机械手对目标物体的抓取

姓名：李亮申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化

指导教师：费凌20090501

西华大学硕七学位论文机械手对目标物体的抓取机械制造及其自动化专业研究生李亮指导老师费凌机械手是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机械手产品。手爪的应用环境干差万别，抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量机器人手爪设计水平的重要标志。性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确’地抓取。研究和开发一个性能优良的机器人手爪是一项艰巨的任务，包括技术实现和理论研究两个方面。近年来机器人技术得到大力的发展，手爪的研究也步入了一个良好的发展时期，机器人手爪正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美。机械手对目标物体抓取的稳定性研究是一个值得长期探讨的课题。本论文在综述近年来机械手技术研究和发展状况的基础上设计了一种用于实验目的可以对目标物体进行稳定抓取的小型化、轻量化机械手系统。本文先从整体上对机械手设计的特点和局部结构相关元件的选择进行研究，设计了一种５自由度机械手，然后对机械手手臂建立运动学方程，并且在此基础上用ＭＡＴＬＡＢ软件对其仿真，验证方程推导得正确性，接下来按照稳定抓取的要求选择了适用于本系统的传感器，并设计了信号调理电路，然后设计了以单片机为控制单元，通过电机驱动模块来控步进电机转向以及转速来实现手爪变速开合的系统硬件结构并在此基础上设计软件流程包括主程序，数据处理程序以及ＰＷＭ调速等程序流程图，并进行程序编写。通过对机械手系统提供的总体设计方案，为下一步详细设计的深入奠定了理论基础。关键词：机械手运动学模型ＭＡＴＬＡＢ传感器单片机西华大学硕士学位论文ＳｎａｔｃｈｔａｒｇｅｔｏｂｊｅｃｔｂｙｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒＭ．Ｅ．ｃａｎｄｉｄａｔｅ：ＬｉＬｉａｎｇＳｕｐｅｒｖｉｓｅｄｂｙ：ＦｅｉＬｉｎｇＴｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｒｅｓｅａｒｃｈａｔｙｐｅｏｆｍｅｃｈａｎｔｒｏｎｉｃｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｈｉｃｈｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｓｔｈｅｌａｓｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｏｆｅｎｇｉｎｅａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎｅｎｇｉｎｅ，ｍｉｃｒｏ．ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｏｎＳＯａｎｄｄｒｉｖｅ，ｓｅｎｓｏｒａｎｄｍｅｓｓａｇｅｄｉｓｐｏｓｅａｎｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｏｎ．Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄｔｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｑｕｉｃｋｌｙａｎｄａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｃｏｎｔｒ０１．Ｒｏｂｏｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｅｃｏｍｉｎｇｉｎｔｏｂｅｉｎｇ．Ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｕｓｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＴＯｈｏｌｄｓｔｅａｄｉｌｙ，ｇｏｏｄａｄａｐｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｔｒｏｎｇａｄａｐｔａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈａｕｔｏｎｏｍｙｄｅｓｉｇｎｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ：Ｔｏｓｔｕｄｙａｒｅｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｓｉｍｐｌｅｉｓａｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｓｆｏｒｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅａａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｒｏｂｏｔｏｆｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｈａｒｄｔａｓｋ，ｉｔｃｏｎｃｌｕｄｅｔｈｅｒｅａｌｉｚｅｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｏｒｙ．Ｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｒｏｂｏｔａｄｅｖｅｌｏｐｅｄｑｕｉｃｋｌｙ．Ａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｈａｓｃｏｍｅｉｎｔｏｇｏｏｄｄｅｖｅｌｏｐｍｏｍｅｎｔ．Ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｆｒｏｍｅａｓｙｔｏｄｉｆｆｉｃｕｌｔｆｒｏｍｃｏｍｐｌｅｘｔｏｓｍａｒｔ．Ｔｈｅｌｏｎｇｔｉｍｅ．