空间机器人多自由度灵巧手关键技术研究
发布时间：2021-10-19 00:15
具有多感知功能的仿人灵巧手作为机器人的末端执行机构,是仿生机器人领域的一个重要的研究方向。本课题来源于中国运载火箭技术研究院第十八研究所自筹的预研项目“空间机器人多自由度灵巧手关键技术研究”,立足于宇航空间机器人在微重力环境中对固定或进行漂浮运动的目标进行定位抓取、卫星燃料的加注以及针对废弃飞行器中有价值零部件的拆卸等空间在轨服务的任务需求,设计一套具有多种感知功能、抓握力大、稳定性高、运动精准的仿人灵巧机械手,并与十八所自主研制成功的空间机械臂相结合,从而实现“空间机械臂-仿人灵巧手”在宇宙微重力环境中进行精细作业的能力。本文的研究意义在于:具有多种感知功能的灵巧手及其智能抓取操作的研究,可以增强空间机器人在外太空微重力环境等极端条件下完成精确定位及稳定抓取等精细作业的能力,提高空间机器人系统的智能化水平,对空间机器人、危险环境下的精密操作和高级服务机器人等领域将产生重要的影响。人手是经过自然环境的考验而进化成的最灵活、最精巧的末端执行机构。为了使空间机器人能够完全替代宇航员出舱来完成复杂的操作任务,要求机器人的灵巧手具有与人手结构相似的比例、大小以及活动能力,这将由机械本体结构、精...
【文章来源】：中国运载火箭技术研究院北京市
【文章页数】：202 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 空间机器人的太空在轨服务研究发展现状
1.2.2 多自由度多指灵巧手的研究发展现状
1.2.3 机器人多自由度多指灵巧手的推广应用
1.2.4 多维力传感器研究发展现状
1.2.5 机器人柔顺控制技术研究发展现状
1.3 技术路线及多方案对比分析
1.3.1 技术路线
1.3.2 灵巧手多方案结构设计对比分析
1.3.2.1 方案一单腱式弹性欠驱动多指灵巧手
1.3.2.2 方案二连杆驱动式多指灵巧手
1.3.2.3 方案三微机电高度集成的模块化多指灵巧手
1.3.2.4 方案四NASA Robonaut2(机器人宇航员2号)灵巧手
1.3.2.5 国内外具有代表性的灵巧手各项指标对比
1.4 课题来源及主要研究内容
1.4.1 课题来源及意义
1.4.2 学位论文的主要研究内容
第二章 CALT-18仿人灵巧手总体系统
2.1 引言
2.2 CALT-18仿人灵巧手本体机械系统
2.2.1 手指结构设计
2.2.2 手掌结构设计
2.2.3 手腕及手臂结构设计
2.2.4 手指关节及手腕关节驱动机构设计
2.2.5 灵巧手传动腱的设计
2.2.6 手指关节轴承及润滑设计
2.2.7 小结
2.3 CALT-18仿人灵巧手驱动系统
2.3.1 CALT-18仿人灵巧手的驱动器
2.3.2 CALT-18仿人灵巧手的传动系统
2.4 CALT-18仿人灵巧手传感系统
2.4.1 微型指尖二维力传感器
2.4.2 关节微型角位移传感器
2.4.3 指关节微型六维力/力矩传感器
2.5 CALT-18仿人灵巧手电气及控制系统
2.6 本章小结
第三章 单手指差动机构运动学建模
3.1 引言
3.2 正运动学分析
3.3 逆运动学分析
3.4 机器人微分运动学及速度分析
3.5 手指静力学分析
3.6 手指关节运动学分析
3.7 手指根关节运动学分析
3.8 灵巧手腕关节运动学分析
3.8.1 俯仰运动
3.8.2 侧摆运动
3.9 本章小结
第四章 单手指机构动力学建模方法研究
4.1 引言
4.2 指尖输出力分析
4.3 基于等效元素集成理论的单手指动力学建模方法
4.4 直流无刷电机动力学模型
4.5 关节的摩擦力学特性
4.6 基于有限元灵巧手单手指结构静力学分析
4.7 基于ADAMS和Simulink的灵巧手系统动力学联合仿真
4.7.1 引言
4.7.2 灵巧手物理模型的建立
4.7.3 基于Simulink的电机动力学分析
4.7.4 基于ADAMS和Simulink的灵巧手动力学联合仿真
4.7.5 结论
4.8 本章小结
第五章 仿人灵巧手传感系统研究
5.1 引言
5.2 灵巧手指尖微型二维力传感器研究
5.2.1 引言
5.2.2 设计要求及技术指标
5.2.3 指尖微型二维力传感器机械系统设计
5.2.4 二维力传感器信号调理电路设计
5.2.5 微型二维力传感器输出特性分析
5.2.6 结论
5.3 灵巧手指关节微型角位移传感系统研究
5.3.1 引言
5.3.2 霍尔元件的工作原理
5.3.3 非接触式的微型角位移传感系统设计
