仿人多指靈巧手及其操作控制

前言

近年來，具有多個(gè)關(guān)節(jié)的仿人多指靈巧手成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本書結(jié)合多指靈巧手的最新研究成果和發(fā)展趨勢(shì)，以作者近年來在仿人多指靈巧手及其操作控制領(lǐng)域取得的研究成果為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地論述仿人多指靈巧手及其操作控制的理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)，包括基于機(jī)電一體化思想的仿人多指靈巧手設(shè)計(jì)、多指操作規(guī)劃和操作控制等。本書的主要內(nèi)容如下：第1章介紹多指靈巧手的發(fā)展歷史、趨勢(shì)、代表性成果以及多指操作控制理論的研究概況。第2章以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和德國宇航中心聯(lián)合研制的仿人多指靈巧手為例，論述基于機(jī)電一體化思想的仿人多指手設(shè)計(jì)。第3章和第4章分別論述仿人多指手的傳感技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在傳感技術(shù)方面，重點(diǎn)論述基于MEMS的微型六維指尖力／力矩傳感器；在驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面，重點(diǎn)介紹自主研制的微型直線驅(qū)動(dòng)器和基于DSP／FPGA的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。第5章和第6章分別論述仿人多指手的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和多指手的抓取規(guī)劃。在多指操作運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，論述一種層次化的位形空間多指操作運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算方法；在抓取規(guī)劃方面，介紹一種基于E_ANFIS算法的抓取模型重構(gòu)方法和適用于步態(tài)操作的四指平面力封閉算法。第7章論述多指抓取力規(guī)劃和一種模塊化的靈巧操作控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在多指抓取力規(guī)劃方面，介紹一種基于抓取力向量形式的線性約束梯度流力規(guī)劃方法。第8章論述仿人多指靈巧手的手指控制方法，包括手指位置控制和柔順控制。最后，第9章介紹仿人多指靈巧手的遙操作技術(shù)。本書主要由劉宏和姜力撰寫并統(tǒng)稿。其中，何平、趙京東、李家煒和樊紹威參與了第1章的撰寫，何平、劉伊威、樊紹威和蘭天參與了第2章的撰寫，王嘉力、楊磊和樊紹威參與了第3章的撰寫，謝宗武和蘭天參與了第4章的撰寫，何平還參與了第5章的撰寫，樊紹威和李家煒參與了第6章的撰寫，楊磊參與了第8章的撰寫，胡海鷹和蔣再男參與了第9章的撰寫。本書相關(guān)的研究工作得到了以下項(xiàng)目的支持：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“機(jī)器人多指手的實(shí)時(shí)力優(yōu)化和自主操作控制的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：60675045）、“仿人機(jī)器人手局部自主操作的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：60275032）和“新一代仿人型殘疾人假手系統(tǒng)及理論的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：504.3 5040），國家"863”計(jì)劃項(xiàng)目“新一代五指仿人靈巧手及其協(xié)調(diào)控制的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2006AA042255）和“高性能仿人型假手”（項(xiàng)目編號(hào)：2009AA043803）等。金明河、高曉輝、李家煒、謝宗武、劉伊威、楊磊、何平、趙京東、胡海鷹、魏然、王濱、王捷、蔣再男、樊紹威、蘭天等參加了本書相關(guān)的研究工作。

內(nèi)容概要

仿人多指靈巧手是一個(gè)高度集成、高度智能化的機(jī)電一體化系統(tǒng)，對(duì)仿人多指靈巧手及其操作控制的研究不僅對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)和理論的研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對(duì)仿人多指靈巧手在空間機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、殘疾人假肢等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。    本書以哈爾濱工業(yè)大學(xué)與德國宇航中心聯(lián)合研制的HIT/DLR手為例，論述了仿人多指靈巧手的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、抓取規(guī)劃、力規(guī)劃和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、手指控制，以及遙操作技術(shù)。    本書可作為高校和科研院所機(jī)器人及機(jī)電一體化專業(yè)、自動(dòng)控制專業(yè)師生的參考書，也可以作為研究多指靈巧手及其相關(guān)技術(shù)的科研工作者的參考書。