ｈｕｍａｎｏｉｄｓｍａｒｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒＣａｎｗｏｒｋｓａａｓｇｏｏｄａｓｔｒｕｅｔｏｈｕｍａｎｈａｎｄ．ＴｏｈｏｌｄｔｈｅｔａｒｇｅｔｏｂｊｅｃｔｓｔｅａｄｉｌｙｂｙｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｆｏｒＢａｓｅｄｏｎａｔａｓｋｎｅｅｄｅｄｂｅｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｏｆｂｏｔｈｔｈｅｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄａｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｏｆａｃａｎｓｍａｌｌａｎｄｌｉｇｈｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｎａｔｃｈｔａｒｇｅｔａｓａｏｂｊｅｃｔ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅａｎｄｔｈｅｓｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｒｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｄｅｓｉｇｎｗｈｏｌｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｉａｌｕｎｉｔｓ．Ｉｔｄｅｓｉｇｎｅｄｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｇｎｓｆｉｖｅｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．ＴｈｅｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｉｍｐｌｅｆｏｒｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｏｈａｎｄａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｙＭａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅｔｅｓｔｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎ．ＡｆｔｅｒｔｈａｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｅｎｓｏｒｄｅｍａｎｄｏｆｓｔｅａｄｉｌｙｓｎａｔｃｈｉｎｇＩｃｈｏｏｓｅｔｈｅｆｉｔｔｅｄｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ｔｏＴｈｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｈｅＭＣＵａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅ．’．西华大学硕十学位论文ｍｏｄｕｌｅ．ＴｈｅｎｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｄａｔｅｐｒｏｃｅｓｓｐｒｏｇｒａｍａｎｄｔｈｅＰＷＭｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄＳＯｏｎ．．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｗｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌ，ＭＡＴＬＡＢ，ｓｅｎｓｏｒ，ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔ－３－西华大学硕士学位论文尸明声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，如果今后研究与论文相关课题需征得导师同意，特此声明。作者签导师签乡旯哆日乡只傍西华大学硕士学位论文西华大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１、保密口，在／年解密后适用本授权书；２、不保密豳，适用本授权书。（请在以止口内划４）学位论文作者签名：蔫芸／日期：研．多。锣誓曼教师签名抉～日期：伽哆．万、衫Ｖ西华大学硕士学位论文１引言１．１课题来源和研究意义课题来源：省级重点研究项目研究意义：性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确地抓取。研究和开发一个性能优良的机器人手爪是一项艰巨的任务，包括技术实现和理论研究两个方面。根据机器人手爪已有的研究成果，设计一种用于实验室研究的机械手系统，从理论上实现了对目标物体稳定抓取的设计，为进一步具体功能的实现打下了基础。１．２国内外发展现状和发展趋势随着机器人研究的深入和各方面需求的巨大增长，机器人的应用领域在不断地扩大，概念也在不断地拓展，不再局限于搬运、焊接以及大批量作业的工业机器人，人类已经研制成功或正在研制用于危险环境作业、海洋资源探测、核能利用、军事侦察以及空间探测中的特种机器人。机器人已经从小说素材和科幻电影中发展为广泛应用于各领域的由计算机控制的智能机电装置系统。在机器人获得巨大发展的同时，机器人关键部件之一的机器人手爪也获得了长足的进步。作为机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件，机器人手爪既是一个主动感知工作环境信息的感知器，又是最后的执行器，是一个高度集成的、具有多种感知功能和智能化的机电系统，涉及机构学、仿生学、自动控制、传感器技术、计算机技术、人工智能、通讯技术、微电子学、材料学等多个研究领域和交叉学科。机器人手爪正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美，它能捏住一支花，握住一枚鸡蛋，抓取任意一件东西，还能进行一些简单的操作。