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机器人远程控制与自适应抓取研究

机械设计与制造 2020年第12期 272-276页

作者：舒奇黄家才林健施昕昕南京工程学院江苏南京210000

研究机器人的正向、逆向运动学是深入机器人运动姿态控制的基础,以UR5型协作机器人为研究对象,根据DH参数对其进行运动学建模,并利用MATLAB编程比对实际位姿坐标进行仿真实验验证。利用TCP/IP协议,将机器人作为客户机进行远程控制。通... 详细信息

研究机器人的正向、逆向运动学是深入机器人运动姿态控制的基础,以UR5型协作机器人为研究对象,根据DH参数对其进行运动学建模,并利用MATLAB编程比对实际位姿坐标进行仿真实验验证。利用TCP/IP协议,将机器人作为客户机进行远程控制。通过视觉图像软件对抓取物进行处理提取,对比参照物后获得控制夹爪开合的比例,从而达到自适应抓取的目的。实验表明,该策略简单可行,具有较强的工业应用性。在保障操作者工作安全之外,提高了机器人的自主性和生产稳定性,对于不同的抓取物,能够做出智能的反应。

关键词： UR5 运动学建模图像处理自适应抓取

基于能量场梯度模型的自适应抓取机械手手内操作研究

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基于能量场梯度模型的自适应抓取机械手手内操作研究

作者：赵永恩哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

机械手作为机械臂末端的执行机构能够有效地替代人手进行各种复杂的任务，在许多工作场景中机械臂末端装配有专用机械手或夹持工具以便对特定的物体或零件具有较好的夹持能力，但专用机械手只能针对特定物体使用，不具有通用性，当面对... 详细信息

机械手作为机械臂末端的执行机构能够有效地替代人手进行各种复杂的任务，在许多工作场景中机械臂末端装配有专用机械手或夹持工具以便对特定的物体或零件具有较好的夹持能力，但专用机械手只能针对特定物体使用，不具有通用性，当面对需要夹取不同物体的工作场景时无法顺利完成工作任务。同时机械手作为夹持机构在夹取未知目标物体时，很难根据物体的形状对目标物体的抓取过程进行有效调节以提高抓取成功率或减小因抓取接触面压强过大对物体造成的损伤，往往需要通过加入视觉反馈以及设计复杂的控制系统才能实现以上功能;在对零件的姿态有要求的装配或移动过程中，能够对零件实现一定的手内操作会比通过控制机械臂调整机械手位姿更加方便、迅速且节省能量，而现阶段机械手很难像人手一样能够对物体实现手内操作。因此本文针对机械手在自适应抓取及手内操作方面的问题展开研究，具体内容如下：　　在对形状未知的物体进行抓取时为了提高抓取成功率和获得更好的抓取效果，采用形状自适应的抓取方式，为有效适应未知目标物体的形状，首先设计了一种钢丝绳驱动、手指关节模块化、手掌宽度可调节并且手指关节可以在锁定与解锁切换的机械手，钢丝绳驱动的方式可以将电机放置在远离机械手的位置以缩小机械手的体积和减小结构复杂程度，模块化的手指允许在工作条件变化时随时增加或减少关节数量，手指关节的锁定与解锁通过在关节间嵌入电磁离合器实现，机械手通过3D打印的方式加工并完成装配;通用机械手在大批量长时间工作时抓取时间受尺寸参数影响，为提高机械手在对多种物体长时间连续抓取时的工作效率，缩短抓取时间，采用二阶段随机优化的方式对机械手的尺寸参数进行了优化，对机械手抓取物体的成功率和抓取一系列物体花费的总时间进行了实验验证，实验表明所设计的机械手能够成功抓取物体，并且在对目标分布下的物体进行一系列抓取与尺寸未优化的机械手相比所用总时间更少，抓取效率更高。　　在此基础上，为了实现对形状未知物体的自适应抓取，提出通过对关节中嵌入的电磁离合器和连接钢丝绳的驱动电机进行联合控制实现对未知目标物体形状自适应的抓取方法，经过实验验证可以发现，这种方法能够自主适应被抓取物体的特殊外形构造，成功率高于百分之九十。　　针对目前阶段机械手难以对物体进行手内操作的问题，引入并建立了能量场梯度模型，对势能场中最低势能点和势能场的梯度进行了计算，将能量场梯度模型应用于钢丝绳传动机械手的控制中以实现对物体的手内操作，最后通过一系列实验对机械手的操作能力进行了实验验证，实验验证了能量场梯度模型的合理性，并且表明机械手对简单物体具有一定的手内操作能力。

