（机械电子工程专业论文）三指灵巧手控制和感知系统的研究.pdf

哈尔滨： = 程大学硕士学位论文 摘要 本文主要阐述了三指灵巧手控制系统的组成、软硬件设计原理及开发过 程。所研制的控制系统能够很好的控制灵巧手实现抓取物体的操作。 三指灵巧手的控制系统采用分级控制，上位机由p c 机担任，下位机选用 8 9 c 5 1 单片机。依据三指灵巧手机械本体和工作性能，本文设计了基于8 9 c 5 1 单片机的控制系统硬件电路，其中包括信号采集电路、电机驱动电路、力传 感器的信号处理电路、通讯电路等。针对三指灵巧手控制策略，采用c 5 1 语 言编制了下位机的软件。 通过软硬件的联调，对三指灵巧手控制系统的性能进行了验证。实验证 明本课题研究的三指灵巧手工作稳定、控制精度高、具有照好的可操作性。 关键词： 三指灵巧手；控制系统；单片机 哈尔滨_ i 群人学硕士学位论文 a b s tr a c t t h is p a p e r i n t r o d u c e dt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h et h r e e f i n g e r e d d e x t e r o u s h a n d ，i n c l u d i n gs y s t e mc o m p o s e ，d e s i g np r i n c i p l e a n d d e v e l o p m e n tp r o c e s so fi t ss o f t w a r ea n dh a r dw a r es y s t e m t h i ss y s t e m s h o w sg o o dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i cw h e nd e x t e r o u sh a n dg r a s po b j e c t t h ec o n t r 0 1s y s t e mi sak i n do fh i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c h i s c o m p o s e d o f e p i g y n o u so p e r a t i o nc o m p u t e rw h i c hi su s e d o fp c c o m p u t e r ，h y p o g e n o u so p e r a t i o nc o m p u t e rw h i c hisu s e do f8 9 c 5 1s i n g e c h i p a c c o r d i n g t ot h em a c h i n ea p p a r a t u sa n dw o r k c a p a b i i t yo ft h e t h r e e f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n d ，t h eh a r d w a r eo i r c u it o ft h ec o n t r o l s y s t e mw i t h8 9 c 5 ls i n g l e c h i ph a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d et h e c i r c u ito fe e l l e c t i o ns i g n a lsa n dt h ed r i v ec i r c u i to fd c m o t o r ，t h e c i r c u i td e a lw i t h s i g n a l s o ff o r c e s e n s i n gr e s i s t o r s ，t h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ta n ds oo n t h es o f t w a r eo ft h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ru s e do fc 5 1l a n g u a g eh a sb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n g t ot h ec o n t r o l s t r a t e g y t h i sp a p e rh a st e s t e dt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n g t ot h ec o m b i n e dt e s to ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e e x p e r i m e n tp r o v e d t h a tt h et h r e e f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n dc a nr u ns m o o t h l ya n dt h ec o n t r o l s y s t e mh a sh