仿人机械手设计及其控制算法研究

发布时间：2020-05-16 12:48

【摘要】：受到传感技术、智能控制技术的限制,机器人在面对复杂、不确定的任务环境时无法根据需求自主地完成目标任务。现阶段人工智能的进步主要停留在计算智能的层面,计算机计算能力和数据处理算法的进步很好地解决了各种信息的问题,而在运动智能的层面依然有很多不足,机器人一般只完成固定任务,无法根据最终目标进行自主的规划运动。因此在弱人工智能到强人工智能的阶段,需要远程同步现实技术来进行过渡,由人来弥补当前机器人传感、决策、控制的不足。远程同步现实主要分为两个部分,同步即利用人体穿戴设备捕捉运动数据,现实即由一台仿人机械手来跟随人手动作,同时将所感受的压力数据反馈给穿戴设备。穿戴设备还有力反馈结构,将机械手的压力还原到人手。本文主要研究仿人机械手的结构设计、硬件电路设计、嵌入式软件设计、电机驱动控制以及仿人机械手的运动控制算法。文中所提到的仿人机械手包括机械手掌和机械手臂两个部分。仿人机械手结构设计采用CREO 5.0建模,使用MATLAB对机械手的运动学以及动力学进行仿真。采用STM32F4系列的MCU设计了小功率、小体积的永磁同步电机伺服驱动器。运用ADC与PWM同步采样,采集永磁同步电机的相电流,采样频率达到20kHz。使用MATLAB/Simulink中的S函数对电机进行了建模,采用磁场定向控制(FOC)的方式对电机进行控制。在电机驱动控制方面,对经典自抗扰控制(ADRC)进行了仿真分析,使用带遗忘因子的递推最小二乘法进行系统辨识,辨识结果引入系统前馈,并且将识别的系统参数结合已知系统部分模型的自抗扰控制对电机进行控制。最后使用旋量理论对仿人机械手进行了正逆运动学分析,将运动控制程序写入STM32F7主控制器中进行验证。本文使用嵌入式软件实现了上述电机控制算法,电机的位置控制、速度控制、电流控制均达到20kHz的控制频率,控制算法的运算时间缩减到20μs以内,位置控制动态跟踪精度达到±20脉冲以内(12位增量式编码器)。主控制器能够接收穿戴设备的无线串口信息,从而控制机械手实时同步人手姿态并反馈压力数据,同步控制周期为20ms。
【图文】：

PISA/IITSoftHand机械手

图1-2日本立命馆大学的机械手
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q811;TP241

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 张元兴;罗金良;何价来;;拟人机械手的研究与发展[J];现代机械;2013年06期

2 高志强;;自抗扰控制思想探究[J];控制理论与应用;2013年12期

3 王国彪;刘辛军;;初论现代数学在机构学研究中的作用与影响[J];机械工程学报;2013年03期

4 黄一;薛文超;;自抗扰控制:思想、应用及理论分析[J];系统科学与数学;2012年10期

5 潘孝业;胡挺;刘凤臣;高大牛;;基于PVDF的欠驱动多指手滑触觉硬件系统[J];机电工程;2012年03期

6 卜夺夺;周建军;马天文;;腱传动仿人手指机构的设计与分析[J];机电工程;2012年03期

7 刘亚军;黄田;;6R操作臂逆运动学分析与轨迹规划[J];机械工程学报;2012年03期

8 张晓光;孙力;赵克;;基于负载转矩滑模观测的永磁同步电机滑模控制[J];中国电机工程学报;2012年03期

9 兰陟;李振亮;李亚;;基于旋量理论的5-DOF上肢康复机器人雅克比矩阵求解[J];机械设计;2011年05期

10 李守忠;于靖军;宗光华;;基于旋量理论的并联柔性机构构型综合与主自由度分析[J];机械工程学报;2010年13期

相关博士学位论文 前1条

1 兰天;多指仿人机器人灵巧手的同步控制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

相关硕士学位论文 前3条

1 田凤娟;仿人机械臂的末端执行器的运动学与力学分析[D];河北工业大学;2015年

2 刘本德;基于D-H参数精确标定的工业机器人关节刚度辨识[D];天津大学;2014年

3 茅一春;肌电控制欠驱动仿人假肢手的设计[D];上海交通大学;2007年

，

本文编号：2666758