書籍目錄

《21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)叢書》序前言第1章  緒論  1.1  引言  1.2  多指靈巧手的代表性成果  1.3  多指靈巧手的發(fā)展趨勢(shì)  1.4  多指抓取模型及抓取規(guī)劃    1.4.1  抓取靜力學(xué)    1.4.2  抓取約束和特性    1.4.3  抓取規(guī)劃  1.5  多指手控制綜述    1.5.1  手指的控制    1.5.2  多指控制  1.6  小結(jié)    參考文獻(xiàn)第2章  仿人多指手的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)  2.1  HIT/DLR Ⅰ手概況  2.2  機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)    2.2.1  基關(guān)節(jié)單元    2.2.2  手指單元  2.3  傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    2.3.1  關(guān)節(jié)力矩傳感器    2.3.2  電機(jī)位置傳感器    2.3.3  關(guān)節(jié)位置傳感器    2.3.4  六維指尖力/力矩傳感器    2.3.5  溫度傳感器  2.4  電氣系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)  2.5  控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)    2.5.1  微處理器系統(tǒng)    2.5.2  高速串行通信系統(tǒng)  2.6  控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)  2.7  HIT/DLR Ⅰ手的外觀設(shè)計(jì)    2.7.1  外包裝設(shè)計(jì)    2.7.2  機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)  2.8  手腕的設(shè)計(jì)  2.9  HIT/DLRⅡ手的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)    2.9.1  HIT/DLRⅡ五指手概述    2.9.2  HIT/DLRⅡ手的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)    2.9.3  HIT/DLRⅡ手的控制系統(tǒng)硬件    2.9.4  手掌構(gòu)形的擬人化設(shè)計(jì)  2.10  小結(jié)    參考文獻(xiàn)第3章  仿人多指手的傳感技術(shù)  3.1  機(jī)器人的外部傳感    3.1.1  視覺傳感器    3.1.2  測(cè)距傳感器    3.1.3  接近覺傳感器    3.1.4  觸覺傳感器    3.1.5  力/力矩傳感器  3.2  機(jī)器人的內(nèi)部傳感    3.2.1  規(guī)定位置的檢測(cè)    3.2.2  位置感知    3.2.3  速度和角速度的檢測(cè)    3.2.4  加速度的檢測(cè)  3.3  HIT/DLR手的關(guān)節(jié)位置和速度檢測(cè)    3.3.1  原理    3.3.2  電機(jī)位置和速度的計(jì)算    3.3.3  關(guān)節(jié)位置的檢測(cè)  3.4  微型五維指尖力/力矩傳感器    3.4.1  多維力傳感器研究概述    3.4.2  微型五維力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)    3.4.3  微型五維力傳感器的信號(hào)處理電路  3.5  基于MEMS的微型六維指尖力/力矩傳感器    3.5.1  全平面的彈性體結(jié)構(gòu)    3.5.2  基于MEMS的薄膜電阻應(yīng)變計(jì)    3.5.3  基于DSP的傳感器信號(hào)處理電路和微處理器電路  3.6  微型六維力/力矩傳感器的靜態(tài)解耦    3.6.1  基于最小二乘的靜態(tài)解耦    3.6.2  基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的靜態(tài)解耦    3.6.3靜態(tài)解耦實(shí)驗(yàn)  3.7  指尖觸覺傳感器    3.7.1  壓阻式觸覺傳感器的原理    3.7.2  觸覺傳感器的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  3.8  小結(jié)    參考文獻(xiàn)第4章  仿人多指手的驅(qū)動(dòng)技術(shù)  4.1  機(jī)器人靈巧手驅(qū)動(dòng)技術(shù)概述    4.1.1  驅(qū)動(dòng)器    4.1.2  傳動(dòng)系統(tǒng)  4.2  微型直線驅(qū)動(dòng)器    4.2.1  直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)概況    4.2.2  