i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，w h i c h ii sg o o de n o u g hf o r o p e r a t i o n k e yw o r d s ：t h r e e f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n d ；c o n t r o l s y s t e m ；s i n g l e c h i p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 题目的来源及研究意义 随着知识经济时代的到来，高技术已成为世界各国争夺的焦点，机器人 技术作为高技术的个重要分支普遍受到了各国政府的重视，并且得到了巨 大的发展和广泛的应用，在工业生产、太空和海洋探索、国防建设以及人民 生活的许多领域都产生了重大影响。但是，随着它越来越广泛的应用，机器 人作业环境和执行任务的精细和复杂化程度也变得越来越高，普通机器人以 及与其配合的各种简单的末端夹持装置已远远不能满足航天作业、深海作业、 核工业技术以及其它柔性生产线上各种灵巧和精细操作任务的要求，人们期 待着能够将一种通用的、智能化的、能适应各种复杂工作需要的末端操作装 置与机器人组装起来，协调完成各种复杂和精巧的工作任务。在这种背景下， 机器人多手指灵巧手成为机器人研究领域的热门研究方向之一。 多指灵巧手是一种仿人手、具有多自由度和多种感知功能、能够完成复 杂的抓取动作的机器人手。它能够抓取不同形状、大小、材质的物体，还可 以对所抓持的物体进行一定幅度的多种精细操作。用它代替专用的机器人末 端执行器，可以提高机器人的作业范围和作业能力。 具有多种感知功能的机器人多指灵巧手将有很好的应用前景。例如，欧 美各国正在尝试依靠空间机器人从事空间站物品搬运和装配、空间站维修以 及沉船打捞、海上救生、光缆铺设，还有空间资源勘探和开采等工作。而机 器人多指灵巧手对于提高空间机器人的工作能力具有重要意义；将来还可以 尝试将机器人灵巧手用于战场探雷和排雷、核工业设备的检测和修理等危险 作业。此外，仿人机器人灵巧手还可以应用在残疾人用假手、老人院生活服 务等领域f “。 哈尔滨工烈火学硕十学位论文 本课题来源于“2 11 工程”重点学科建设项目“多机器人协调作业系统” 课题的研究内容和目标是：研究具有力感知功能的机器人多指灵巧手。本论 文将主要研究灵巧手手指的力感知、驱动和控制技术。 1 2 国内外机器人多指灵巧手的发展概况 1 2 1 机器人多指灵巧手的发展历史 机器人灵巧手的研究是从假肢丌始的。1 5 0 9 年，人们为在战争中失去 只手的年轻武士b e r l i c h i n g e n 制作了通过弹簧驱动的假手。这只假手在战斗 中很有用，但在r 常生活中却很不方便。在b e r l i c h i n g e n 手之后人们又相继 研究了许多假手，其中几种至今仍然可用。它们中有些是被动型的( 使用弹 簧) ，有些则是主动型的( 通过臂部的弯曲或耸肩进行控制) ；有的可以随意 锁合，有的则不能随意锁合。c h i l i d r e s s 将这些手划分为装饰型、被动型、 身体驱动型、和外部动力型四种。其中动力型手从1 9 2 0 年开始流行，但其广 泛应用却是从2 0 世纪3 0 年代开始的。由t o m o v i e 和b o n i 研制的b e l g r a d e 手最初是为南斯拉夫的一位因伤寒失去手臂的人设计的。它被认为是世界上 最早的灵巧手。 早期灵巧手的典型代表是1 9 7 4 年日本研 制的o k a d a 手( 3 】，如图l _ 1 所示。它是一个 由电机驱动、通过绳索和滑轮实现运动及动 力传递的三指手，该手有3 个手指和1 个手 掌，拇指有3 个自由度，另外两个手指各有4 个自由度。这种手的灵巧性比较好，但由于 拇指只有3 个自由度，还不是最灵巧的手。 图1 1o k a d a 灵巧手 另外，在结构上，各个手指细长而单薄，难以实现较大的抓取力和操作力。 哈尔滨_ l = 程人学硕士学位论文 它具有关节角度、力和接近觉传感系统，采用计算机分时控制方案，可完成 螺母的拧紧装配作业。 2 0 世纪8 0 年代以来，机器人技术飞速发展，应用领域不断扩大，很多 国家加强了机器人多指灵巧手的研制开发，并取得了许多有应用价值的成果。 榻继又有一批著名的灵巧手问世。 1 2 2 国外机器人多指灵巧手的发展现状 美国麻省理工学院和犹他大学于 1 9 8 5 年联合研制成功的u t a h m i t 手 4 1 是 种拟人化的灵巧手，如图1 2 所示。 u t a h m i t 手采用了模块化设计，4 个手指 ( 拇指、食指、中指和无名指) 完全相同。 每个手指有4 个自由度。手指的每个关节 采用气动伺服缸作为驱动元件。由腱( 绳 图1 2u t a h m i t 手 索) 、滑轮进行远距离传动，1 6 个位置传 感器装在每个关节上，3 2 个腱张力拉紧传感器装在腕后面。目前这个多指手 主要用在实验室用来进行各种研究用。它的主要问题是关节自由度太多，控 制太复杂，难以实现实时在线控制。所以，还没有得到实际应用。 美国斯坦福大学的学者j k s a l i s b r u y 研制的s t a n f o r d j p l 手，也是种非常 具有代表性的多指灵巧手。无论在多指手系 统设计还是在理论研究上都有重大意义。