由于机器人手爪的重要性，美国、德国、日本、俄罗斯等机器人研究强国研制成功了多种通用和专用的机器人手爪，手爪的灵活性和可靠性得到很大的提高，加上先进的感知系统，具备一定的自主能力，为机器人的灵活抓取和操作奠定了坚实的基础。我国的机器人的研究开始于７０年代，起步较晚，手爪研究也相对落后。从８０年代至今，在国家８６３计划和国家自然基金的大力支持下，机器人的研究被列入重点发展．１．西华大学硕士学位论文的主题，得到大力的发展，手爪的研究也步入了一个良好的发展时期。手爪的应用环境干差万别，抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量机器人手爪设计水平的重要标志。性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确地抓取。研究和开发一个性能优良的机器人手爪是一项艰巨的任务，包括技术实现和理论研究两个方面。根据机器人手爪已有的研究成果，结合研制的经验，并参阅大量的相关文酬卜９１，总结出机器人手爪主要的研究内容包括以下几个方面：１．２．１手爪主要的研究内容１．２．１．１驱动和传动系统机器人手爪在体积、重量、灵活性和可操作性等各项性能指标上都存在很大的区别，造成这些区别的主要原因是由于手爪采用的驱动和传动方式不同。手爪按照驱动源的方式可以分为电机、液压、．气动以及形状记忆合金等，机器人灵巧手传动系统把驱动器产生的运动和力以一定的方式传递到手指关节，从而使关节做相应的运动，动系统的设计与驱动器密切相关。虽然驱动源是影响手爪体积重量的重要因素，但是抓取稳定性和灵活性等重要指标取决于传动系统，置精度；控制时需要一定的预紧力，容易产生摩擦；腱的布局容易产生力矩和运动的耦合。这些因素都增加了手爪抓取控制的难度和复杂性。１腱传动方式第一类是由腱（钢丝绳、绳索等）加上滑轮或者软管实现传动，其特点是：腱一般具有很高的抗拉强度和很轻的重量，容易实现多自由度和远距离动力传输，节省空间和成本，是一种零回差的柔顺传动方式。但是，腱本身的刚度有限，影响位和寿命问题，手指反应速度也不高。２连杆传动方式除了腱传动以外，另外一类是采用连杆的传动方式。其特点是采用平面连杆机构传动，优点是刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易、易获得较高的精度，构件之间的接触可以依靠几何封闭来实现，能够较好实现多种运动规律和运动的轨迹的要求，但是设计复杂。３其他传动方式手爪驱动器通过螺纹将旋转变成直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧．２．西华大学硕士学位论文来驱动手指产生动作，手指部分采用杠杆连接，各个手指动作相互，具有多种的抓取构形，和别的多指灵巧手相比，驱动更加灵活，但是手指的闭合时间较长，手指的结构比较复杂，容易出现故障。４人工肌肉的驱动方式液压驱动和气动的驱动方式是近年来兴起的一种重要的驱动方式，是模拟人肌肉的一种驱动方式，由于材料和技术的，这些“人工肌肉＂技术还远远不能满足机器人手爪实现可靠、快速和精确地抓取功能。５形状记忆合金驱动方式除液压和气动驱动的手爪外，还有一种是形状记忆合金驱动方式的手爪【１０】，有四个手指，每个手指需要１２个驱动器。特点是负载能力强，但存在疲劳和寿命问题，手指反应速度也不高。６欠驱动方式从机器人手爪的研究进展来看，多指灵巧手仍然是研究最多的，但是多指灵巧手基于腱和滑轮（或是软管）的传动方式导致出力小、负载能力差、控制复杂，制约着其在服务机器人上的应用。尽管采用了些新的技术，例如直线电机等，但是其根本的驱动和传动方式并未发生改变，本身的弱点仍然无法克服。对于空间机器人来说，欠驱动手爪是目前空间机器人研究的一个重要的方向。通过欠驱动手指机构、机械限位和弹簧实现无动力关节对被抓取形状的被动自适应，具有驱动元件少，抓取范围广泛、控制简单、出力大、负载能力好等特点。１．２．１．２智能感知系统１传感器的研制传感器是空问机器人手爪获取内部和外部环境信息的主要手段，丰富的感知是提高机器人作业水平和自主能力的必要条件。研究内容包括传感器的选择与配置，新型传感器设计，多传感器集成和信息融合。手爪上配置的传感器包括力觉和视觉传感器，此外还有接近觉传感器，距离传感器等。视觉和力觉是空间机器人手爪最重要的信息。一般手爪将手眼系统集成在一起，并且具有丰富的力传感器信息，通过视觉信息，可以得到手爪的全局的状态，并且根据信号处理和数据融合的结果判断手爪各个部分的当前运行状态和可靠抓取。在机器人自主抓取的研究中，大多进行基于视觉的控制，例如视觉定位和伺服。比．１．西华大学硕士学位论文较有代表性的工作有文献［１１－１２１但是他们在视觉不起作用的情况下无法在线调整位姿。２信息融合和处理如今，智能机器人在发展中面临的一个重要问题是所处的非结构化环境以及自身模型的不精确性所带来的不确定性。解决这种不确定性的关键就是要发展智能传感系统。同时，增强机器人在复杂环境下的感知能力也是提高机器人自主能力和适应性的主要方法。而对传感信息的处理是实现机器人自主功能中最为重要的条件之－－［”】。在机器人的研制中，一个关键的未解决的问题是发展机器人所需的传感和感知系统，使其能在未知的复杂环境下动作。但由于各种传感器本质上是不同的，它们的有效性在时空上都存在着差别，这意味着有些传统的传感器集成和融合方法不是很合适，为此ＢｒａｄｌｅｙＪ．Ｎｅｌｓｏｎ禾ｌＪＰｒａｄｅｅｐＫ．Ｋｈｏｓｌａ对传统的传感器集成方法做出了改进，提出了力分解和视觉分解的概念使机器人能在不同的控制方式下根据不同的传感模块进行切换ｆ１４】。１．２．１．３抓取控制和决策系统１抓取稳定性研究研究机器人手爪多指抓取的目的是通过探索人类的抓取机理，最终开发出一种能够抓取任意形状物体，操作和使用工具，完成多种抓取任务，模拟人手抓取行为的拟人手。到目前为止，机器人手爪的多指协调操作与控制技术还不能满足细微操作的要求，离真正实用化还有一定的距离。抓取稳定性研究在很大程度上是探索多指抓取的机理，分析多指抓取细微运动和力的作用，稳定性分析是抓取控制的基础工作。具体的工作是进行理论分析，总结出能够适应一般条件下的算法。２规划和决策系统自主抓取规划是手爪根据各种传感器的信息，不需要和主机进行通讯，自主进行规划和决策。