微型直線驅(qū)動(dòng)器的原理利組成    4.2.3  微型直線驅(qū)動(dòng)器的電路    4.2.4  微型直線驅(qū)動(dòng)器的數(shù)學(xué)模型    4.2.5  微型直線驅(qū)動(dòng)器的滑模位置控制器設(shè)計(jì)    4.2.6  微型直線驅(qū)動(dòng)器的位置控制  4.3  HIT/DLRⅡ手的內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)    4.3.1  基于DSP/FPGA的驅(qū)動(dòng)控制電路    4.3.2  相電流檢測(cè)電路    4.3.3  電源系統(tǒng)  4.4  小結(jié)    參考文獻(xiàn)第5章  仿人多指手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)  5.1  手指運(yùn)動(dòng)學(xué)    5.1.1  位置運(yùn)動(dòng)學(xué)    5.1.2  微分運(yùn)動(dòng)學(xué)  5.2  手指靜力學(xué)  5.3  多指操作運(yùn)動(dòng)學(xué)    5.3.1  物體運(yùn)動(dòng)學(xué)    5.3.2  手掌運(yùn)動(dòng)學(xué)    5.3.3  接觸運(yùn)動(dòng)學(xué)    5.3.4  通用形式的多指操作運(yùn)動(dòng)學(xué)  5.4  平面抓取時(shí)多指操作運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算實(shí)例    5.4.1  虛擬指節(jié)    5.4.2  封閉的運(yùn)動(dòng)鏈    5.4.3  運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算  5.5  手指動(dòng)力學(xué)    5.5.1  應(yīng)用迭代的Newton-Euler算法求解手指連桿動(dòng)力學(xué)    5.5.2  腱傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)    5.5.3  基關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)    5.5.4  手指動(dòng)力學(xué)方程  5.6  小結(jié)    參考文獻(xiàn)第6章  仿人多指手的抓取規(guī)劃  6.1  抓取模型的數(shù)學(xué)描述    6.1.1  最佳抓取平面    6.1.2  抓取模型的構(gòu)建  6.2  E-ANFIS模型的框架及建模    6.2.1  自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)    6.2.2  前件專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及知識(shí)表示形式    6.2.3  E-ANFIS模型的結(jié)構(gòu)  6.3  基于E-ANFIS的抓取模型的構(gòu)建  6.4  一種四指力封閉抓取算法    6.4.1  力封閉算法的通用性證明    6.4.2  力封閉算法的描述  6.5  多指手的抓取規(guī)劃實(shí)驗(yàn)    6.5.1  E-ANFIS模型的訓(xùn)練    6.5.2  靈巧手抓取操作的流程    6.5.3  模型重構(gòu)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果    6.5.4  四指力封閉算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果  6.6  小結(jié)    參考文獻(xiàn)第7章  多指抓取的力規(guī)劃和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)  7.1  多指抓取力規(guī)劃概述  7.2  基于線性約束梯度流的多指力優(yōu)化算法  7.3  改進(jìn)的線性約束梯度流力優(yōu)化算法    7.3.1  理論依據(jù)    7.3.2  改進(jìn)的線性約束梯度流算法    7.3.3  初值的給定方法  7.4  抓取力優(yōu)化的計(jì)算實(shí)例  7.5  靈巧操作控制系統(tǒng)    7.5.1  多指手控制結(jié)構(gòu)綜述    7.5.2  模塊化的靈巧操作控制系統(tǒng)    7.5.3  模塊化的靈巧操作控制系統(tǒng)的組成  7.6  自主抓取策略    7.6.1  時(shí)間驅(qū)動(dòng)的自主抓取策略    7.6.2  時(shí)間-事件混合驅(qū)動(dòng)的自主抓取策略  7.7  柔順運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器    7.7.1  混合外力控制    7.7.2  混合外力控制器的設(shè)計(jì)    7.7.3  混合外力控制器的性能分析和改進(jìn)    7.7.4  混合外力控制器的仿真  7.8  小結(jié)    參考文獻(xiàn)第8章  仿人多指手的手指控制  