如 图1 3 所示。这种手没有手掌，共有3 个手 指，每指3 个关节，拇指相对另两个手指而 立。手指采用1 2 个直流力矩电机作为关节 图1 3s t a n f 。r d t p i 。手 哈尔滨上群人学硕士学位论文 驱动元件，手指内采用的也是腱、滑轮传动方式。这种手的自由度较少，易 于设计、制造和控制。具有位罱和力的传感系统，由改造后的两套p u m a 2 6 0 机器人控制器构成，以一台v a x i i 7 5 0 为中央处理器。主要用作多指手设计 和控制的研究工具，可完成多种物体抓持和翻转棍棒等动作。 同本在1 9 8 4 年研制成功了h i t a c h i 手【6 】，如图1 4 所示。h i a t c h i 手有 3 个d 自由度的手指和1 个拇指，每个手指需要1 2 个驱动器。该手的显著特 点是采用了形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ) 驱动方式，具有速度快、 带负载能力强等优点，但是与其他金属一样，存在着疲劳和寿命等问题。 图1 4h i t a c h i 灵巧手 2 0 世纪9 0 年代以后，以德国和意大利为 代表的欧洲在灵巧手研究方面做了许多工 作，这个时期的典型代表是意大利研制的 d i s t 手、u b 手和德国宇航中心研制的d l r 手。 其中，德国宇航中心研制的d l r 手被 公认为迄今为止世界上最为复杂、智能化和 集成化最高的仿人机器人多指灵巧手。如图 1 5 所示。d l r 手由手掌和4 个完全相同手指 ( 3 个手指和个相对放置的拇指) 组成。每 图1 5d l r 手 哈尔滨i 程大学硕十学位论文 个手指有4 个关节。其中，末端的两个关节同人手类似，存在着机械耦合， 使用一个驱动器进行驱动。基关节使用两个驱动器，实现2 个方向的运动。d l r 手使用微型直线驱动器作为驱动元件，所咀它可将所有的驱动器集成在手指 或手掌中，减少了手指的尺寸，同时使腱的传动距离缩短，提高了动态响应。 d l r 手在每个手指上集成有2 8 个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、 关节扭矩传感器、位置传感器、速度传感器和温度传感器等。整个手由10 0 0 多个机械零件及1 5 0 0 多个电子元件组成。 美国国家航空和宇航局约翰逊空间中心于1 9 9 9 年研制成功的n a s a 多指 灵巧手是一种用于国际空间站上进行舱外作业的装置，n a s a 手 8 1 由1 个用于 安装电机和电路板的前臂、1 个手腕和5 个手指组成，共有1 4 个自由度。除 了拇指只有两个关节以外，其它4 个手指各有3 个关节，其中，末端的两个 关节通过连杆进行运动的传递。n a s a 手使用1 2 个无刷直流电机实现整个手 的驱动。除了触觉以外，整个手共有4 3 个传感器。该手在外形和尺寸上与人 手相似，且有冗余关节，在机器人灵巧手领域得到了一致的认同。 此外，国外还有加拿大多伦多大学机器人和自动化实验室研制的 p u m a r a l 手、英国南爱普顿大学研制的s o u t h a m p t o n 手、日本的全电动式手 t d f t 5 1 一】、k o b a y a s h i 手和按键盘的手、意大利的r o v e r t a 手。 1 23 我国机器人多指灵巧手的发展现状 在国内，对灵巧手的研究从2 0 世纪8 0 年代后期开始。北京航空航天大 学机器人研究所先后研制开发了b h 一1 、b h 一2 、b h - 3 三种型号的3 指9 自由度 机器人灵巧手f 9 i 。如图1 6 所示的b h 一3 手是一种仿s t a n f o r d j p l 手。这种 手由于每个手指的自由度只有3 个，在抓取物体时，抓取点( 指尖位置) 一 旦确定后，其抓取姿态就唯一确定。因此，实际上手指没有冗余关节，也就 没有抓取的柔性，无法像人手一样进行灵巧的抓取和操作。 哈尔滨i 群人学硕十学位论文 现在研制的b h 一4 型灵巧手为拟人型4 指1 6 自由度手，其自由度接近人 手。b h 一4 型灵巧手划分为手指、手掌和机械接口i 个模块。如图1 7 所示。 手指的主要功能是执行灵巧操作，其运动学结构类似人的手指；手掌主要决 定手指的相对位置分布，改变手掌的设计可以获得拟人或非拟人手；机械接 口用于确定手与臂的连接，改变机械接口可以使灵巧手适应不同的机械臂。 其关节由包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。 北京科技大学也研制了一种多指灵巧手，这种手有3 个手指，第l 和第 3 指分别有5 个自由度，第2 指有4 个自由度。这种手的外形显得比较笨拙， 自由度也过多，增加了控制的难度。显然，在结构上是需要大大地加以改进 的。 哈尔滨工业大学研制开发的h i t l 型手”】，如图1 8 所示。是仿d l r 手，h i t 一1 手由4 个完全相同的手指组成。每个手指有4 个转动关节，同人手 一样，手指末端的两个关节是机械耦合的，即通过个驱动器进行驱动。h i t l 手具有力感、位置感和温度感等多种感知功能。h i t 一1 手采用微型直线驱动 器和腱传动系统相结合的方式实现手指的驱动。该直线驱动器将微型无刷电 机、旋转一直线转换机构和位置感知功能融为一体，减小了手指的尺寸。