关键词：机械手自适应抓取能量场梯度模型手内操作控制系统

面向海生物机器捕捞的形状自适应无损抓取研究

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面向海生物机器捕捞的形状自适应无损抓取研究

作者：张万里哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着海参、扇贝以及海胆等海产品养殖规模的扩大,但是其捕捞方式却没有发生大的变化,传统的捕捞方式已经越来越不适应海产品养殖的发展趋势。为了探索新的海产品捕捞方式,实现海产品捕捞的机械化、无人化,本文结合国家自然科学基金重点... 详细信息

随着海参、扇贝以及海胆等海产品养殖规模的扩大,但是其捕捞方式却没有发生大的变化,传统的捕捞方式已经越来越不适应海产品养殖的发展趋势。为了探索新的海产品捕捞方式,实现海产品捕捞的机械化、无人化,本文结合国家自然科学基金重点项目-“水下机器人自主环境感知与生物目标无损抓取研究”（项目编号KY70100160005）,研制了一款新型的水下欠驱动形状自适应机械手。文中针对不同形态的海生物设计了欠驱动四指抓取机构,并将模块化思想应用到抓取机构的设计中,提高了机械手组装与维护效率。设计了腱绳-扭簧组合式的手指传动方式,并完成了不同关节处扭簧的参数设计,提高了欠驱动手指的包络抓取效果,扩大了手指的作业空间。对机械手进行运动学分析并建立了动力学模型,同时针对海参、扇贝以及海胆目标的形状多样性,建立了手指的静力学模型,并针对特征尺寸分析了手爪的抓取姿态,得到手指抓取力与关节力矩之间的关系式。为了实现无损抓取,文中自主设计了一款六维力矩传感器测量抓取力信息,实现力抓取的封闭性,对传感器的弹性体做了有限元分析。对传感器进行做了标定实验,通过输入标准力,得到传感器的输出数据,使用最小二乘法对标定数据处理,得到标定矩阵,最后对传感器的误差进行了分析。机械手的控制环节是完成抓取任务的重要环节,文中结合前文分析的手指运动学以及静力学与动力学模型,对手指的抓取进行独立PD控制仿真以及基于力矩的基关节的阻抗控制。文中后面介绍了笔者之前为项目组设计的一款大包角包络抓取机械手抓,之后对本文设计的欠驱动机械手与大包角包络机械手分别进行抓取试验,分析两者的抓取性能。

关键词：自适应抓取无损抓取腱绳-扭簧传动欠驱动

形状自适应柔性机械手设计及抓取力感知方法研究

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形状自适应柔性机械手设计及抓取力感知方法研究

作者：张恒哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着机器人应用场景的扩展,机器人往往要在非结构化的环境中执行任务,这就要求机器人能够实现灵活的抓取或者操作任务。机械手作为机器人最重要的组成部分之一,能够在未知环境下对多种形状的物体进行安全可靠的抓取并感知抓取力是两个... 详细信息

随着机器人应用场景的扩展,机器人往往要在非结构化的环境中执行任务,这就要求机器人能够实现灵活的抓取或者操作任务。机械手作为机器人最重要的组成部分之一,能够在未知环境下对多种形状的物体进行安全可靠的抓取并感知抓取力是两个十分重要的功能。但目前大多数机械手,存在着自适应抓取能力差、力感知精度低、控制复杂、成本高昂等问题,难以满足抓取任务需求。为了解决这些缺点,本课题设计了一种新型的柔性机械手,研制了样机,并开展了一系列相关实验研究。针对自适应抓取的需求,设计了一种基于仿生学的柔性机械手,能够对不同形状的物体进行自适应抓取。柔性机械手的手指在设计上借鉴了仿生鱼鳍概念,能够在受力时对物体形成自适应包络;在加工时使用柔性材料,保证了抓取时的安全性。柔性机械手采用欠驱动方式进行抓取,同时使用小型控制板和微型驱动器对柔性机械手进行控制,使得结构十分紧凑。该设计方案简单可靠,能够满足对不同形状物体的自适应抓取,同时成本较低且安全性高。建立了柔性机械手力与形状关系的模型,包括根据力来求解手指变形的“力-形状”模型和根据手指变形对力进行求解的“形状-力”模型。“力-形状”模型是在有限元理论的基础上,结合柔性手指的结构特点建立的,具有十分高的运算精度。通过“力-形状”模型生成大量的力与形状相关的数据对BP神经网络进行训练,建立了“形状-力”模型,从而实现了根据柔性手指的形状得到力的目标。力与形状关系的模型为柔性机械手的力感知提供了理论基础。提出了基于机器视觉与“形状-力”模型的力感知方法。通过机器视觉实时测量抓取过程中柔性手指的变形量,并以此作为“形状-力”模型的输入,从而感知出相应的抓取力。为了实现对柔性机械手的抓取控制,将感知的力作为反馈量实时发送到控制器来控制机械手的抓取程度,从而实现对抓取力的控制。完成样机集成和实验平台搭建,并在此基础上开展了柔单根手指的力感知实验、二指抓取力感知实验、柔性机械手的抓取控制实验,对提出的自适应抓取以及力感知方法进行了验证。实验结果表明,所开发的柔性机械手能够对不同形状的物体进行自适应抓取,同时实现较高精度的力感知,并能对抓取力进行控制,因此可以满足针对未知环境下多种形状物体的抓取任务要求。