5.3.4 角位移传感系统输出特性分析
5.3.5 结论
5.4 灵巧手指关节微型六维力传感器研究
5.4.1 引言
5.4.2 六维力/力矩传感器弹性体结构设计
5.4.3 弹性体结构强度分析
5.4.4 弹性体空间受力应变分析
5.4.5 测量桥路设计及标定方法
5.4.6 六维力/力矩传感器信号调理及放大电路设计
5.4.7 结论
5.5 本章小结
第六章 灵巧手电气及控制系统研究
6.1 引言
6.2 系统要求
6.3 灵巧手总体电气系统设计
6.4 灵巧手通讯系统设计
6.5 软件控制平台设计
6.6 电源系统设计
6.7 灵巧手控制系统设计
6.7.1 笛卡尔空间基于位置的阻抗控制
6.7.2 笛卡尔空间基于指尖力的阻抗控制
6.7.3 灵巧手单手指阻抗控制实验
6.8 本章小结
第七章 灵巧手多指抓持运动学规划及仿真研究
7.1 引言
7.2 多指抓持的运动学性质
7.3 多指操作系统活动性分析
7.4 滚动操作运动分析及物体运动轨迹跟踪
7.5 仿人灵巧手多指抓持运动学仿真实验
7.6 本章小结
第八章 灵巧手多指操作及抓取实验研究
8.1 单手指关节运动实验
8.2 手腕关节运动实验
8.3 灵巧手多指同步联动实验
8.4 灵巧手力封闭抓取实验
8.5 本章小结
第九章 结论
参考文献
附录A 基于等效元素集成法单手指动力学建模
攻读博士学位期间发表学术论文情况
致谢
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型工业机器人六维力传感器设计研究[J]. 赵克转,徐泽宇. 传感器与微系统. 2015(05)
[2]整体预紧式六维力传感器动态特性分析[J]. 姚建涛,孙锟,李立建,许允斗,赵永生. 仪器仪表学报. 2014(05)
[3]Stewart六维力传感器优化设计[J]. 盖广洪,高波. 传感器与微系统. 2014(03)
[4]并联预紧式六维力传感器动态力响应分析[J]. 王志军,姚建涛,王航,侯雨雷,赵永生. 机器人. 2011(04)
[5]中国载人航天发展回顾及未来设想——2010年空间环境与材料科学论坛大会讲话[J]. 戚发轫. 航天器环境工程. 2011(01)
[6]基于联合仿真技术的主动悬架自适应模糊PID控制研究[J]. 陈黎卿,陈无畏,郑泉,王继先. 系统仿真学报. 2008(05)
[7]伸向太空的巨臂[J]. 邓伟. 太空探索. 2003(09)
[8]自由飞行空间机器人研究综述[J]. 柳长安,李国栋,吴克河,洪炳熔. 机器人. 2002(04)
[9]EMR系统机器人运动学和工作空间的分析[J]. 黄献龙,梁斌,陈建新,吴宏鑫. 控制工程. 2000(03)
[10]加拿大为国际空间站建造机械臂[J]. 丹宁. 中国航天. 1998(04)
本文编号：3443781
【文章来源】：中国运载火箭技术研究院北京市
【文章页数】：202 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 空间机器人的太空在轨服务研究发展现状
1.2.2 多自由度多指灵巧手的研究发展现状
1.2.3 机器人多自由度多指灵巧手的推广应用
1.2.4 多维力传感器研究发展现状
1.2.5 机器人柔顺控制技术研究发展现状
1.3 技术路线及多方案对比分析
1.3.1 技术路线
1.3.2 灵巧手多方案结构设计对比分析
1.3.2.1 方案一单腱式弹性欠驱动多指灵巧手
1.3.2.2 方案二连杆驱动式多指灵巧手
1.3.2.3 方案三微机电高度集成的模块化多指灵巧手
1.3.2.4 方案四NASA Robonaut2(机器人宇航员2号)灵巧手
1.3.2.5 国内外具有代表性的灵巧手各项指标对比
1.4 课题来源及主要研究内容
1.4.1 课题来源及意义
1.4.2 学位论文的主要研究内容
第二章 CALT-18仿人灵巧手总体系统
2.1 引言
2.2 CALT-18仿人灵巧手本体机械系统
2.2.1 手指结构设计
2.2.2 手掌结构设计
2.2.3 手腕及手臂结构设计
2.2.4 手指关节及手腕关节驱动机构设计
2.2.5 灵巧手传动腱的设计
2.2.6 手指关节轴承及润滑设计
2.2.7 小结
2.3 CALT-18仿人灵巧手驱动系统
2.3.1 CALT-18仿人灵巧手的驱动器
2.3.2 CALT-18仿人灵巧手的传动系统
2.4 CALT-18仿人灵巧手传感系统
2.4.1 微型指尖二维力传感器
2.4.2 关节微型角位移传感器
2.4.3 指关节微型六维力/力矩传感器
