基于虚拟弹簧的欠驱动手指的动力学建模和控制

采用虚拟弹簧对2关节欠驱动手指进行了动力学建模。并使用该方法建立实际的3关节欠驱动手指的动力学模型,通过动态控制实验验证了动力学模型的正确性。该方法不仅避免了求解微分几何方程,并且直接派生出可解耦的动力学模型。可直接进行逆动力学分析、仿真和实时控制。同时,建立了基于动力学模型的速度观测器,用于轨迹跟踪,弥补了欠驱动手没有速度传感器的缺点,补偿了欠驱动环节造成的不确定因素。与PID或计算力矩法相比较,其轨迹跟踪误差更小,动态控制效果更好。

基于仿肌弹性欠驱动手的设计与分析

针对仿肌腱传动灵巧手存在的驱动单元多、机构体积过大、控制系统复杂等问题,提出一种新型的仿肌弹性欠驱动手。以人类手指解剖学特征为思路,进行了仿人手指设计,通过引入双肌腱和弹性元件来实现手指的欠驱动,并给出合理选择弹性参数的方法,保证了手指的可达空间和抓取可靠性。进行了手指运动学分析,建立了关节空间到肌腱空间的映射关系。为获得最优的手掌尺寸及抓取范围,提出一种手指位置参数优化方法,并给出了评价指标,通过对比验证了该方法的优势。最后,进行了不同形状、尺寸物体的抓取实验,结果表明该欠驱动手具有较强的自适应抓取能力、广泛的物体抓取范围。

欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析

传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。根据手指的几何尺寸采用协同耦合方式设计手掌尺寸,利用可变手掌协同手指抓取,提高了灵巧手在抓取形状复杂和不同尺寸物体时的自适应性。基于虚功原理建立灵巧手单指各关节的接触力模型,针对抓取过程中存在的抓取力不足及抓取不稳等问题,使用NSGA-II优化算法对单指机构的杆长进行尺度综合。利用建立的虚拟样机进行仿真抓取实验,结果表明,该灵巧手具有较强的自适应性,能够稳定抓取多种形状和尺寸的物体。

基于气压式触觉的欠驱动手抓取分类方法

使用一种气压式触觉阵列传感器拾取触觉特征信息,手掌和指尖触觉阵列点的灵敏度和最大重复性误差分别为13.73,10.85 kPa/N和3.54%,2.73%.依靠欠驱动手组建了触觉特征数据集,通过离散卡尔曼滤波方法对气压式触觉传感信息进行降噪处理,结合随机森林分类方法对生活物品进行分类.实验结果表明:气压式触觉传感器灵敏度高且重复度误差小,能够有效感知抓取分类过程中的触觉信息变化,依靠欠驱动手避免了抓取时速度碰撞对分类结果产生的影响,组建数据集时无须复杂的抓取控制方式,结合离散卡尔曼滤波的随机森林分类方法能够有效地完成对物体的识别分类,识别准确率达93.2%.

平夹自适应欠驱动手的参数优化与稳定性分析

针对欠驱动多模式抓取问题,提出了一种具有平夹自适应复合抓取模式的8自由度机械手(PASA手).为了研究PASA手的抓取性能,提出了抓取姿态与稳定性分析模型.根据被抓取物体的位置、尺寸和大小的不同,PASA手能够执行平夹(PA)用于精确抓取,自适应包络用于力量型抓取,或者像人手那样既能平夹又能自适应抓取(PASA).不同抓取模式之间的切换是自动且自适应的.详细讨论了PASA手的运动、抓取力分布和在不同外力下基于势能的抓取稳定性分析.对各种状态下手指接触力进行了测量,并对不同的物体进行了抓取实验.尽管被抓取对象形状、大小各异,PASA手均能牢固抓取.实验结果表明PASA手具有可靠性和广泛适用性.

欠驱动手动态抓取控制的研究

基于手指动力学模型建立了速度观测器.该观测器用于欠驱动手的自适应轨迹跟踪,弥补了欠驱动手没有速度传感器的缺点,补偿了手指模型中欠驱动元件(如扭簧)造成的不确定因素.与PID和计算力矩法相比,其跟踪误差更小,动态控制效果更加理想.通过动力学模型建立了基于力的阻抗控制策略,在阻抗控制中使用速度观测器,实现了基关节的动态抓取力跟踪.动态轨迹跟踪与力跟踪相结合,使欠驱动手在抓握时具有良好的动态抓取性能.