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 论文主要完成工作 本课题主要是研究三指灵巧手的控制系统，包括控制系统的硬件电路设 计与调试，系统控制软件编制两大部分。课题主要研究内容如下： 一、三指灵巧手系统组成 l 、机械结构组成 2 、单片机控制系统组成 二、三指灵巧手机构研究 1 、工作空间分析 2 、静力学分析 三、控制系统硬件 1 、单片机控制系统 2 、单关节伺服控制 四、控制系统软件 1 、控制算法 2 、编写程序 3 、系统联调 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章三指灵巧手机构研究 三指灵巧手的机械本体部分是所有指令执行的最后环节，它的性能直接 影响控制和规划的策略。为了满足三指灵巧手在进行抓取和操作作业时对精 度、稳定性和可靠性的要求，机械结构本身必须具有较高的力运动传递精度 和机械特性。本章对三指灵巧手的机构进行了设计和介绍，并对三指灵巧手 的工作空间和静力学进行了研究，在静力学分析的基础上选用了驱动元件。 2 1 三指灵巧手总体结构 2 11 手指结构 2 1 1 1 关节运动副型式 多指灵巧手的手指机构是由若干连杆组成，连杆之削则通过运动副彼此 相连，用来产生确定的运动。 常见的运动副有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副和球面副】，它们的 约束数分别为j 、5 、5 、4 和3 ，相应的自由度数目为l 、l 、1 、2 和3 。由于 各运动副中的运动变量都要借助于驱动器来实现。而无论是转动的还是移动 的驱动器又大多为一个自由度。所以在多指灵巧手关节驱动中，可以采用的 只有转动副、移动副和螺旋副3 种。但是采用移动副和螺旋副的关节会使手 指的机构外形增大，其灵巧性明显要比只含转动副的手指要差，因此，多指 灵巧手的运动副全部采用转动副。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 21 1 2 手指的自由度 现有的多指灵巧手手指的运动副数目一般为3 个或是4 个，但实际上3 个自由度就能保证手指末端点实现一定范围内的任意位置。并且这个时候没 有冗余的关节，单从手指来说，虽然不存在抓取和操作物体的灵活性m 】。但 对于灵巧手结构和控制来说，都很方便。经综合考虑，本文设计的多指灵巧 手每个手指有3 个关节。 2 1 1 3 手指的数目 通过对人手抓取任意物体方式的分析，可以将人手的抓取方式分为：手 掌接触抓取、手指内侧接触抓取、手指侧面接触抓取、3 个虚拟指的抓取、 混合抓取等。而多指手对物体的操作即是实现不同抓取方式之间的转换的运 动。从文献 1 3 中对这些抓取方式的分析可以看出，所有的抓取都可以不用 j 指，而只用3 指( 拇指、食指、中指) 来实现。所以从结构尺寸，控制的 简便性出发，以及在满足物体可实现抓取和微细操作的前提下，多指灵巧手 的手指数目应取为3 个。 2 1 14 手指具体结构设计 由于三指灵巧手采取模块化设计，三个手指结构基本相同，其具体结构 如图2 1 所示，具有以下特点： l - 手指中心为中通的孔，由指尖贯穿到指根，为传感器引出信号线预留 空问； 2 每指根关节和端关节采用整体构件式设计，减小累积误差，增强了抓 取时的稳定性： 哈尔滨工程人学硕士学位论文 3 ，每指中关节采用了由螺钉装配的活耳片，使手指关节的装拆更方便； 4 指根座上预留螺钉孔，使三指能很容易的装配在手掌上； 5 除了传动轴外，整个手指采用l c 4 、l ? 1 2 材料。强度高，刚性好，重 量轻： 6 ，指尖表面材料为橡胶，可减小手指与物体接触时的冲击和增大摩擦。 21 2 手掌结构 图2 1 手指结构图 没有手掌的多指灵巧手其抓取和操作的灵巧性都比较好，对抓取尺寸比 较小的物体并对物体进行微细操作比较有利；而手掌可以增加对物体的约束， 有手掌的灵巧手其适用性更强，操作能力大大增强。由于考虑到驱动元件的 布置，所以有必要采取有手掌的结构，而手掌的具体结构取决于电机及传动 装置的布置。 本文设计的三指灵巧手手掌的掌心处为一平面，三个手指安装在手掌 上，手掌固定在日本m o t o m a m 公司生产的y r s v 3 一j o o 机器人上。 o 哈尔滨工程大学硕七学位论文 d a 上a bl a 广 b s 日2 口口目g 蛹毫擞j 守 j a 篇嬲彘糍麓 o 0ooo 黝黝 鬟戮崩燃 0ooo o oo0 00 黝 燃 a _ a 黝燃 a 【一 c 向 例2 2 手掌结构图 手掌结构设计较为复杂，要考虑的因素很多，因为它随着手指结构的不 同而不同，几乎没有通用性。设计手掌主要考虑了手指根指座的支撑和定位安 排、弹簧导管的配置和定位、电机的安装定位、信号线的布置等因素。手掌 结构如图2 2 所示，本文所设计的灵巧手手掌具有以下特点： 1 手掌的内部为一空腔，便于安装电机，引出驱动绳索和各种信号线： 2 手掌的掌心处为一平面，便于与手指配合抓握物体： 3 采用l c 4 为材料，刚度、强度好，重量轻。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 3 驱动和传动系统 2 13 1 驱动方式 目前大多数灵巧手采用了电驱动、气压驱动和液压驱动等传统的驱动方 式。只有少数的灵巧手采用了形状记忆合金( s m a ) 驱动、压电陶瓷驱动和可 伸缩性聚合体驱动等新型驱动技术4 】。 液压驱动系统是以油液的压力来驱动执行机构的。