例如，舱外专用手爪传感器的本地自主能力，根据传感器的信息自主判断手爪和目标之间的姿态和位置。服务机器人手爪遇到一个不规则形状的物体，自主决策采用何种方式进行抓取等。自主规划决策可以提高手爪的智能，减少手爪和主控计算机之间的通讯限量和大延时带来的不便，减少出错的可能性。规划抓取的轮廓布局与力的分布，制定多指抓取的协制策Ⅲ各。西华大学硕士学位论文３抓取控制在稳定性分析和抓取规划研究的基础上，需要研究的是手爪的控制策略。由于目前手爪采用腱和连杆等传动方式，因此，控制仍然比较复杂。复杂的控制策略是机器人采用多指灵巧手遇到的一个最大障碍，其本身具有闭链多环特征，存在控制的不唯一性、运动的协调性等问题。目前手爪的主要控制方法为：阻抗控制，力控制和阻尼控制，位置控制等。４其他研究对于特殊环境下的机器人如空间机器人或水下手爪设计，每一个细节都需要在模拟的环境下做大量的试验，验证整个手爪系统的可靠性，包括机械结构和控制系统的试验，防辐射试验，高低温试验，机械润滑试验，电路冗余备份以及微重力环境试验：对于空间舱外工作的手爪来说，这种重要性是可想而知的。可靠抓取是所有设计的前提条件，涉及整个手爪分系统乃至整个机器人系统。研究内容包括手爪的机械结构的适应性；控制系统的精确性；空间环境的安全性等。．结构和控制的简单化是增加手爪安全可靠性的一个重要措施。一些手爪还采用先捕获后抓取的结构，以增加抓取的可靠性。空问机器人手爪在设计前，需要通过仿真软件对抓取过程的每一个细节进行模拟，发现可能存在的问题。１．２．２手爪的研究进展［１５，１６１近年来，机器人多传感器手爪技术己经成为当前国际上研究的热点之一，其中最有代表性的是德国的舱内机器人ＲＯＴＥＸ的多传感器手爪和日本ＥＴＳ—ＶＨ中精密操作机器人的三指多传感器灵巧手。国内有关高校和科研院所也开展了机器人手爪的研究，如中科院合肥智能机械研究所、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等。ＲＯＴＥＸ计划中多传感器智能手爪的重要特征是多传感器集成，其手爪上安装有１５个传感器，它是一个高度集成化、智能化的传感器系统，可以说是目前世界上最复杂的一个手爪，如图１—１所示。该手爪安装在一个工作空间为１立方米的六自由度机器人上，全部实验在航天飞机的空间实验舱进行。图１—２为ＲＯＴＥＸ机器人及实验配置。西华大学硕士学位论文Ｆｉｇｕｒｅ１·２ＲＯＴＥＸｒｏｂｏｔａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ图卜２ＲＯＴＥＸ机器人及实验配置为执行更为很复杂的操作任务，空间机器人需要多指机器人灵巧手。在ＲＯＴＥＸ之后，德国研制了ＤＬＲ一＝指灵巧手，现已研制成功ＹＤＬＲ四指灵巧手，如图ｌ一３所示，它具有十二个自由度。每指有四个关节，具有三个自由度，具有２５个传感器。每个关节装有一个关节角度传感器和一个关节力矩传感器。四个触觉传感器探测外部受力的大小。手掌中的微相机系统提供了光学位置传感器，同时，还有一些温度传感器和每个马达的转子位置传感器掣”Ｉ。西华大学硕士学位论文Ｆｉｇｕｒｅ１·３ＴｈｅＤＬＲｓｍａｒｔｈａｎｄ图１３ＤＬＲ四指灵巧手日本通产省及其电子技术试验室（ＭＩＴＩ／ＥＲＬ）研制开发了一种精巧的遥机器系统，带有一只三指多传感器手，称为“先进机器人手’，（ＡＲＨ：ＡｄｖａｎｃｅｄＲｏｂｏｔｉｃＨａｎｄ）。日本学者认为多自由度多指手爪缺乏机械的可靠性和实用性，并且存在着抓取稳固性和控制复杂性的问题，在空间手爪必须可靠地抓取和作业，不能出差错，在微处理器防辐射能力有限的情况下，很难可靠地控制多自由度多指手爪。从这点出发，研制了一种使用简单、可靠的机械机构称之为半灵活性（Ｓｃｍｊ—ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ）三指手爪㈣，如图１—４所示。在ＡＲＨ的灵巧手中，安装的传感器有：一台手邝艮摄像机，三个接近觉传感器，一对夹持力传感器一个柔顺力／力矩传感器，一个六自由度力／力矩传感器。西华大学硕士学位论文电气联接墙头蟊麴嫠蕴Ｆｉｇｕｒｅ１－４ＴｈｅＥＴＳ—ＶＩＩｇｒｉｐｐｅｒｗｉｔｈｓｅｎｓｏｒｓ图卜４ＥＴＳ＿ＶＩＩ多传感器手爪虽然国外在机器手的研制中做了大量的工作，但是，在我们所查到的资料中，均未见到德国和日本在其手爪上进行多传感器数据融合的具体方案和方法。美国的Ｌｕｏ和Ｌｉｎ在山ＰＵＭＡ５６０机器手臂控制的夹持型手爪的基础上提出了视觉、眼在手上的视觉、接近觉、触觉、位置、力／力矩、滑觉等多传感器信息融合方法。多传感器信息的融合过程（最佳估计）分为三步：首先采集多传感器的原始数据，并用Ｆｉｓｈｅｒ模型进行局部估计：第二，对统一格式的传感器数据进行比较，发现可能存在误差的传感器，进行置信距离测试，从而建立距离矩阵和相关矩阵，得到最接近最一致的传感器数据，并用图形表示：第三，运用贝叶斯模型进行全局估计（最佳估计），融合多传感器数据。同时对其它不确定的传感器数据进行误差检测，修正传感器的误差［１９，２０】。国内有关高校和科研院所，如哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、中科院合肥智能机械研究所和杭州电子工业学院等开展了机器人手爪的研究，取得重要进展。中科院合肥智能机械研究所解传芬硕士在研制多传感器手爪过程中，对多传感器数据融合做了较多的研究工作，主要是如下三个方而：（１）由于研制的接近觉传感器受温度和被测物体反射特性的影响较大，采用ＢＰ网络对接近觉传感器和温度传感器的信息进行融合，提高了测量精度：（２）采用ＢＰ网络对８个指力传感器的信息进行融合，得到握紧力的大小：（３）采用ＢＰ网络对握紧力、接近觉和距离信息进行融合，得到手爪与工件的安全连接状态。西华大学硕士学位论文１．２．３机器人手爪发展趋势机器人手爪研究的关键在于：安全可靠性、自适应性和更高的智能。安全可靠性研究确保整个机器人系统工作万无一失，因此，要求其手爪结构和控制系统要简单化。对于舱外专用手爪，需要设计机械柔顺结构弥补自由飞行机器人控制系统精度误差，吸收存在的微小位置和角度偏差，有利于自动对接或捕获目标。对于服务机器人手爪，需要提高通用性，使得手爪具备适应各种被抓物体形状的能力。由于受到遥操作通讯大延时和限量影响，手爪智能化研究可以提高手爪决策的本地化，减少通讯量，减少地面干预，减少出错的可能性。