关键词：柔性机械手力感知自适应抓取 BP神经网络有限元理论

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一种单驱四指自适应机械手设计与抓取研究

一种单驱四指自适应机械手设计与抓取研究

作者：王辰安徽大学

学位级别：硕士

科学和技术的快速进步,促进了制造业市场多元化的发展。在当今制造业中,多品类、小批量的生产方式和非结构化场景下的自动化装配已经并不鲜见,在实际装配作业中,使用机械手对形状各异、大小不一的异形零件进行自动化操作,已成为自动化... 详细信息

科学和技术的快速进步,促进了制造业市场多元化的发展。在当今制造业中,多品类、小批量的生产方式和非结构化场景下的自动化装配已经并不鲜见,在实际装配作业中,使用机械手对形状各异、大小不一的异形零件进行自动化操作,已成为自动化产线中的常态。机械手具有模拟人手某些功能,且可以按照设定程序,对目标完成抓取、转移、释放等自动化操作的机械装置。针对异形零件的不规则外形特征,机械手能否适应异形零件的形状,且保持被抓取前后零件的位姿不发生变化,这将对后续的自动化装配环节产生显著影响。本文针对异形零件在自动化产线中的抓取和装配需要,分析异形零件的抓取方式,简化手指设计,利用欠驱动原理设计出一种低成本、紧凑型的四指自适应机械手。该机械手的欠驱动结构使用一种“X”型差动机构与跷跷板差动机构进行串联组合而成,手指采用模块化设计的思维。该机械手利用差动机构多输出的优势,仅使用单个电机提供动力,输出多个差异化运动,协调四个机械手指进行自适应抓取,并能保持机械手相对于被抓取物体的位置和姿态不变。将机械手从夹具到夹具的自动化装配任务,转化为已知夹具位姿的预定义机械人手臂运动。在文中重点介绍了该机械手的抓取力理论分析、抓取空间分析和运动控制策略,并利用Admas和Ansys仿真软件对机械手抓取运动进行分析与可靠性验证。论文的最后完成了样机的制作,并利用UR5机器人手臂构建了从夹具到夹具的自动化装配实验平台。在实验平台上检测了机械手对异形零件的自适应抓取能力,同时验证了机械手在自适应抓取过程中,保持被抓取物体位姿的能力。各类实验结果表明,不同于其他从夹具到夹具的机器人装配系统,该四指自适应机械手对异形零件具备优异的自适应抓取能力,可以在不依靠视觉技术和多种类型传感器的条件下,保持机械手与被抓取物体之间的位姿不变,并能胜任从夹具到夹具的自动化装配任务。

关键词：差动机构自适应抓取自动化装配位姿不变

基于抓取刚度增强的刚软耦合仿人手设计与实验

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机械工程学报 2024年

作者：李泳耀江磊刘宇飞杜宇丛明中国北方车辆研究所无人中心群体协同与自主实验室大连交通大学机械工程学院大连理工大学机械工程学院

仿人手在抓取物体时需具备运动自适应性，在与非结构环境交互时需体现出良好的柔顺性和抓取刚度。为此，借鉴人类手指天然的刚软柔性结构及抓取特征，提出基于抓取刚度增强的刚软耦合仿人手设计制造方法。首先，提出仿人手指的刚软耦合... 详细信息

仿人手在抓取物体时需具备运动自适应性，在与非结构环境交互时需体现出良好的柔顺性和抓取刚度。为此，借鉴人类手指天然的刚软柔性结构及抓取特征，提出基于抓取刚度增强的刚软耦合仿人手设计制造方法。首先，提出仿人手指的刚软耦合设计原理及手指参数选择方法，并将其扩展应用于多关节手指情况。其次，研究手指柔性体在抓取刚度增强前后外力作用下的变形情况，以实现两指夹爪的稳定抓取。在此基础上，提出刚软耦合仿人手指的多材料分层制造方法，并进行仿人手的总体结构设计。最后，开展刚软耦合仿人手抓取实验研究，验证所提方法的有效性，并进一步讨论刚软耦合手指的其他潜在应用方式。

关键词：仿人手指刚软耦合抓取刚度增强自适应抓取

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腱绳驱动机械手的设计及其柔性抓取控制

机电工程 2023年第10期40卷 1550-1557页

作者：徐光宇汤卿王丽霞四川大学机械工程学院四川成都610065

为了实现机械手稳定的自适应抓取目的,需要加强对抓取信息的感知处理,同时设计柔顺的力控抓取算法。针对不同尺寸、外形、材质的物体对抓取姿态和力度要求各异的问题,提出了一种腱绳驱动的柔性三指机械手方案及对应的柔性抓取力控算法(... 详细信息

