TJU/KCL变胞四指灵巧手运动学建模与控制系统搭建

摘要

目前灵巧手的发展主要集中在控制系统智能化方面，对多指领灵巧手新构型的研究相对较少，同时服务机器人的兴起也对多指灵巧手提出新的要求。本文研究的TJU/KCL变胞四指灵巧手是一种与其他任何多指灵巧手有着本质不同的新型多指灵巧手，通过引入一个可重构的手掌来增加其灵活性和对不同操作任务的适应性，但同时也增加了其运动学分析的难度。作为一种新型的变胞多指灵巧手，目前对其的分析研究还处于初步阶段，基于此事实，本文主要开展的工作和取得的成果主要包括以下几个方面：
　　(1)分别采用几何法和约束方程法对可重构手掌进行几何约束分析，包括正向几何约束分析和逆向几何约束分析；采用矢量法对可重构手掌进行速度约束分析，在此基础上，进一步研究手掌构成奇异的数学条件，并获取了手掌的全部奇异构型，包括串联奇异构型、并联奇异构型和混联奇异构型。
　　(2)针对TJU/KCL变胞四指灵巧手，提出一种基于手掌约束的运动学建模方法，该方法对混联机构的运动学分析具有指导意义。在逆向运动学建模时，首先选取手掌支链相对简单的手指进行分析，然后利用手掌本身的约束，再对其他支链复杂的手指进行分析，大大简化了逆向运动学的求解过程，并得到形式简洁的解析解。
　　(3)研究TJU/KCL变胞手的手掌工作空间和引入可重构手掌后增广的手指工作空间，展示引入可重构手掌的意义与优势。
　　(4)建立TJU/KCL变胞手的抓持映射，推导出TJU/KCL变胞手基于运动学的抓持约束方程。
　　(5)成功搭建TJU/KCL变胞手的控制系统，包括硬件电路设计和运动控制程序编写，最终实现位置控制。
　　本文为 TJU/KCL变胞四指灵巧手的后续工作奠定了良好基础，对其后续的发展、完善与应用具有重要意义。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 TJU/KCL变胞四指灵巧手位置建模与工作空间分析

2.1 引言

2.2 TJU/KCL变胞四指灵巧手机械结构

2.3 TJU/KCL变胞四指灵巧手坐标系建立

2.4 TJU/KCL变胞四指灵巧手手掌几何约束分析

2.5 TJU/KCL变胞四指灵巧手正向位置建模

2.6 TJU/KCL变胞四指灵巧手逆向位置建模

2.7 TJU/KCL变胞四指灵巧手工作空间分析

2.8 本章小结

第三章 TJU/KCL变胞四指灵巧手速度建模与奇异性分析

3.1 引言

3.2 TJU/KCL变胞四指灵巧手手掌速度约束分析

3.3 TJU/KCL变胞四指灵巧手手掌奇异性分析

3.4 TJU/KCL变胞四指灵巧手正向速度建模

3.5 TJU/KCL变胞四指灵巧手逆向速度建模

3.6 本章小结

第四章 TJU/KCL变胞四指灵巧手抓持运动学约束

4.1 引言

4.2抓持接触模型

4.3 TJU/KCL变胞手抓持映射

4.4 TJU/KCL变胞手抓持运动学约束方程

4.5 本章小结

第五章 TJU/KCL变胞四指灵巧手控制系统搭建

5.1 引言

5.2 控制系统总体方案

5.3 通信方式选择及接口电路设计

5.3 总体控制电路图绘制

5.4 TJU/KCL变胞四指灵巧手软件设计

5.5 TJU/KCL变胞四指灵巧手运动控制实验

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