机器人手爪的未来发展具有以下几个趋势：１）小型化，集成化技术的发展；目前手爪的体积和重量是制约手爪应用的一个重指标，如何缩小手爪的尺寸和重量是摆在世人面前的一个重要研究内容。２）仿生技术的发展；制造出像人手一样的机器人手爪是研究人员不懈的追求，因此无论是驱动和传动系统，还是制造类皮肤传感器，人们都试图从仿生的角度进行模拟，比如对于皮肤传感器的模拟，对于人工肌肉的模拟等。３）主动信息获取技术的发展；机器人传感器的研究正从被动感知向着主动感知的转变，被动感知的信息是局部的信息，而盲人对环境信息的感受是通过手臂，大脑记忆等协同完成的，从而使人们认识到主动式的感知过程是一种更好地获取外部环境和内部信息的方式。４）信息的融合技术的发展。１．３本论文的主要工作本论文在综述近年来机械手技术研究和发展状况的基础上，结合实验室实际条件，设计了一种实验室研究用的可以对目标物体进行稳定抓取的小型化、轻量化机械手系统。本文首先通过对设计功能和任务的分析，制定了系统总体设计方案，设计了一种适合于自主抓取的四关节５自由度机械手，然后对机械手手臂建立运动学方程（数学模型），并且在此基础上用ＭＡＴＬＡＢ软件对其仿真，验证方程推导得正确性。接下来按照稳定抓取的设计要求选择了适用于本一９．西华大学硕士学位论文系统的传感器，然后设计了以单片机为控制单元，采集触滑觉传感器信号，可控电机转速的控制系统硬件结构并在此基础上设计软件流程包括主程序，数据处理程序以及ＰＷＭ调速等程序流程图。通过对机械手系统总体设计提供的设计方案和分析方法，为下一步详细设计的深入奠定了理论基础。西华大学硕士学位论文２机械手执行机构的总体方案设计本文的重要任务是完成机械手的设计和控制，本章内容是围绕机械手机构设计任务来展开，介绍机械手执行机构设计思路。２．１机械手的基本技术参数确定表示机器人特性的基本技术参数主要有自由度、工作空间、运动精度、有效负载、运动特性和经济性指标等。２．１．１．自由度自由度是指机器人所具有的坐标轴运动的数目，末端执行器（如手爪）的运动自由度和工件（如钻头）的运动自由度是不计在内的。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。机器人是一个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，所以通常机器人的自由度数就等于它的关节数。连杆系的自由度可以用下式来表示，即Ｍ＝６ｎ－∑肌×虬式中Ｍ一连杆系的自由度数；ｎ——组成连杆系的连杆根数；ｍ——运动副引入的约束数；Ⅳ卅——具有约束数为ｒｎ的连杆根数。机器人的自由度是根据其用途来设计的，可能少于六个自由度，也可能多于六个自由度。当机器人的关节数增加到对末端执行器的定位和定向不再起作用时，或者说连杆系的自由度增加到超过末端执行器的定位和定向的需要时，就出现了冗余自由度。冗余自由度的存在增加了机器人工作的灵活性，使机器人的臂杆有可能以多种姿态到达工作空间中的特定点，从而在应用时有可能绕过某些障碍物。但是，冗余自由度也增加了编程的困难，使机械结构变得更加复杂，并造成结构刚度和动精度的下降【２１１。本文所设计的机械手为满足作业的需要，应设计成连杆系的开链结构，并且要有足够的灵活性来绕开障碍物，才能完成作业中的复杂动作。机械手根据不同的设计思想，机械手的关节数量是不同的，所以有必要分析不同机械手关节的运动模式的特点，找出最合适的运动模式。目前，工业机器人和大中型排爆机器人机械手较多采用具有二至三自由度．１１．西华大学硕士学位论文的臂部设计和二至三自由度的腕部设计，构成具有３到６自由度的机械手结构。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，自由度的增加意味着机械手整体重量的增加，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小，如ＦａｎｕｅＲｏｂｏｔｉｅｓＬＲＭａｔｅ白重３９Ｋｇ，其负荷能力仅为约３Ｋｇ，Ｍ一１６１自重２６９Ｋｇ，负荷能力仅为约１６Ｋｇ，考虑到本论文所设计机械手的抓取不需要达到工业机的精度，在结构刚性满足的情况下，采取了以下四自由度机械臂构型。Ｆｉｇｕｒｅ２－１ＴｈｅＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ图２—１机械手构型２．１．２．工作空间工作空间是指机器人臂杆的末端或手腕中心在一定条件下所能到达空间的位置集合。因为末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以是指不安装末端操作器时的工作区域。工作空间的形状和大小是十分重要的。机器人在执行某一作业时，可能会存在手部不能达到的作业死区而不能完成任务。就本文中机械手而言，由于其作业的复杂性，所以要求其工作范围在条件西华大学硕士学位论文允许下尽可能大，这样才能完成各种操作。２．１．３．运动精度机械手机械系统的精度涉及位置精度、重复位置精度和系统分辨率。位置精度和重复位置精度决定了操作机械臂端的最大位置误差。位置精度指操作机械臂端定位误差的大小，它是手臂端点实际到达位置分布曲线的中心和目标点之间坐标距离的大小。重复位置精度是指手臂端点实际到达点分布曲线的宽度。操作机械臂的重复定位精度一般都要高于位置精度，所以说明书中提供的一般是指重复定位精度。２．１．４．有效负载有效负载是指机器人操作臂在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，它表示了机械手的负载能力。机器人的载荷不仅仅取决于负载的质量，还与机器人运动的速度和加速度的大小及方向有关。为了安全起见，有效负载是指高速运行时的有效负载。本文中机械手的作业对象为质量较轻的物体，为了能适应大多数物的重量，机械手的有效负载暂且设定为２公斤。２．１．５．运动特性速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。提高速度可以提高工作效率，因此提高机器人的加减速速能力，保证机器人加速过程的平稳性是非常重要的。对于本文中的机械手，在没有负载时可以适当地加快其运动速度；而在其有负载时，末端执行器（手爪）通常要和物体直接接触，为了安全起见，务必要尽量减少手臂的运动速度。总的来说，机械手的速度在一定范围内要是可调的，这样才能满足在各种不同情况下的使用需要。２．