究并总结了国内外灵巧手控制系统，设计了一种使用分层控制方法的多自由度灵巧手控制系统，采用基于位置的阻抗控制策略实现了灵巧手的柔性运动控制，具有较强的实际应用价值。
　　本文首先对国内外灵巧手的控制系统和控制方法进行了分析，在此基础上，采用分层控制的思想设计了灵巧手的控制系统。顶层为规划层，对灵巧手的抓取运动进行整体规划，用Visual Studio软件设计人机交互界面，可以发出单指或多指运动控制指令，能够显示手指关节转角和手指指尖力的变化曲线，可以对传感器和通讯接口进行设置。中间层采用DSP芯片协调每根手指之间的运动。底层采用FPGA对灵巧手单个手指的运动进行控制。顶层与中间层的通信采用USB接口通信，中间层与底层的通信采用LVDS通信。
　　其次，对灵巧手的核心控制器DSP和FPGA的电路进行了设计，利用FPGA对手指传感器的信号进行采集，并且控制直流电机的运动。选取合适的手指传感器，设计了传感器的信号处理电路。在硬件设计的基础上，对控制系统的软件进行了设计，包括人机交互界面和相关程序的设计。
　　最后，采用机器人D-H参数法建立灵巧手的运动模型，并进行了运动学分析，推导出雅可比矩阵。在设计好的控制系统基础上对灵巧手的位置控制和基于位置的阻抗控制进行了研究和实验。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 灵巧手控制系统研究概况

1．2．1 外置型灵巧手控制系统研究概况

1．2．2 内置型灵巧手控制系统研究概况

1．3 灵巧手控制方法概述

1．3．1 位置控制方法

1．3．2 力控制方法

1．4 课题的主要研究内容

1．5 本课题的结构安排

2．多自由度灵巧手控制系统结构

2．1 多自由度灵巧手的机械本体

2．2．1 总体设计方案

2．2．2 动作规划层

2．2．3 多指运动协调层

2．2．4 单指运动控制层

2．3 传感器系统

2．3．1 关节位置传感器

2．3．2 关节力矩传感器

2．3．3 指尖触觉传感器

2．3．4 电机编码器

2．4 本章小结

3．多自由度灵巧手控制系统硬件设计

3．1．1 控制系统硬件电路的整体规划

3．1．2 DSP的选型

3．1．3 FPGA的选型

3．2 单指运动控制层设计

3．2．1 FPGA运动控制器的电路设计

3．2．2 AD信号采集电路

3．2．3 电机控制信号输出电路

3．2．4 电源电路

3．2．5 FPGA配置电路

3．3．1 电机PWM控制原理

3．3．2 FPGA实现PWM控制机理

3．3．3 驱动电路设计

3．4 传感器系统的设计

3．4．1 位置传感器电路设计

3．4．2 力矩传感器电路设计

3．4．3 触觉传感器电路设计

3．4．4 电机编码器电路设计

3．5 多指协调运动控制层设计

3．5．1 电源模块

3．5．2 其它模块

3．6 通信系统硬件设计

3．6．1 FPGA与DSP之间的通信电路设计

3．6．2 DSP与上位机之间的通信电路设计

3．7 本章小结

4．多自由度灵巧手控制系统软件设计

4．1 多自由度灵巧手人机交互界面的设计

4．1．1 Visual Studio简介

4．1．2 交互平台的模块化设计

4．2．1 手指控制模块总流程

4．2．2 模数信号转换程序设计

4．2．3 上位机PC与DSP通信程序设计

4．2．4 DSP与FPGA之间通信程序设计

4．3 本章小结

5．多自由度灵巧手运动控制分析及实验

5．1 手指运动学

5．1．1 手指正运动学

5．1．2 手指逆运动学

5．1．3 手指微分运动学

5．2 灵巧手的位置控制

5．3 灵巧手的力控制

5．4 本章总结

6．结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