液压驱动系统的优点 是抓重大、驱动平稳、系统的固有效率高、速度反应快，并且液压驱动调速 比较简单，能在大范围内实现无级调速；缺点是易漏油，这不仅影晌工作稳 定性和定位精度，而且会污染环境、对密封装置要求严格、体积大、成本高。 液压驱动多用于要求输出力大，运动速度较低的场合。 气压驱动系统是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的。通常使用空 气压缩机作为动力源。气压驱动的优点是过载安全性大、结构简单、污染小、 成本低；缺点是工作速度的稳定性差、装置体积大、定位精度不高、抓重小。 气压驱动多用于易燃、易爆和灰尘大的场合。 形状记忆合金是在五十年代发展出的一种材料，当将电流传给制成微小 线状形状的记忆合金时，这些微小的汜忆合金便能够产生运动。它具有体积 小、重量轻、精度高、动作柔性好、不易受周围环境影响等优点；缺点是响 应速度慢，需要大量实验来训练。 压电陶瓷驱动的优点是响应速度快，运动精度高，作用力与动作范围大； 缺点是能量利用率低、能耗大。 电气驱动是利用各种电机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动 执行机构运动的。由于电子技术的发展，在信号和信号处理上，电气驱动相 当成熟r 而且在世界任何地方都可以获得电源。由于具有易于控制、运动精 度高、使用方便、驱动效率高、不污染环境等诸多优点。同时由于伺服电机 哈尔滨一i 礁大学硕十学位论文 - - 的进步，电机的大小和重量也大大减小，对于多指灵巧手的驱动来说，选用 电气驱动比采用其它的驱动方式具有更多的优越性。因此本文采用了直流伺 服电机作为驱动源。 2 ，1 32 传动方式 灵巧手传递运动和动力方式目前主要是采用绳索加滑轮f ”】6 】，也可以采 用钢丝软轴加螺旋传动】，或是用连杆传动1 1 8 。前两者的主要问题是传动的 功率损耗太大、效率低；而连杆传动的运动和动力在传动过程中会有较大变 化，在控制上难度较大。 由于绳索加滑轮的传动方式仿效人手的驱动原理，可以实现远距离的运 动和力的传递，并且能够满足手指的结构要求。所以目前大部分灵巧手采用 了这种传动方式。本文三指灵巧手手指机构中，每个手指三个关节都是采用 6 段柔软无伸缩性的钢丝绳驱动，在每个电机的输出轴上固接一个随电机转 动的电机驱动轮。在每个各关节轴上也都固定有滑轮，钢丝绳通过固定装置 固定在滑轮上，实现远距离闭式驱动。传动示意图如图2 3 所示。 图2 ，3 传动示意图 指 哈尔滨工程大学硕士学位论文 21 3 3 具体结构设计 如图2 ，3 所示，从电机驱动轮到手指被驱动轮之间的一整套机构，起着 传递力和力矩驱动手指关节运动的作用，其设计主要包括驱动轮、张紧轮等 零件的设计。 蒌蒌萎蓉至i 量童差薹i | 裹蒌雾兰囊厂蚜滑轮 打滑，应将绳索固定在驱动滑轮上形 囫|朔z ，_ 7 成闭式传动，这样在绳索破断拉力范厂- 芏2 ， 三笔篓薰薹燕v 栅。 2 张紧轮绳索加滑轮传动方式髟黝 一 中，绳索自身的结构伸长在传动中是 。= 。一 薹肇? 恩翠勃醛图 图2 5 张紧装置位置示意图 图2 6 张紧装置结构图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 4 三指灵巧手总体结构 通过对三指灵巧手手指、手掌以及驱动和传动系统的结构设计，我们得 出了三指灵巧手总体结构，装配图如图2 7 所示。 图2 7 三指灵巧手装配图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 工作空间分析 当对三指灵巧手进行控制及轨迹规划时要知道关节变量，以驱动各关节 的电机，使手部的位姿得到满足。这是运动学逆分析所研究的问题。和运动 学正分析相反，它是在已知手部达到的空间位姿的情况下，求解出关节变量。 运动学逆分析时，关心的是对于给定的手部空间位姿，求解出关节变量是否 存在。通常运动学反解存在的区域称为该机器人的工作空问 t g l 。所以有必要 对三指灵巧手的工作空间进行分析。 2 2 1 单指工作空间 单个手指的工作空间由前面确定的手指结构可以得出，出于三指结构相 同，本文以食指和中指为例，得出其工作空间。拇指的工作空间用同样的方 法就可得到。图2 8 给出食指和中指各关节的运动范围。 为了讨论方便，把工作空间分别投影到凰0 z o 和凰d k 平面内，在图2 9 中，圆弧曲，b c ，c d ，d a 内部所围面积就是工作空间在五d z o 平面内的投 影。 f 图2 8 食指和中指各关节的运动范围 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i ii i i 其中 图2 9 在肖。d z 。平面内的工作空间 品 ( x 一，1 ) 2 + z 2 = ( ，2 + ，3 + r ) 2 ( 2 1 ) ，i 玉石】，l + ，2 + ，3 + r0 z s ，2 + 1 3 + r 6 c ( x 一，】) 2 + ( z 一2 ) 2 = ( 1 3 + r ) 2 ，i 一( ，3 + ，) 上，l ，2 z s ，3 + ， ， 品 ( x 一，) 2 + z 2 = ，2 2 + ( ，3 + ，) 2 ，1 一( 如+ 7 ) 石7 ，+ 厶，0 - zs i 了j j 丽 翕 i 一( f ，+ f 。) 