１．６．经济性指标表示机器人的经济性指标一般不作为技术参数列入说明书中，但它是一项极为重要的指标。决定机器人的经济性指标的因素包括初始投资和运行成本两大部分。初始投资取决于对机器人的性能要求（比如自由度多少、工作空间大小、负载能力及对精度和速度的要求等）以及对结构形式和复杂程度的要求（如驱动类型、功率、自身质量和尺寸等）。运行成本包括运行时的能量消耗、非故障停机时间、工作的可靠性和维修的方便性等。显然，所有与经济性有关的因素都直接或间接地和机器人的机械设计有关，但满足所期望的技术指标并尽量使其结构简单和成本低廉仍然是设计的主要原则。．１３．西华大学硕士学位论文２．２材料的选择机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择，并满足机器人的设计和制作要求。从设计的思想出发，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。此外，机器人手臂选用的材料与＿般的结构材料不同。机器人手臂是一种伺服机构，要受到控制，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。总之，选择机器人手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常用的材料。（１）碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢：这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了４，－－，５倍、弹性模量Ｅ大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料；（２）铝、铝合金及其它轻合金材料：其共同特点是重量轻、弹性模量Ｅ不大，但是材料密度小，则Ｅ／ｐ之比仍可与钢材相比；（３）纤维增强合金：如硼纤维增强合金、石磨纤维增强镁合金，其Ｅ／ｐ高达１１．４×１０７ｍ２／ｓ和８．９×１０７ｍ２／ｓ。这种纤维增强合金金属材料具有非常高的Ｅ／ｐ比，而且没有无机材料的缺点，但是价格比较昂贵；（４）陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工型不好，与金属等零件连接的接合部需要特殊设计。然而，日本已试制了在小型高速机器人上使用的陶瓷机器人手臂的样品：（５）纤维增强复合材料：这类材料具有极好的Ｅ／ｐ比、且重量轻、刚度大、十分突出的阻尼大等优点，但是存在老化、蠕变、高温热膨胀，以及与金属件连接困难等缺点。在机器人上应用复合材料的实例越来越多；（６）粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料，对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验结果表明：机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为±Ｏ．３０ｍｍ处理后为０．１６ｍｍ，残余振动时间在阻尼处理前后分别为Ｏ．９ｓ和０．５ｓ。．１４．西华人学硕士学位论文综上所述，机器人手臂材料的特性可归结为四个方面：结构性、轻型、刚性和衰减性。但是这四个方面往往又是相互矛盾的，应根据不同的设计要求确定选择。从本文设计的机械手的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件。２．３运动方式的确定·根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见的机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和ＳＣＡＲＡ型。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。考虑到机械手的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型机械手。这类机械手一般由２个肩关节和１个肘关节进行定位，由２个或３个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂，运动学的反解比较困难；确定术端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。◇织◇妒，（ａ》鬣簇鞣魂斌９＞平行缝栉斌（ｃ）关节倔缆ｊ￡西华大学硕士学位论文Ｆｉｇｕｒｅ２－２ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｍｏｖｅｍｅｎｔ图２—２常见运动方式２．４驱动元件的选择在机器人驱动系统中，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机以及最近几年出现的超声波电机和ＨＤ电动机等几种。步进电机可直接将电脉冲信号转换成转角，每输入一个脉冲，步进电机就回转一定的角度，其角度大小与脉冲数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可在很宽的范围内，通过改变脉冲的频率来调速，能够快速起动、反转和制动，有较强的阻碍偏离稳定的能力。在机器人中无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。直流伺服电机在机器人中应用也很广泛。常用它直接带动滚珠丝杠驱动关节手臂关节运动。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与一般动力用直流电机相同。按激磁方式直流伺服电机可分为永磁式、他激式、并激式和串激式等。在机器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。交流伺服电机在机器人中的应用情况与直流伺服电机相同，但交流伺服电机与直流伺服电机相比，，功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好，因而交流伺服电机是今后机器人用电机的发展方向。