【摘要】：隨著我國航天領域空間站項目的快速發(fā)展,宇航員的在軌操作任務越來越繁重,為了減輕宇航員的勞動強度,對智能機器人的需求越來越迫切,未來的航天任務將會由宇航員和機器人協(xié)同完成。傳統(tǒng)的“夾鉗式”末端操作工具的工作能力有限,遠不能滿足人機協(xié)同操作的需求。多指靈巧手的靈活性更高、工作能力更強、適應性更好,更適合復雜的航天任務。本文主要研究了空間五指靈巧手的控制系統(tǒng)設計,給出了靈巧手原理樣機控制系統(tǒng)設計過程中采用的關鍵技術和遇到的主要難點。本文首先對比了國內外幾種典型的靈巧手,在腱驅動和電機內置驅動方案中選擇了更適合航天任務的腱驅動方案,并給出了空間五指靈巧手原理樣機的主要參數。設計了空間五指靈巧手原理樣機的各個子系統(tǒng),推導了手腕的俯仰角和偏航角與絲杠位移的關系,對其進行了線性擬合;給出了N+1型全驅動和N型欠驅動方案的腱繩配置方法,推導了關節(jié)力矩與腱張力的對應關系;給出了關節(jié)角位置傳感器的設計方法、標定過程和數據處理方法;選用合適的電機、驅動器和Twin CAT自動化軟件實現了高速實時的多軸控制;給出了上位機軟件和下位機軟件的設計和架構。針對采用N+1型全驅動方案的手指,采用了D-H參數法來求解手指的運動學公式;針對腱繩的傳力特點,用一種張力分配算法(TDA)來控制每根腱繩中的張力處于合理范圍內,并用計算結果驗證了張力分配算法的正確性;用阻抗控制算法控制指尖接觸力的平滑變化;并用基于ADAMS虛擬樣機的仿真實驗驗證了單指控制算法的可行性。針對采用N型欠驅動方案的手指,對其位置控制和關節(jié)力矩控制進行了詳細分析,松弛區(qū)域的存在決定了欠驅動手指位置控制的不確定性,用基于ADAMS虛擬樣機的仿真實驗驗證了位置控制的不確定性。遙操作實驗和自主抓取實驗驗證了靈巧手控制系統(tǒng)的可行性,其中遙操作實驗中腱的傳力特性決定了靈巧手樣機跟蹤數據手套的運動時存在滯后。
[Abstract]:With the rapid development of space station project in the space field of our country, the operation task of astronauts in orbit becomes more and more onerous. In order to reduce the labor intensity of astronauts, the demand for intelligent robot becomes more and more urgent. Future spaceflight missions will be carried out by astronauts and robots in collaboration. The traditional "clamp-type" terminal operation tool has limited working ability, which is far from satisfying the requirement of man-machine cooperation operation. Multi-finger dexterous hands are more flexible, able to work, more adaptable, and more suitable for complex space missions. In this paper, the control system design of the spatial five-finger dexterous hand is mainly studied, and the key techniques and the main difficulties in the design of the control system of the dexterous hand's principle prototype are given. In this paper, several typical dexterous hands at home and abroad are compared, and the tendon driving scheme is selected in the tendon drive and motor drive scheme, and the main parameters of the principle prototype of the space five-finger dexterous hand are given. Each subsystem of the principle prototype of the spatial five-finger dexterous hand is designed. The relationship between the pitch angle and the yaw angle of the wrist and the displacement of the lead screw is deduced, and the linear fitting is carried out. The configuration method of the tendon rope for the N _ 1 full-drive and N-type underactuated schemes is given, the corresponding relationship between joint torque and tendon tension is deduced, and the design method, calibration process and data processing method of joint angle position sensor are given. The high-speed and real-time multi-axis control is realized by selecting suitable motor, driver and Twin CAT automation software, and the design and structure of the upper computer software and the lower computer software are given. Aiming at the finger with N 1 type full drive scheme, the D H parameter method is used to solve the kinematics formula of the finger. According to the force transmission characteristics of tendinous rope, a tension allocation algorithm (TDA) is used to control the tension of each tendinous rope in a reasonable range, and the correctness of the tension allocation algorithm is verified by the calculation results. The smooth change of finger contact force is controlled by impedance control algorithm, and the feasibility of single finger control algorithm is verified by simulation experiment based on ADAMS virtual prototype. The position control and joint moment control of the finger with N-type underactuated scheme are analyzed in detail. The uncertainty of under-driven finger position control is determined by the existence of relaxation region. The uncertainty of position control is verified by simulation experiments based on ADAMS virtual prototype. The feasibility of the dexterous hand control system is verified by the teleoperation experiment and the autonomous grab experiment, in which the force transfer characteristic of the tendon determines the lag in tracking the movement of the data glove by the dexterous hand prototype.
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V44;TP242

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本文編號：2438190