8.1  HIT/DLR手的空間變換  8.2  關(guān)節(jié)位置控制    8.2.1  摩擦力及其補(bǔ)償    8.2.2  具有摩擦力補(bǔ)償?shù)年P(guān)節(jié)位置PID控制算法    8.2.3  關(guān)節(jié)位置控制系統(tǒng)    8.2.4  關(guān)節(jié)位置控制實(shí)驗(yàn)  8.3  關(guān)節(jié)的沖擊控制和力矩控制    8.3.1  沖擊控制和力控制方法的綜述    8.3.2  基于事件的并行位置/力矩控制  8.4  關(guān)節(jié)的阻抗控制    8.4.1  基于位置的關(guān)節(jié)阻抗控制系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)    8.4.2  目標(biāo)阻尼對(duì)阻抗控制系統(tǒng)過渡過程的影響  8.5  手指的笛卡兒位置控制  8.6  手指的笛卡兒阻抗控制    8.6.1  坐標(biāo)變換    8.6.2  手指的笛卡兒阻抗控制算法    8.6.3  手指的笛卡兒阻抗控制實(shí)驗(yàn)  8.7  小結(jié)    參考文獻(xiàn)第9章  仿人多指手的遙操作  9.1  多指手遙操作技術(shù)概述    9.1.1  臨場(chǎng)感遙操作技術(shù)    9.1.2  時(shí)延遙操作技術(shù)  9.2  具有臨場(chǎng)感的多指手遙操作    9.2.1  臨場(chǎng)感多指手遙操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)    9.2.2  具有臨場(chǎng)感的多指手遙操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)    9.2.3  臨場(chǎng)感多指手遙操作實(shí)驗(yàn)  9.3  基于虛擬現(xiàn)實(shí)的時(shí)延遙操作    9.3.1  基于虛擬現(xiàn)實(shí)的時(shí)延遙操作概況    9.3.2  基于虛擬現(xiàn)實(shí)的時(shí)延遙操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)    9.3.3  基于虛擬現(xiàn)實(shí)的時(shí)延遙操作實(shí)驗(yàn)  9.4  小結(jié)    參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.3 多指靈巧手的發(fā)展趨勢(shì)多指靈巧手從假肢起源，經(jīng)歷了幾代的發(fā)展，現(xiàn)在已進(jìn)入相對(duì)成熟的發(fā)展階段。機(jī)器人靈巧手是一個(gè)高度集成化、智能化的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。隨著相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，多指靈巧手呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢(shì)：（1）靈巧手的自由度配置、尺寸、外觀和運(yùn)動(dòng)特性更加擬人化。（2）驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置成為靈巧手的主流，并且機(jī)構(gòu)、傳感、驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)高度集成。（3）具有位置、力（力矩）、觸覺和溫度等多種感知功能。（4）控制器的功能更加豐富，計(jì)算能力更加強(qiáng)大，為靈巧操作提供了有力的硬件支持。1.4 多指抓取模型及抓取規(guī)劃根據(jù)人手的操作經(jīng)驗(yàn)，Napier。把多指手與物體之間的抓取方式分為兩種：強(qiáng)力抓?。╬owergrasp，又稱手掌抓取）和精確抓?。╬recisiongrasp，又稱指尖抓?。Ｓ捎趶?qiáng)力抓取情況下運(yùn)動(dòng)和力的分析與控制非常復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者大多針對(duì)精確抓取進(jìn)行研究。目前，采用精確抓取方式實(shí)現(xiàn)任意形狀物體的自動(dòng)抓取距離實(shí)用化還有很大的距離，主要的制約因素包括：①接觸點(diǎn)布局的自動(dòng)生成；②抓取模式的自動(dòng)生成；③抓取力的自動(dòng)生成；④協(xié)調(diào)操作策略的選擇等。本節(jié)對(duì)多指抓取的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。1.4.1 抓取靜力學(xué)抓取靜力學(xué)研究多指抓取系統(tǒng)中手指與物體的接觸力與物體受力之間的關(guān)系。手指與物體之間的接觸可以看成手指施加在接觸點(diǎn)上的力與物體上某參考點(diǎn)的合力之間的一種映射，多指抓取系統(tǒng)如圖1.1 4所示。

編輯推薦

《仿人多指靈巧手及其操作控制》由科學(xué)出版社出版。

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