空间五指灵巧手控制系统设计

发布时间：2019-03-11 10:00

【摘要】：随着我国航天领域空间站项目的快速发展,宇航员的在轨操作任务越来越繁重,为了减轻宇航员的劳动强度,对智能机器人的需求越来越迫切,未来的航天任务将会由宇航员和机器人协同完成。传统的“夹钳式”末端操作工具的工作能力有限,远不能满足人机协同操作的需求。多指灵巧手的灵活性更高、工作能力更强、适应性更好,更适合复杂的航天任务。本文主要研究了空间五指灵巧手的控制系统设计,给出了灵巧手原理样机控制系统设计过程中采用的关键技术和遇到的主要难点。本文首先对比了国内外几种典型的灵巧手,在腱驱动和电机内置驱动方案中选择了更适合航天任务的腱驱动方案,并给出了空间五指灵巧手原理样机的主要参数。设计了空间五指灵巧手原理样机的各个子系统,推导了手腕的俯仰角和偏航角与丝杠位移的关系,对其进行了线性拟合;给出了N+1型全驱动和N型欠驱动方案的腱绳配置方法,推导了关节力矩与腱张力的对应关系;给出了关节角位置传感器的设计方法、标定过程和数据处理方法;选用合适的电机、驱动器和Twin CAT自动化软件实现了高速实时的多轴控制;给出了上位机软件和下位机软件的设计和架构。针对采用N+1型全驱动方案的手指,采用了D-H参数法来求解手指的运动学公式;针对腱绳的传力特点,用一种张力分配算法(TDA)来控制每根腱绳中的张力处于合理范围内,并用计算结果验证了张力分配算法的正确性;用阻抗控制算法控制指尖接触力的平滑变化;并用基于ADAMS虚拟样机的仿真实验验证了单指控制算法的可行性。针对采用N型欠驱动方案的手指,对其位置控制和关节力矩控制进行了详细分析,松弛区域的存在决定了欠驱动手指位置控制的不确定性,用基于ADAMS虚拟样机的仿真实验验证了位置控制的不确定性。遥操作实验和自主抓取实验验证了灵巧手控制系统的可行性,其中遥操作实验中腱的传力特性决定了灵巧手样机跟踪数据手套的运动时存在滞后。
[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.
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V44;TP242

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本文编号：2438190