欠驱动两指多指杆机器人手的操作过程与抓力分析

欠驱动两指多指杆机器人手仅用一台驱动电机就能以直指或曲指方式履行各种工业操作任务。文中描述了欠驱动两指多指杆手的操作过程与手指的抓力分析 ,并对手指抓力作了动态仿真。与现有的欠驱动机器人手相比 ,这种多指杆机器人手的结构更为简单紧凑 ,且能减少控制的复杂性、重量和成本 。

欠腱驱动多指灵巧手的设计

提出一种欠腱驱动多指灵巧手 ,它具有结构简单 ,操作灵巧 ,控制容易 ,较高的操作适应性。每个多指节手指仅用一个腱驱使手指弯曲运动。文中描述了欠腱驱动多指灵巧手的结构设计与手指位移分析 ,与现有的多指灵巧手和欠驱动多指杆机器人手相比 ,这种多指灵巧手的结构更为简单紧凑 ,且能减少控制的复杂性、重量和成本 。

欠驱动多指节机器人手的仿真实现

欠驱动多指节机器人手具有较复杂的非线性运动方程组以及运动过程的阶段性，仅用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真系统一般很难实现这种机器人手的动态仿真。为此提出用Ｍａｔｌａｂ语言编写的Ｍ－文件与Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的仿真系统之间的合理组合，实现多指节手的动态仿真过程。文中用于欠驱动多指节机器人手的动态仿真模型能够发映手指操作的真实过程，并能简化仿真系统的复杂性，这为多指节手的运动、受力分析以及机构、控制设计等提供了有效工具。

欠驱动两指多指杆机器人手及其运动学分析

在许多工业应用中 ,常要求机器人手结构简单、操作灵巧、控制容易 ,且具有较高的操作适应性。研制的欠驱动两指多指杆机器人手 ,仅用一台驱动电机就能以直指或曲指方式履行各种工业操作任务。在此描述了欠驱动两指多指杆手的结构、工作原理与手指运动学分析 ,与现有的欠驱动机器人手相比 ,这种多指杆机器人手的结构更为简单紧凑 ,且能减少控制的复杂性、重量和成本 ,并能实现多功能地抓取不同物体的能力。

欠驱动灵巧手机构设计

设计了欠驱动灵巧手的机械结构。在分析人手的特点以及现有欠驱动灵巧手机构设计上存在的缺点,设计了灵巧手机构原理模型,并在此基础上设计了3关节、4自由度的欠驱动机械手结构,包含手指基座传动机构、掌骨关节指段、近掌骨关节指段、远掌骨关节指段,在3个电机驱动下,各关节指段通过腱绳实现运动与力的传递;对机构的运动学进行了分析,并绘出了指间的运动空间;利用ADAMS对动力传动机构、关节转矩进行了仿真,仿真结果表明,手指基座的传动精度较高,且关节在运动过程中力矩变化不大。

一种欠驱动电动型两指多指节机器人手

在许多工业应用中 ,常要求机器人手结构简单 ,操作灵巧 ,控制容易 ,且具有较高的操作适应性。开发的欠驱动两指多指节机器人手仅用一台驱动电机就能以直指或曲指方式履行各种工业操作任务。文中描述了欠驱动两指多指节手的结构、工作原理与手指位移分析 ,与现有的欠驱动机器人手相比 ,这种多指节机器人手的结构更为简单紧凑 ,且能减少控制的复杂性、重量和成本 。

欠驱动五指灵巧手及控制系统设计

模拟人手的生理结构,创建一种新型欠驱动五指灵巧手系统。介绍了欠驱动灵巧手的结构,提出一种基于欠驱动关节机构顺序驱动的方法;从运动学的角度出发,使用Matlab Robotics Toolbox绘制了手指指尖运动的工作空间域,并与采用关节同时驱动的指尖运动的工作空间域进行了对比,结果表明关节结构顺序驱动方法具有更大的工作域空间;最后,介绍了控制系统方案与电路,初步实现了欠驱动五指灵巧手的弯曲/伸展与内收/外展运动,其控制效果良好。

欠驱动多指节机器人手的抓力分析

对欠驱动多指节机器人手的抓力进行了分析 ,给出了直指和曲指抓取物体时的抓力方程 ,并对手指抓力作了动态仿真。手指抓力分析为多指节手的机构与力控制设计提供了理论基础。

基于抓取模式识别的欠驱动灵巧手抓取方法

针对桌面上单个物体场景的抓取任务,提出一种基于抓取模式识别的欠驱动灵巧手自主抓取方法.受人类抓取策略启发,基于四种典型抓取模式建立物体的抓取模式数据集,并通过深度学习预测物体的抓取模式和抓取区域,利用图像处理获得抓取角度,从而简化欠驱动灵巧手的抓取规划.深度学习算法在测试集中的识别准确率达98.70%,对未知物体的识别准确率达82.70%,具有较好的泛化能力.当执行自主抓取时,深度学习方法的不准确性通过欠驱动手的自适应性得到了一定的补偿.通过UR3e机械臂搭载欠驱动灵巧手对24个物体进行抓取实验,在120次抓取中平均成功率为90.80%.实验结果表明所提方法能适应不同形状大小的物体,具备抓取实用性.