2.5 CALT-18仿人灵巧手电气及控制系统
2.6 本章小结
第三章 单手指差动机构运动学建模
3.1 引言
3.2 正运动学分析
3.3 逆运动学分析
3.4 机器人微分运动学及速度分析
3.5 手指静力学分析
3.6 手指关节运动学分析
3.7 手指根关节运动学分析
3.8 灵巧手腕关节运动学分析
3.8.1 俯仰运动
3.8.2 侧摆运动
3.9 本章小结
第四章 单手指机构动力学建模方法研究
4.1 引言
4.2 指尖输出力分析
4.3 基于等效元素集成理论的单手指动力学建模方法
4.4 直流无刷电机动力学模型
4.5 关节的摩擦力学特性
4.6 基于有限元灵巧手单手指结构静力学分析
4.7 基于ADAMS和Simulink的灵巧手系统动力学联合仿真
4.7.1 引言
4.7.2 灵巧手物理模型的建立
4.7.3 基于Simulink的电机动力学分析
4.7.4 基于ADAMS和Simulink的灵巧手动力学联合仿真
4.7.5 结论
4.8 本章小结
第五章 仿人灵巧手传感系统研究
5.1 引言
5.2 灵巧手指尖微型二维力传感器研究
5.2.1 引言
5.2.2 设计要求及技术指标
5.2.3 指尖微型二维力传感器机械系统设计
5.2.4 二维力传感器信号调理电路设计
5.2.5 微型二维力传感器输出特性分析
5.2.6 结论
5.3 灵巧手指关节微型角位移传感系统研究
5.3.1 引言
5.3.2 霍尔元件的工作原理
5.3.3 非接触式的微型角位移传感系统设计
5.3.4 角位移传感系统输出特性分析
5.3.5 结论
5.4 灵巧手指关节微型六维力传感器研究
5.4.1 引言
5.4.2 六维力/力矩传感器弹性体结构设计
5.4.3 弹性体结构强度分析
5.4.4 弹性体空间受力应变分析
5.4.5 测量桥路设计及标定方法
5.4.6 六维力/力矩传感器信号调理及放大电路设计
5.4.7 结论
5.5 本章小结
第六章 灵巧手电气及控制系统研究
6.1 引言
6.2 系统要求
6.3 灵巧手总体电气系统设计
6.4 灵巧手通讯系统设计
6.5 软件控制平台设计
6.6 电源系统设计
6.7 灵巧手控制系统设计
6.7.1 笛卡尔空间基于位置的阻抗控制
6.7.2 笛卡尔空间基于指尖力的阻抗控制
6.7.3 灵巧手单手指阻抗控制实验
6.8 本章小结
第七章 灵巧手多指抓持运动学规划及仿真研究
7.1 引言
7.2 多指抓持的运动学性质
7.3 多指操作系统活动性分析
7.4 滚动操作运动分析及物体运动轨迹跟踪
7.5 仿人灵巧手多指抓持运动学仿真实验
7.6 本章小结
第八章 灵巧手多指操作及抓取实验研究
8.1 单手指关节运动实验
8.2 手腕关节运动实验
8.3 灵巧手多指同步联动实验
8.4 灵巧手力封闭抓取实验
8.5 本章小结
第九章 结论
参考文献
附录A 基于等效元素集成法单手指动力学建模
攻读博士学位期间发表学术论文情况
致谢
附件
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型工业机器人六维力传感器设计研究[J]. 赵克转,徐泽宇. 传感器与微系统. 2015(05)
[2]整体预紧式六维力传感器动态特性分析[J]. 姚建涛,孙锟,李立建,许允斗,赵永生. 仪器仪表学报. 2014(05)
[3]Stewart六维力传感器优化设计[J]. 盖广洪,高波. 传感器与微系统. 2014(03)
[4]并联预紧式六维力传感器动态力响应分析[J]. 王志军,姚建涛,王航,侯雨雷,赵永生. 机器人. 2011(04)
[5]中国载人航天发展回顾及未来设想——2010年空间环境与材料科学论坛大会讲话[J]. 戚发轫. 航天器环境工程. 2011(01)
[6]基于联合仿真技术的主动悬架自适应模糊PID控制研究[J]. 陈黎卿,陈无畏,郑泉,王继先. 系统仿真学报. 2008(05)
[7]伸向太空的巨臂[J]. 邓伟. 太空探索. 2003(09)
[8]自由飞行空间机器人研究综述[J]. 柳长安,李国栋,吴克河,洪炳熔. 机器人. 2002(04)
[9]EMR系统机器人运动学和工作空间的分析[J]. 黄献龙,梁斌,陈建新,吴宏鑫. 控制工程. 2000(03)
[10]加拿大为国际空间站建造机械臂[J]. 丹宁. 中国航天. 1998(04)
本文编号：3443781
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3443781.html