低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率体积比，伺服电机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，若对功率体积比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递信息。ＨＤ电动机（ＨｉｇｈＤｅｎｓｉｔｙＭｏｔｏｒ）是一种小型大转矩（大推力）的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑本文机械手臂并不要求有很高的扭矩但要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用较为广泛的直流伺服电机作为驱动电机。．１６—西华大学硕士学位论文２．５传感器的选择机器人传感器根据使用目的可分为内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器是机器人组成部件内部状态用的传感器，是实现闭环控制，伺服动作必不可少的装置。典型的内部传感器如表２．１所示。外部传感器是用作检测机器人与对象物体外部状态之间关系的传感器。它使机器人能及时了解工作环境和对象，并视其情况来调整自己的决策，以提高机器人的适应性和智能化水平。外部传感器通常包括视觉、触觉、力觉、接近觉和角度觉等传感器，机器人用外部传感器的种类如表２．２所示。表２－１内部测量传感器的分类传感器种类特定位置的角度传感器微动开关，热继电器任意位置的角度传感器电位器，差动电感速度／角速度传感器测速发电机，编码器加速度传感器形变合式，伺服式倾斜传感器液体式．垂首振子式方位传感器陀螺式，地磁场传感器表２—２外部测量传感器的分类机能传感器方式测量传感器光学式视觉认识传感器光学式，声波式接触觉传感器单点式，分布式触觉压觉传感器单点式，分布式滑动觉传感器点接触式，线接触式，面接触式力觉力，力矩传感器模块式，单元式西华大学硕士学位论文接近觉接近觉传感器距离传感器倾斜传感器气压式，静电容式，电磁式，光电式光学式，超声波式回转型，振子型方向架式，球内面转动式机械式陀螺仪，光学式陀螺仪角度觉方向传感器姿势传感器移动机器人实时避障传感器近几年来，应用．Ｎ老Ｊｔ器人实时避障的传感器一般分为两大类，即无源式传感器和有源式传感器器【２引。２．５．１无源式传感器应用在机器人实时避障中的无源式传感器包括触觉传感器和视觉传感器。机器人触觉系统是模拟人的皮肤与物体接触的感觉功能，获取周围环境信息，用来达到避障目的，尤其是在黑暗处或者因障碍物的影响导致无法通过视觉获取信息的条件下，使机器人具备触觉功能。触觉传感器是一种测量自身敏感面与外界物体相互作用参数的装置。它包含许多触觉敏感元，并以阵列的形式排列，通过这些触觉敏感元与物体相互接触产生触觉图像，并进行分析与处理，这种工作方式称为被动式触觉。但是，实际应用中，一方面由于触觉传感器的空间分辨率大大提高，其工作平面尺寸比被识别物体要小得多；另一方面，机器人控制中需要得到物体的三维信息。所以，在被动式触觉的基础上，将触觉传感器安装在机器人上，随着机器人的不断运动，传感器可得到被识别物体的三维触觉信息，通过进一步处理与识别，并反映给机器人控制器，这样可以使机器人获取周围环境信息，识别物体形状，确定物体空间位置等，从而达到智能控制和避障的目的。这种工作方式称为主动式触觉。在安装触觉传感器时，一般都安装在手爪、足、关节等主要的操作部位。触觉传感器用在多关节机器人避障系统中的缺点是：信号滞后，很难实现实时避障，而且在工作过程中机器人系统容易损坏。视觉传感器获取的信息量要比其它传感器获取的信息量庞大得多，但目前还远未能使机器人视觉具有和人类完全一样的功能，一般仅把视觉传感器的研制限于完成特殊作业所需要的功能。视觉传感器把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息转换为按时序．１Ｒ．西华大学硕士学位论文串行输出的电信号——视频信号，而该视频信号能再现入射的光辐射图像。固体视觉传感器主要有三大类型：一种是电荷耦合器件（ＣＣＤ）；第二种是ＭＯＳ图像传感器，又称自扫描光电二极管列阵（ＳＳＰＡ）；第三种是电荷注入器件（ＣＩＤ）。目前在机器人避障系统中应用较广的是ＣＣＤ摄像机，它又可分为线阵和面阵两种，线阵ＣＣＤ摄取的是一维图像，而面阵ＣＣＤ可摄取二维平面图像。视觉传感器摄取的图像经空问采样和模数转换后变成一个灰度矩阵，送入计算机存储器中，形成数字图像。为了从图像中获得期望的信息，需要利用计算机图像处理系统对数字图像进行各种处理，将得到的控制信号送给各执行机构，从而再现多关节机器人避障过程的控制。这种传感器在避障中主要有三方面缺陷：一是受光线条件和工作范围；二是此类传感器驱动电路复杂、价格昂贵；三是实时性差。２．５．２有源式传感器有源式传感器由于中间传递介质不同可分为超声波传感器、电容耦合式传感器、电涡流传感器、红外传感器等。超声波传感器是靠发射某种频率的声波信号，利用物体界面上超声反射、散射检测物体的存在与否。超声波在空气中传播时如果遇到其它媒介，则因两种媒质的声阻抗不同而产生反射。所以，向空气中的被测物体发射超声波，检测反射波并进行分析，从而获到障碍物的信息。超声波传感器由于信息处理简单、快速并且价格低，被广泛用在机器人测距、定位及环境建模等任务中。但在多关节机器人实时避障系统中存在一定的局限性，主要表现在四个方面：一是因为超声波的波长相对长＿些，对于稍大的扁平的障碍物可以发生镜面反射，传感器由于接收不到反射信号，导致此障碍物不能被检测到；二是盲区较大，因为每个超声换能器既作超声发射器又作超声接收器，因此不能同时发射超声和接收超声。在发射超声后必须经过一段时间才能处理返回的声波。如果障碍物距离太近（＜３０ｃｍ左右），则传感器收不到返回的声波，所以该类传感器存在测量盲区；三是表现在探测波束角过大，方向性差，往往只能获得目标的距离信息，不能准确地提供目标的边界信息，单一传感器的稳定性不理想等。在实际应用中，往往采用其它传感器来补偿，或采用多传感器融合技术提高检测精度等；四是由于超声波受环境温度、湿度等条件的影响，以及超声固有的宽波束角，超声传感器在测距时，所测量的值与实际的值的误差较大。电容耦合．１９．西华大学硕士学位论文式传感器是当某物体接近传感器时电容发生改变，电容的改变可使振荡器起振或产生相移改变，以此来检测障碍物的存在。