仿人六指刚柔软耦合机械手设计与实验研究

作     者：权家乐 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李隆球

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：仿人机械手 六指机械手 气动控制 额外指 刚柔软耦合 

摘      要：仿人机械手具有与人手功能部分相似的灵巧性,在航天、医疗、工业及日常生活领域都得到了广泛应用。本文在分析国内外仿人机械手的基础上,以提高仿人机械手的复杂操作能力为目的,通过对正常五指人手和特殊六指人手解剖学结构和关节运动学模型的研究,提出一种仿人六指机械手,该机械手额外指掌指关节具有与拇指掌指关节相类似的球形运动空间,从而起到“第二拇指的作用。进而将六根机械手指分为两组,拇指、无名指与小指和额外指、食指与中指,两组三指机械手配合工作,可以执行一组三指握紧操作面板,另一组三指使用触屏笔点击操作面板上的指令;一组三指夹持导线,另一组三指使用剪刀剪断导线等手内操作两个物体配合运动任务,这通常需要两只五指及以下机械手来共同完成。本文仿生人手关节的刚柔软耦合(刚性骨骼-柔性韧带-软体肌腱)结构,提出了一种具有相似结构的刚柔软耦合关节,融合了刚-柔耦合及软体机械手的优势特征,建立了该刚柔软耦合关节的仿真模型,通过仿真计算和实验研究了该刚柔软耦合关节的机械特性,为后续结构优化和控制奠定了理论基础。本文在气动软驱动器的理论研究基础上,设计了一种纤维约束软驱动器,通过理论分析、仿真计算和实验对纤维约束软驱动器进行了研究,同时分析了内腔结构参数和纤维约束对软驱动器气动特性的影响,为纤维约束软驱动器的设计和应用提供了参考。在气动软驱动器制作工艺研究的基础上,通过模块化设计,进行了刚柔软耦合关节制作工艺研究,进一步地,形成了模块化的仿人六指刚柔软耦合机械手标准工艺流程。建立了脉冲参数与输入气压的数学关系,并依此设计了前馈比例-积分-微分控制算法,结合刚柔软耦合关节弯曲角度与输入气压的数学关系,构建了开环位置控制中嵌入闭环气压控制的控制策略。通过软件层面的FreeRTOS和硬件层面的高频电磁阀组,降低了各气动回路之间的干扰和耦合。搭建了仿人六指刚柔软耦合机械手多回路气动控制实验平台,并制作了样机,通过实验平台测试了样机各机械手指的独立运动能力和组合运动能力,对不同质地及形状物体的抓取能力,特别是执行通常需要两只五指及以下机械手共同完成的复杂操作能力。