【摘要】：機(jī)器人靈巧手是由單手指串聯(lián)機(jī)器人和指間并聯(lián)機(jī)器人組成的機(jī)器人系統(tǒng),是多領(lǐng)域的交叉技術(shù)的結(jié)合,包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、傳感器設(shè)計(jì)和軟件控制算法設(shè)計(jì)等。本文以HIT/DLR II靈巧手為本體,以國(guó)家科技部863課題“新一代五指仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抓取操作的研究”為背景,目的是設(shè)計(jì)一套通訊速度快,實(shí)時(shí)性好的靈巧手控制平臺(tái)。同時(shí),該平臺(tái)具有易于實(shí)現(xiàn)HIT/DLR II靈巧手復(fù)雜算法的特點(diǎn)。進(jìn)而,基于此實(shí)時(shí)性控制平臺(tái),以具體的抓取與操作任務(wù)為目標(biāo),提出一套可應(yīng)用于靈巧手實(shí)際抓取與操作的阻抗控制器算法策略。本文首先分析了靈巧手通訊的發(fā)展現(xiàn)狀,針對(duì)現(xiàn)有靈巧手通訊存在的問(wèn)題,結(jié)合HIT/DLR II靈巧手自身特點(diǎn),得出了Ether CAT總線(xiàn)是目前最適合本文設(shè)計(jì)HIT/DLR II靈巧手實(shí)時(shí)性通訊需求的結(jié)論。進(jìn)而,設(shè)計(jì)了一套HIT/DLR II靈巧手的Ehter CAT控制系統(tǒng)平臺(tái),具體包括Ether CAT從站硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì),FPGA從站Ether CAT軟件控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì),Ether CAT主站Twin CAT 3.1的PLC靈巧手函數(shù)控制層系統(tǒng)設(shè)計(jì),以及聯(lián)合Matlab/Simulink與Twin CAT 3結(jié)合的Simulink模塊算法調(diào)用設(shè)計(jì)。搭建了基于Ehter CAT通訊的HIT/DLR II靈巧手控制平臺(tái),為本文HIT/DLR II靈巧手動(dòng)力學(xué)的建模以及控制算法的實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)時(shí)性、可靠性的控制平臺(tái)。對(duì)于五指仿人靈巧手動(dòng)力學(xué)模型建模的精確性,有助于更準(zhǔn)確的對(duì)HIT/DLR II靈巧手進(jìn)行精確的位置控制、指尖輸出力控制、力與位置混合控制,以及主動(dòng)柔順控制。本文通過(guò)對(duì)笛卡爾空間下,手指參考坐標(biāo)系的討論,闡述了手指指尖位置、速度、角速度、加速度和角加速度之間的關(guān)系。以單指動(dòng)力學(xué)為前提,通過(guò)對(duì)雙指動(dòng)力學(xué)指間約束關(guān)系的討論,建立了HIT/DLR II靈巧手雙指的動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)而得到了靈巧手的多指動(dòng)力學(xué)模型。最后,基于Ether CAT三重中斷從站PDI設(shè)計(jì)方式,將基于乘子法建立的多指動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用到Ether CAT平臺(tái)中,從而確保所提出多指動(dòng)力學(xué)模型的可應(yīng)用性。本文針對(duì)HIT/DLR II靈巧手在等式約束條件下,首先對(duì)靈巧手手指在自由空間無(wú)約束的情況下,對(duì)單手指阻抗控制器解的存在性、充要條件、收斂性和收斂速度進(jìn)行了理論分析,進(jìn)而在靈巧手手指指間有約束的情況下,對(duì)外環(huán)阻抗控制器力優(yōu)化的充要條件和靈敏度進(jìn)行了理論分析,通過(guò)靈敏度函數(shù)得出了拉格朗日乘子*λ隨著靈敏度函數(shù)的增長(zhǎng)而遞減的變化率的結(jié)論。與精確懲罰函數(shù)法、障礙法相比較,基于拉格朗日乘子法算法設(shè)計(jì)的控制器,具有實(shí)時(shí)性更好、指尖力非線(xiàn)性規(guī)劃速度更快和魯棒性更強(qiáng)的特點(diǎn),所以HIT/DLR II靈巧手基于拉格朗日乘子法理論設(shè)計(jì)阻抗控制器。通過(guò)構(gòu)造增廣拉格朗日函數(shù)(,)k kkCLθλ,提出一套雙環(huán)阻抗控制器的指尖力優(yōu)化策略,從而設(shè)計(jì)一種具有等式約束的基于拉格朗日乘子法的阻抗控制器。對(duì)于HIT/DLR II靈巧手實(shí)際操作物體的情況,等式約束僅是一種特例,實(shí)際絕大多數(shù)情況是為了完成某種特定的任務(wù),從而指尖不等式約束更具有實(shí)用性。因此,本文最后針對(duì)不等式約束抓取問(wèn)題,提出了一套基于拉格朗日乘子法的不等式約束阻抗控制器設(shè)計(jì)策略,即包括了基于Broyden Fletcher Goldfarb Shanno(BFGS)法的無(wú)約束單指力優(yōu)化內(nèi)環(huán)算法和基于Karush Kuhn Tucker(KKT)法的有約束外環(huán)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于Ether CAT的HIT/DLR II靈巧手平臺(tái),可以達(dá)到高速、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定性好的操作效果。同時(shí),本文提出的不等式約束下的雙環(huán)阻抗控制算法,以具體的操作任務(wù)為目的,可以通過(guò)本文設(shè)計(jì)的Ether CAT平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)。最終,通過(guò)HIT/DLR II靈巧手穩(wěn)定抓取和靈巧操作實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文所提出策略的可實(shí)施性和有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2769641