2 + z 2 = ( f ，+ r ) 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ，】+ ，2 x l l + ，2 + ，3 + r0 2 厶 式中： f ；、f ：、z ，一是手指各关节长度； ，一是指端球面半径。 在得出手指在氓0 毛平面的工作空间后，则手指在x 。o 0 平n n 的投影 如图2 1 0 所示，实际上就是平面a b c d a 绕乙轴从一1 5 。+ 1 5 。所形成的空间。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中 图2 1 0 在x 。0 k 平面内的工作空间 a i a !x ! + ，2 = ( ，i + f 2 + f 3 + r ) 2 ( f 】+ ，2 + ，3 十r ) s i n ( 一1 5 。) y s ( ，i + ，2 + ，3 + r ) s i n ( 1 5 。) ，ls i n ( - 1 5 。) 茎y ，s i n ( 1 5 。) c l c 2 x2 + y ：= ( f 3 + ，一f 1 ) 2 ( ，3 + r 一，】) s i n ( - 1 5 。) y s ( ，3 + ，一f 1 ) s i n ( 1 5 。) d l d 2z 2 + y2 = ( 1 1 + 1 2 ) 2 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( ，l + ，2 ) s i n ( - 1 5 。) sy ( ，l + ，2 ) s i n ( 1 5 。) 这里的单指工作空间都是在指根坐标系中给出的，而实际控制过程中 往往给出的位置都是在手掌坐标系中的，利用手掌和手指之间的位簧关系 可以将其转换到手掌坐标系上。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 22 2 三指工作空间 根据三个手指的各关节转动范围，三指协调运动的工作空间在 x 。o z 。平面的投影如图2 1 l 所示。 图2 11 三指工作空间在氓o z 。平面内投影 2 3 静力学分析 当三指灵巧手指端匀速运动或静止保持接触力恒定1 ，那么各关节需要 用多大的力或力矩来平衡这个终端接触力f ? 这是本节所要研究的内容。 设手指指端与外界环境的相互作用力矢量为f = f ，月r ，在静平衡状态 下，f 应与各关节的驱动力( 或力矩) 相平衡。设n 个关节的驱动力( 力矩) 组成的月维矢量r = f 1 ，q ，r 3 ，f ， 7 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则由虚功原理可得出手指静力学方程： f = j 。( g ) f( 2 - 9 ) 式中，7 ( q ) 称为力雅可比矩阵，它表示在静态平衡状态下，操作力向关节 力映射的线性关系。是它的( 运动) 雅可比矩阵的转置。在本文中，首先求 解出三指灵巧手各指的( 运动) 雅可比矩阵( j a c o b i a n ) 矩阵【2 2 1 2 3 1 。 2 3 1 雅可比矩阵的求法 雅可比矩阵定义为它的操作速度与关节速度的线性变换，可以看成是从 关节空间向操作空间运动速度的传动比。机器人的运动方程： x = x ( 目)( 2 - 1 0 ) 代表操作空间x 与关节空间g 之间的位移关系。将式( 2 1 0 ) 两边对时间f 求 导，即可得出g 与x 之间的微分关系： x = j ( q ) q ( 2 一1 1 ) 式中，x 称为末端在操作空间的广义速度，简称操作速度，g 为关节速度；，( q ) 是6 x ”的偏导数矩阵，称为机器人的雅可比矩阵。它的第f 行第，列元素为： ，“( g ) ：掣，渊扣，6 ；，：1 ，2 6 ： ( 2 1 2 ) 叫i 从式( 2 - 1 2 ) 可以看出，只要对机器人的运动方程求偏导，就可以得其雅可 比矩阵。在本文中，需要先建立三指灵巧手的运动方程，然后再对三个手指 分别求其雅可比矩阵。 2 3 2 三指灵巧手运动方程的建立 单指机构是三指灵巧手系统的重要 e 3 i 组成部分，灵巧手各指的机构参数基本一 、。 样，单指坐标系适用于每个手指。 首先，根据d e n a v it - h a r t e n b e r g 规 则，建立单指机构的坐标系2 ”，如图 “。2 ，1 2 所示。其z ，轴分别为转动副i 的转 】 品，j y 1 动轴线，爿，为相邻两轴线z 一和z ，的公垂 毡旦= = ! 二i ” 线，其中抵轴任选。x 。轴与x ，轴的交 图2 1 2 手指机构d h 坐标系角为臼，公垂线长为s ；轴z 。与z ，的交 角为口，公垂线长为 ，。 建立好的坐标系中，“k ，分别为根指关节、中指关节、端指关节的 长度。研、p ：、岛分别为坐标轴与x 。绕毛旋转的角度、一与x ：绕z ：旋转 的角度、与孔绕z ，旋转的角度。得出各连杆参数如表2 1 所示。 表2 1 手指连杆d h 坐标系 l伊 口卜l口卜l d 。 1 b 0 4 oo 2 目2 - - 9 0 。 ，l o 3 岛 0 。 ，2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 由文献 2 0 ： - i a c o s 8 f s i n o0 口hl s i n o 只ic o s a 。i _ l c o s 0 i c o s q 。_ 1 - s i n o ，c i s i n s i n 。