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1、第 1 页（共 30 页）具有力感知功能的多指灵巧手控制检测系统设计具有力感知功能的多指灵巧手控制检测系统设计毕业设计说明书第第 1 1 章章 绪论绪论1.11.1 题目的来源及研究意义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一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、
2、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
3、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。1.21.2 国内外机器人多指灵巧手的发展概况国内外机器人多指灵巧手的发展概况1.2.11.2.1 机器人多指灵巧手的发展历史机器人多指灵巧手的发展历史第 2 页（共 30 页）图 1.1 Okada 灵巧手图 1.2 Utah/MIT 手机器人灵巧手的研究是从假肢开始的。1509 年，人们为在战争中
4、失去一只手的年轻武士 Berlichingen 制作了通过弹簧驱动的假手。这只假手在战斗中很有用，但在日常生活中却很不方便。在 Berlichingen 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。Chilidress 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 1920 年开始流行，但其广泛应用却是从 20 世纪 30 年代开始的。由 Tomovic 和 Boni 研制的Belgrade 手最初是为南斯拉夫的一位因伤寒失去手臂
5、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 1974 年日本研制的Okada 手，如图 1.1 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。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。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。20 世纪 80 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
6、，并取得了许多有应用价值的成果。相继又有一批著名的灵巧手问世。1.2.21.2.2 国外机器人多指灵巧手的发展现状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 1985 年联合研制成功的 Utah/MIT 手是一种拟人化的灵巧手，如图 1.2 所示。Utah/MIT 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（绳索） 、滑轮进行远第 3 页（共 30 页）图 1.5 DLR 手距离传动，16 个位置传感器装在每个关节上，32 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
7、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.Salisbruy 研制的Stanford/JPL 手，也是一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 12 个直流力矩电机作为关节驱动元件，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。具有位置和力的传感系统，由改造后的两套 PUMA260 机器人控制器构成，以一台 VAXII-750
8、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。日本在 1984 年研制成功了 Hitachi 手，如图 1.4 所示。Hiatchi 手有 3 个 4 自由度的手指和 1 个拇指，每个手指需要 12 个驱动器。该手的显著特点是采用了形状记忆合金（Shape Memory Alloy）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。20 世纪 90 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 DIST 手、UB 手和德国宇航中心研制的 DLR 手。图 1.4 Hi
9、tachi 灵巧手图 1.3 Stanford/JPL 手第 4 页（共 30 页）其中，德国宇航中心研制的 DLR 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。DLR 手由手掌和 4 个完全相同手指（3 个手指和一个相对放置的拇指）组成。每个手指有 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。DLR 手使用微型直线驱动器作为驱动元件，所以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。DLR 手在每个手指上集
10、成有 28 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 1000 多个机械零件及 1500 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 1999 年研制成功的 NASA 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，NASA 手由 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 14 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。NASA 手使用 12 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 43 个传感器。该
11、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 Puma/RAL 手、英国南爱普顿大学研制的 Southampton 手、日本的全电动式手 TDH51-1、Kobayashi 手和按键盘的手、意大利的 Rovetta 手。1.2.31.2.3 我国机器人多指灵巧手的发展现状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 20 世纪 80 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 BH-1、BH-2、BH-3 三种型号的 3 指 9 自由度机器人灵巧手。如图1.6 所示的 BH-3 手
12、是一种仿 Stanford/JPL 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。现在研制的 BH-4 型灵巧手为拟人型 4 指 16 自由度手，其自由度接近人手。BH-4型灵巧手划分为手指、手掌和机械接口三个模块。如图 1.7 所示。手指的主要功能是第 5 页（共 30 页）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
13、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 1 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 HIT-1 型手, 如图 1.8 所示。是一种仿 DLR 手,HIT-1手由 4 个完全相同的手指组成。其中 1 个是大拇指，每个手指由 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，即通过一个驱动器进行驱动。HIT-1 手具有力感、位置感和温度感等多种感知功能。
14、HIT-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。1.31.3 论文主要完成工作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。课题主要研究内容如下：针对三个手指九个自由度的灵巧手结构，设计其控制检测系统，使其能对 9 个直流电机实施良好的驱动，并能对所反馈回的 9 路编码盘信号和三路力传感信号进行处理，最后通过串口进行通讯。图 1.6 BH-3 手 图 1.7 BH-4 手图 1.8 HIT-1 手第 6 页（共 30 页）课题任务的具体要求: :对整个装置的设计，大致可分为以下
15、几部分进行：1，控制系统部分 针对所提供的直流电机，设计其控制系统。 2，检测系统设计 针对 9 路编码盘信号和 3 路力传感信号，设计检测系统，能完成对系统的实时检测。3， 通讯系统设计 需将所处理后的信号传送到上位机系统。第 7 页（共 30 页）第 2 章 三指灵巧手控制系统总体方案设计2.1 系统原理分析本设计要求研制的灵巧手能仿人手灵活地对不同形状、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间操作。如能完成抓网球，杯子等操作。本设计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 套位置传感器，3 个指尖力传感器。本章对三指灵巧手的
16、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。系统的总体工作原理框图如图 2.1 所示。中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中图 2.1 控制系统工作原理框图对于图 2.1 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；如果采用驱动电路，位置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。第 8 页（共 30 页）2.2 设计方案2.2.1 控制系统总体设计本方案采用了瑞士 Maxon 公司生产的直流伺服驱动器 ADS50/5,它对直流伺服电机的 PWM