单链传动双齿条平夹间接自适应机器人手研制

传统平夹自适应手指采用并联的两套传动机构,存在机构复杂的缺点。提出了一种具有单链式平夹间接自适应复合抓取模式的机械手(PISA手)。PISA手指包括3个齿轮、2个齿条、滑块、拨块、限位块和单个弹簧等,由单个电机驱动双关节手指转动。PISA手能用远指段平行夹持物体,用有滑块的近指段和远指段自适应包络物体。介绍了PISA手的组成和运动过程,进行抓取范围和抓取力大小的理论分析,研制带有3个PISA手指的PISA机器人手。通过仿真和抓取实验结果表明,PISA手能根据物体不同的形状在不同的位置,自主切换平夹或是间接自适应的抓取模式,实现稳定抓取。PISA手指具有传动效率高,手指结构紧凑特点。

拟人机械手的研究与发展

通过大量文献的分析与研究,根据驱动器和自由度的数目的不同,把拟人机械手分为灵巧手和欠驱动手两类。阐述了灵巧手和欠驱动手的国内外发展现状,总结了它们在各自发展中形成的主要特征、关键技术以及存在的主要问题,对两者的发展趋势和应用方向做了探讨。通过对比,灵巧手具有较高的操控和抓取物体能力,结构和控制系统复杂,成本高,可用于高尖端及需要精密操纵的场合;欠驱动手结构简单,抓取物体时,本身具有很强的自适应能力,操纵和抓取物体能力尚可,易于在日常生活应用中普及发展。

仿人机械臂和灵巧机械手的结构设计研究与实践

指出了随着科技的发展,机器人的应用领域不断扩大,仿人机器人的研究和制作从未停止过,其中世界各国都将机械手臂和机械手作为重点研究突破的一个点。通过对机械原理和机械设计的深度研究,设计制作了一个实用的仿人机械手臂,整体设计运用了欠驱动的思想,非常符合节能环保的科学发展思想。该机械手臂主要由仿人机械臂和灵巧机械手两部分组成。灵巧机械手一共有16个自由度,拥有5个手指和一个手掌。每个手指都包含3个被驱动关节,每个手指包含3个自由度,大拇指与手掌之间添加一个自由度。仿人机械臂则拥有6个自由度,在仿人的关节处皆添加有自由度,以实现所需的基本动作。设计制作过程中大量运用了增材制造技术(3D打印)、计算机辅助设计(CAD)等先进技术。使用结果表明:该机械手臂能够实现2kg有效载荷的抓取和灵巧运动。

变抓取力的欠驱动拟人机器人手

由于传统的灵巧手自由度过多,控制复杂,驱动和控制系统体积过大,因而无法用于拟人机器人上。该文设计了变抓取力的欠驱动拟人机器人手TH-1。其食指采用了新颖的变抓取力手指机构,可实现稳定抓取。其拇指采用了新型的欠驱动手指机构,可以用较少驱动器获得较多的自由度。TH-1手的电机、驱动与控制系统等完全嵌入手掌,在外观与尺寸上均与人手相似,具有质量小、自由度少、控制简单、结构紧凑、适应性强等特点。实验结果表明:TH-1手可成功安装于TH-1拟人机器人手臂,可完成常见伸展、握拳和以适当的力稳定抓取不同尺寸物体等拟人动作。该文研究的变抓取力机构和欠驱动机构也可应用于其他传动类型的手上。

Development of an underactuated prosthetic hand with the step motor

We present the development of a novel prosthetic hand based on the underactuated mechanism. The aim is focused on increasing its dexterity while keeping the same dimension and weight of a traditional prosthetic device. The hybrid step motor is used as the actuator, which enables the finger to keep enough high contact torque on the grasped object with less energy consumption provided by the holding torque. The grasping force of the finger is estimated from the base joint torque, and the adoption of impedance control has provided compliance in the grasping. Also a parallel observer is used to switch over between the impedance control and the torque holding mode. The experimental results show the effectiveness of the design and control strategy.