z c o s o ，s i n c 。c o s o 。j 1z c 5 i o s “a ：1j 只。 。 一 。j 4 0001 l 可以得出各杆间的变换矩阵 ? 一一 c o s o , i s i n o i l 0 0 s i n 0 月c o s o , 】0 0 0o1o 000l l c o s o ，2 ：一：l o l s i n 0 ，2 j0 ；a ： c o s l 9 ，3 s i n o ，3 o 0 一s i n o i20 ，1 01o c o s o i2 0 0 0ol s i n 只3 0 f 2 c o s o i 3 00 010 oo1 ( 2 1 4 1 ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) 设p 点在参考坐标系_ 只乙中的位置为p ，= o 0 0 l 】7 ，在参考坐标系 y o z o 中的坐标为“尸= k 。p 。p 。1 r ，则p 点在基础系中的位置由下式 确定： “p ：? 爿：a ；a ；爿p 2 2 ( 2 - 1 8 ) k o o o o 0 0 o ，0 o l o 0 p，。f。l = 4 3 p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将式( 2 一1 4 ) 一( 2 1 7 ) 代入式( 2 一1 8 ) 得： p ， p ，u p l ： 1 f 3c o s 只lc o s ( o , 2 + 只3 ) + ，2c o s o , lc o s s , 2 + ，1c o s o , 1 3s i n o , 1c o s ( 只2 + 只3 ) + ，2s i n o , lc o s 只2 + ， s i n o , l 一，3s i n ( o f 2 + 只3 ) 一1 2s i n b 2 1 ( 2 1 9 ) 因此，只要给定各关节的转角、只：、就可根据公式( 2 1 9 ) 得出指 端在指根坐标系中的运动方程，其中i = 1 ，2 ，3 ，分别代表拇指、食指和中指。 1 拇指 根据灵巧手的具体结构，有拇指指根到手掌的齐次变换矩阵昌r ： 最丁 、| j f 2 o 一5 2 一b 01oo 托h0 压| 2 c 0001 由式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 可得拇指指端在手掌坐标系中的运动方程 影2 ( f 3 c l c 2 + 3 + ，2 c l c 2 + f l c i + f 3 j 2 “+ ? 2 s 2 ) 一b 1 3 s i c 2 + 3 + ，2 c 2 + ，l s l , 5 2 ( i 3 c 】c 2 + 3 + f 2 c i c 2 + f i c i 一，3 j 2 十3 一，2 屯) + c l ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 式中：s ，表示s i n ( a , ) ，c ，表示c o s ( 舅) ，c 2 + 3 表示c o s ( 0 2 + 岛) ，s 2 + 3 表示 s i n ( o ：+ 岛) ，其他手指情况相同。 2 食指 根据灵巧手食指的具体结构，可得食指指根到手掌得齐次变换矩阵盏丁： 1o 0 b + ， 01 0一a 0 0lk o o 0l ( 2 2 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由式( 2 一1 9 ) 、( 2 2 2 ) 可得食指指端在手掌坐标系中的运动方程： x 2 y 2 乃 1 1 3 c 】c 2 ”+ t 2 c l c 2 + c l + 6 + f f ) s l c 2 + 3 + 1 2 s l c 2 + s i 一盘 一1 3 s 2 + 3 1 2 s 2 一k ( 2 2 3 ) 3 ，中指 根据灵巧手中指的具体结构，可得中指指根到手掌得齐次变换矩阵。是丁 1o0b + ， ol0d oo1一k 0 00 1 由式( 2 一1 9 ) 、( 2 2 4 ) 可得中指指端在手掌坐标系中的运动方程 1 3 # 1 c 2 拈+ 1 2 c i c 2 + ，1 c + 6 + ， l s s l c 2 “+ ，2 s l c 2 + ，l s l + 口 一1 3 s 2 + 3 1 2 s 2 一k 1 2 3 3 三个手指的雅可比矩阵 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 因此，根据式( 2 2 1 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 - 2 5 ) 以及式( 2 1 1 ) 就求出各指端在 手掌坐标系中的雅可比矩阵d ，、，：、厶。 一雩s ( f 3 岛。+ 鹕+ ) 譬( f 3 + 鸲一q 一，2 q 屯) 譬以- f 3 q ) 垡岛c 2 拈+ 毛岛+ ) 一 一毛丑s 2 ”一1 2 s 1 8 2 一幽是日 一害 也+ 鹚+ ) 一害心q + q 是+ c 2 。