为了实现机械手稳定的自适应抓取目的,需要加强对抓取信息的感知处理,同时设计柔顺的力控抓取算法。针对不同尺寸、外形、材质的物体对抓取姿态和力度要求各异的问题,提出了一种腱绳驱动的柔性三指机械手方案及对应的柔性抓取力控算法(导纳力控算法)。首先,设计了一种腱绳驱动柔性机械手指,提出了一种往复式缠绕的腱绳传动线路,制作了柔性机械手的实物;其次,采用改进Denavit-Hartenberg(DH)法,建立了机械手指的运动学模型,利用MATLAB的机器人工具箱,分析了手指的自适应包络能力;然后,设计了适配机械手驱动的导纳控制算法,通过在实物上的程序实现和控制测试对机械手的柔性力控性能进行了验证;最后,搭建了柔性机械手的软件控制平台和实机实验平台,对不同目标物体进行了实物抓取实验,对柔性机械手的稳定抓取能力进行了验证。研究结果表明:该往复式缠绕传动线路和导纳力控算法可保证该机械手在面对不同尺寸、外形、材质的物体时,具有抓取形状的高自适应性和抓取力的高柔顺性;在抓取过程中,机械手的手指可以自适应地包络目标,并借助导纳控制算法柔顺地控制抓取力,进而完成稳定、可靠的抓取任务。

关键词：机械手指腱绳驱动自适应抓取导纳控制算法柔性抓取往复式缠绕传动线路 Denavit-Hartenberg

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三指柔性气动夹爪结构设计与实验

农业机械学报 2020年第S01期51卷 93-101页

作者：皮杰柳军徐磊严旎娜周科宏钱明艳江苏省农业科学院农业设施与装备研究所南京210014 江苏大学农业工程学院镇江212013

针对水果表皮脆弱易损、不适合采用传统刚性夹爪抓取的问题,基于章鱼触手结构特征,结合仿生学原理和增材制造技术,设计并制作了一种结构简单、具有自适应性的由3个柔性手指和固定组件组成的适用于水果采摘的气动柔性夹爪。采用ANSYS模... 详细信息

针对水果表皮脆弱易损、不适合采用传统刚性夹爪抓取的问题,基于章鱼触手结构特征,结合仿生学原理和增材制造技术,设计并制作了一种结构简单、具有自适应性的由3个柔性手指和固定组件组成的适用于水果采摘的气动柔性夹爪。采用ANSYS模拟和测试柔性手指在不同气压下的弯曲情况,发现柔性手指可在低压下具有较大的弯曲变形,最大弯曲角为22.4°,气压为100 kPa时,产生最大压力为2.38 N;柔性夹爪的夹持力实验表明,在0~100 kPa的压力范围,柔性夹爪可自适应抓取质量564 g、直径100 mm内的水果,并且水果表面没有损伤,抓取效果良好,达到设计目标要求。

关键词：柔性夹爪仿生自适应抓取气动实验

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差动瓦特连杆直线平夹自适应抓持器

机器人 2023年第6期45卷 691-697,709页

作者：梁博田源张文增中国农业大学信息与电气工程学院北京100091 清华大学深圳国际研究生院国际开放创新教育中心广东深圳514231 深圳零一学院机器人实验室广东深圳518122

现有的平夹自适应抓持器不能实现末端直线轨迹运动,导致其存在抓取盲区。针对此问题,本文提出一种新型平夹自适应手指——Watt手指。该手指采用瓦特连杆机构实现末端指段的直线轨迹运动,结合平行四连杆机构保持末端指段在初始阶段的固... 详细信息

现有的平夹自适应抓持器不能实现末端直线轨迹运动,导致其存在抓取盲区。针对此问题,本文提出一种新型平夹自适应手指——Watt手指。该手指采用瓦特连杆机构实现末端指段的直线轨迹运动,结合平行四连杆机构保持末端指段在初始阶段的固定姿态,并利用三角形差动连杆机构实现自适应抓取。Watt手指在初始阶段具有直线平行夹持功能,适合捏持桌面上不同尺寸的物体;当第1或第2指段接触物体被阻挡时,该装置自动进入自适应抓取模式,可以适应不同形状、尺寸的物体。对该Watt手指进行了运动学分析,获得了该手指的稳定抓取空间和相对优化的参数集合。研制了二指Watt手,理论分析与实验结果表明,Watt手可实现良好的直线平夹与自适应抓取效果,直线轨迹使得该手具有更大的抓取空间,适应范围更广。

关键词：机器人手欠驱动手指自适应抓取直线平夹瓦特连杆