具有力感知功能水下灵巧手的研究

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1、具有力感知功能的水下灵巧手研究摘要随着水下机器人在探测、打捞、管线检测与修复等应用领域的不断延伸，对水下机器人的精细作业水平提出了越来越高的要求，具有感知功能的水下灵巧手的研制和开发逐渐受到各国机器人研究者的重视。本课题来源于黑龙江省自然科学基金项目“水下机器人多指灵巧手基础技术研究”项目。在项目中，对具有力感知功能的水下三指灵巧手关键技术进行研究。目的是开发出一种能安装到水下机器人手臂上且通用性比较强的多功能手爪，与机器人手臂配合使用以扩大机器人的作业范围。对提高水下机器人作业能力，实现作业的智能化，具有重要的理论

2、意义和实用价值。在海洋开发中具有广阔的应用前景。论文综述了国内外灵巧手、水下机械手爪、力感知技术和力控制技术等相关领域的研究现状。文中参考非水环境灵巧手的设计经验，考虑灵巧手使用的具体环境，提出了具有九个自由度的三指水下灵巧手的总体方案，包括机械本体结构、传感器系统和控制系统。设计了手指的密封结构，并分析了该种方式的效率。通过对结构参数的优化设计使水下灵巧手的结构更趋合理性，最大限度提高水下灵巧手的作业能力。设计了包括关节位置、指尖力和视觉的传感器系统。根据仿生学原理设计了基于CAN总线的分布式控制系统，在保证实时性

3、要求的前提下，提高系统的可靠性、易维护性。指尖力传感器是水下灵巧手实现力封闭控制，完成智能抓取的关键因素，用于检测手指与物体之间作用力的大小和作用点的位置。针对水下环境的特殊性，进行水下指尖力传感器的结构设计，并采用弹性力学建立了精确的数学模型，最后采用有限元方法验证该数学模型是精确有效的，并且从结果分析可知，该数学模型的精度远优于使用材料力学所建立的数学模型精度。该数学模型对圆筒式多维力传感器的主动设计具有重要的意义。运动学模型和动力学模型是机器人控制的必然要素。文中针对水下灵巧手的具体结构，进行手指运动学分析，建

4、立了运动学模型。水下灵巧手用于水下环境，作业时必将受水环境的影响，其动力学模型非常复杂。文中在作相关假设的前提下，考虑水阻力、附加质量力等的影响，建立了较为精确的水下灵巧手手指动力学模型，并对其进行仿真，分析了水环境对手指运动的哈尔滨工程大学博士学位论文影响。使水下灵巧手能够真正灵巧地进行各种精细操作，控制方法的设计尤为重要。水下灵巧手精确作业主要是在约束空间的柔顺力控制，由于手指动力学模型精度问题和物体模型不确定性，使柔顺力控制面临较大的困难。文中在分析传统阻抗控制方法的基础上，介绍了位置型神经网络阻抗控制方法。基

5、于指尖力传感器，提出了物体刚度和物体位置不确定情况下神经网络补偿策略，对位置型神经网络阻抗控制结构进行调整，并进行了仿真研究。结果表明，修正后的位置型神经网络阻抗控制方法具有较强的鲁棒性，适用于水下灵巧手的力控制系统。最后基于水下灵巧手总体方案，研制了水下灵巧手原理样机，建立了完整的水下灵巧手原理样机实验系统。对灵巧手的关节特性、位置控制、力控制和抓取能力进行实验研究。结果显示设计的水下灵巧手可实现较多的人手功能，提出的控制策略适用于水下灵巧手的控制系统。关键词：水下灵巧手：水下指尖力传感器；水下机器人动力学；阻抗控

6、制具有力感知功能的水下灵巧手研究Abstract．withtheextensionoftheapplicationareaoftheunderwaterrobotlnexploration，salvage，pipedetection，repairactivities，andSOon，itshowshigherandhigherrequirementsforthedelicateoperationoftherobot．Thus，manyrobotresearchersofdifferentcountriesarepay

7、ingattentiontothedevelopmentofallunderwaterdexteroushandwithsensefimction．ThepmjectisfimdedbyHeilongjiangNaturalScienceFoundation，whichis“Theresearchonthebasictechnologyofunderwatermulti—fingereddexterousrobothand’iInthisproject，thekeytechnologiesoftheunderwate

8、rdexteroushandwithforcesensearestudied．Theaimistodevelopamultifunctionhandfixedontheunderwaterrobotarm，whichcanenlargetheoperationareawhilecooperatingwiththearm．Ithasgreatth