+ k 乓鸥q + ) 2 4 ( 2 2 6 ) l 一& ( ，3 c 2 + 3 + ，2 c 2 + ，1 )一1 3 c l s 2 “一，2 c 1 5 2一，3 c l s 2 + 3l i ，2 = ，3 = lc ( b c 2 + 3 + f 2 c 2 + z 1 )一1 3 s j s 2 “一z 2 s l s 2一，3 s s 2 + 3l ( 2 - 2 7 ) 1 0 1 3 c 2 + 3 1 2 c 21 3 c 2 “l 式中：j 。为拇指的( 运动) 雅可比矩阵；t ，：、，为食指和中指的( j r 动) 雅可比矩阵。对( 运动) 雅可比矩阵，、j ：、 分别转置，求得力雅可比矩 阵f 、j 。、山7 。 这时，各关节所需驱动力矩就可以由式( 2 一g ) 求得。 2 4 驱动电机选取 根据本章前面几节对三指灵巧手驱动、传动方式的选择和静力学分析， 我们对手指关节驱动元件进行了选取。 直流电机由于其成本低，输出功率大，控制性能好，响应速度快，现已 被广泛应用于机器人驱动。在本文的三指灵巧手驱动中，选用了瑞士m a x o n 公司生产的r e m a x 2 1 直流伺服电机1 以及与其配套的减速器和编码盘。它 们的主要技术参数如下： 电机； 额定电压：2 4 v 额定功率： 6 w 额定电流：3 2 3 f i l a 空载转速：9 0 2 0 r p m 极限转速：9 8 0 0 r p m 堵转转矩：2 7 5 m n m 转子转动惯量：2 o l g c m 2 机电时间常数：7 m s 减速器： 减速比：1 4 6 0 2 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传动效率：4 2 持续扭矩：1 o n r n 极限输出扭矩：1 6 n r n m r 编码器： 单圈信号输出数：1 6 信号极限频率：i o o k h z 信号形式：t t l 根据第三节中的静力学分析，给出在手指活动空i 司内的多组数据，得出 了各个关节在正常运动时的所承受的最大力矩不超过0 1 2 n m ，可以看到考虑 传动效率为4 2 的情况下，通过减速器输出的扭矩完全能满足要求。 2 5 本章小结 4 本章主要设计了三指灵巧手的手指机械结构和手掌机械结构；介绍了目 前机器人主要驱动和传动方式，并根据本文的实际需要，选择了电驱动方式 作为三指灵巧手的驱动方式、钢丝绳加滑轮的传动作为三指灵巧手的传动方 式；并在得出的机械结构基础上，对三指灵巧手系统的静力学进行了分析： 最后，根据系统要求，选择了直流伺服电机作为驱动元件。 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 第3 章三指灵巧手控制系统 3 1 总体方案设计 本课题要求研制的灵巧手能仿人手灵活地剥不同形状、不同材质的物体 进行抓持，能够完成比较复杂的精密装配和进行细微的空削操作。如能完成 抓网球，杯子等操作。 本课题研制的三指九关节灵巧手系统共有3 个手指9 个关节，9 个直流 伺服电机，9 套位鼍传感器，3 个指尖力传感器。本章对三指灵巧手的控制系 统进行设计，控制系统是通过控制电机的转动来控制关节位移量的，由于电 机的转动量与相应关节的位移量之间存在固定的对应关系，通过控制直流伺 服电机的转动量就可以实现对灵巧手手指位置的控制 2 5 1 。系统的总体工作原 理框图如图3 1 所示。 i 一一 一_ p - 一手指关节 二= 一 。 r t j j 一主控单元。- 一控制信号h _ r 一直流伺服电机_ 传动系统 ?一 j 。：i 1 一一一、一 ： 一+一p+1h o 一j 图3 1 控制系统工作原理框图 对于图3 1 中虚线框部分，主要完成直流电机的伺服驱动，以及位置信 号的采集、处理等工作。伺服驱动要求有较高的工作精度，并且调速性能好， 响应速度快。一般采用直流伺服驱动器或是驱动电路两种方法。采用直流伺 服驱动器能够缩短研究开发周期、简便、并能够提供位置信号。但是它存在 的问题是信号采集过程中信号不够稳定，不能精确反应电机实际位置；如果 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用驱动电路，位簧信号就要通过设计位置检测电路来获得。这样的信号能 准确及时的反映电机轴的转角变化，但是控制系统复杂，开发难度大。为了 比较两种控制系统在实际调试过程中的性能，本文对两种方案分别进行了设 计，称之为方案一和方案二，由于时间原因，只对方案一设计的系统进行了 制作和调试。方案二待于以后进一步完善。 3 2 方案一 3 2 1 控制系统总体设计 本方案采用了瑞士m a x o n 公司生产的直流伺服驱动器a d s 5 0 5 j ，它对 直流伺服电机的p w m 控制性能十分良好，并且能够提供一个模拟量的位置信 号。对于我们的控制系统设计来说，只要提供给驱动器工作电压和电机驱动 控制电压即可以控制电机转速，从而实现关节位置控制。 灵巧手在抓取和操作前，要进行被抓物接触点位置确定、抓取构形分析 判断、三指手正逆解求解、轨迹规划等复杂运算。这需要很长时间。在抓取 和操作过程中，要进行电机转速控制、关节位置检测控制、指端力觉检测等， 其中有的控制必须同时进行 2 6 1 。基于上述性能特点在三指灵巧手实际作业 时，要求控制系统有很高的实时处理能力，高的可靠性，并有对多路模拟信 号进行处理的能力。 由此看来，以传统的单一微处理器作为控制器的控制方法已难以胜任三 指灵巧手的控制。现在，分级式计算机控制系统在机器人控制领域中已经得 到了广泛的应用，特别是在控制系统大、任务多、控制对象复杂的以及要求 控制系统实时性高