此类传感器性能稳定、可靠和耐用。缺点是由于传感器分辨率很低，在其测量的范围内不能分辨出物体的维数。机器人在处理时必须假设障碍物非常大，例如，如果障碍物的距离为２ｃｍ，则被认为２０～３０ｃｍ的物体来处理，这就大大了机器人手臂运作的空间。电涡流传感器通过向外发射高频的变化的电磁场，对周围的目标引起电涡流。电涡流的大小与传感器和目标物体之间的距离有关，电涡流产生的磁场与传感器的磁场方向相反。两个磁场相互叠加，就会减少传感器的电感和阻抗。采用适当的电路把阻抗的变化转换成电压的变化，就能计算出目标物体的距离。电涡流传感器尺寸较小，可靠性较高，价格也较便宜。不但可以作为接近觉传感器，检测障碍物的存在和物体距离，而且可以采用适当的方法检测力、力矩或压力，测量精度比较高，能够检测Ｏ．０２ｍｍ的微量位移，测量还具有方向性。但是，这种传感器的缺点是作用距离较短（一般不超过１３ｍｍ）。另外，此传感器仅适用于障碍物为固态导体的检测。红外传感器是一种比较有效的接近觉传感器，经常被国内外学者应用在多关节机器人避障系统中，用来构成大面积机器人“敏感皮肤”，覆盖在机器人手臂表面，可以检测机器人手臂运行过程中的各种物体。传感器发出的光的波长大约在几百纳米范围内，是短波长的电磁波。红外传感器具有以下特点：不受电磁波的、非噪声源干扰；可实现非接触性测量。另外，红外线（指中、远红外线）不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。同声纳传感器相似，红外线传感器工作处于发射／接收状态。这种传感器由同一发射源发射红外线，并用两个光检测器测量反射回来的光量。由于这些仪器测量光的差异，它们受环境的影响非常大，物体的颜色、方向、周围的光线都能导致测量误差。但由于发射光线是光而不是声音，可以在相当短的时间内获得较多的红外线传感器测量值，测距范围较近，大致为３０ｃｍ以内。传感器的选择好坏直接关系到多关节机器人采集周围环境信息量的多少，传感器的选择。在具体选择传感器时，要根据所要实现的目的、功能和价格等多种因素来综合考虑。一般应考虑测量范围、精度、灵敏度、动态特性、测量方式、工作条件及其它因素。西华大学硕士学位论文２．６机械手的设计方案本文所设计机械手系统属于实验室研究的一个子系统，总系统框图如图２．３。Ｆｉｇｕｒｅ２－３ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＶｅｈｉｃｌｅＳｙｓｔｅｍｓ图２－３智能小车系统本论文得主要工作是设计选取满足要求的机械臂并对其进行运动学建模以将机械手系统终端手爪开合机构送到待抓取的目标物体处，然后通过处理器二来实现对机械手系统得控制，通过第二章的分析和研究，大体上确定了机械手的设计方案，即四关节五自由度机械臂＋手爪的方案。四个关节分别为腰关节、肩关节、肘关节、腕关节，五个自由度分别为腰部回转，肩关节转动、肘关节转动、腕关节回转及手爪抓取。手臂转动关节采用拆装方便的驱动方式。机械手各零部件选用轻型、易加工、价格合适且刚度、强度满足要求的铝合金材料。机械手的设计在一定安全系数下，按照减轻零部件重量，提高精度的要求进行，西华大学硕士学位论文机械手手臂系统采用直流伺服电机作为驱动电机。机械手设计总体示意框图如图２．４核心ｌ传感器ｌ处。ｒ理■驱动模块－－，ｔ五自由度机械手器Ｆｉｇｕｒｅ２—４ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｙｓｔｅｍ图２．４机械手系统结构图下面：将分章介绍机械手运动学，机械手传感器的选择及安装，核心处理器的选择以及电机及其驱动模块的选择。西华大学硕士学位论文３机械手运动学分析机器人运动学实质上是位置运动学分析，基于分析的连贯性，本节将运动学和速度分析放在一起进行分析。运动学研究机械手相对于固定参考系原点的位姿几何关系，尤其是机械手末端执行器位置和姿态与关节空间变量之间的关系，也称为位置运动学。对于一己知构型的机械手，即已知了所有的连杆长度和关节角度，对机械臂木端（手爪夹钳的中心）的位姿求解称为正运动学分析，通过输入关节变量的值，即可用正运动学方程计算出相应的位姿。一般称该问题为运动学的第一个问题。作为一个相反的问题，即在确定抓取目标的前提下，如果要使手爪夹钳中心定位在期望的位姿，各关节的关节变量的值如何求解。这个问题被称为运动学的第二个问题。通常用Ｄ．Ｈ法对机器人进行建模和运动学方程的求解。杆件参数关Ｆｉｇｕｒｅ３－１Ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｖｅａｎｄｏｐｐｏｓｉｔｅｑｕｅｓｔｉｏｎｏｆｔｈｅｋｉｎｅｍｅｔｉｃｓ图３—１运动学正问题和逆问题３．１运动方程的表示Ｄｅｎａｖｉｔ和Ｈａｒｔｅｎｂｅｒ９１２３】于１９５５年在“ＡＳＭＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ’’发表了一篇论文，并导出运动方程，被命名为Ｄ．Ｈ表示法，现在己成为对机器人建模的标准方法。Ｄ．Ｈ模型表示了对机器人连杆和关节进行建模的一种通用方法，无论机器人的结构顺序和复杂程度如何，都可以方便的进行建模工作，并可以此为基础对机器人进行雅可比矩阵的计算和力分析。西华大学硕士学位论文机器人的机械手都可以看作是一系列由养节连接起来的连杆构成的。为每一关节指定一参考坐标系，确定从一个关节到下一个关节（坐标系之间）的齐次坐标变换Ａ矩阵，一个矩阵是描述连杆构件坐标系之间相对平移和旋转的齐次坐标变换。将从基座到第一关节，再从第一关节到第二关节直到最后一个关节的所有变换结合起来，就可以得到机器人的总变换矩阵。用Ｄ．Ｈ法为机器人建模，首先要为每一个关节指定一个参考坐标系。对于Ｄ．Ｈ法建立的坐标系，所有的关节均用了轴表示。ｚ轴位于按右手规则旋转的方向，Ｚｎ为关节ｎ＋ｌ的运动轴，对于旋转关节，绕Ｚ轴的旋转角度０为关节变量，对滑动关节，沿Ｚ轴的连杆长度ｄ为关节变量，Ｙ轴由Ｘ、Ｚ轴根据右手笛卡儿坐标系确立，无需标出。依照图（ａ）所示，对具体的构型进行分析，即可建立相应的连杆坐标系。合理坐标系的建立应能起到模型简化的作用。图（ｂ）至（ｇ）表示了连杆坐标变换Ａ矩阵建立所需的几个标准运动，依照该步骤即可实现相邻两个坐标系之间的坐标转换，其中坐标系之间的转换按照下列顺序进行：“数每∥≮。ｋ（ｂｌ＾卷，压∈。“¨∑／舡Ｆｉｇｕｒｅ３··２Ｄ－－ＨｉｎｄｉｃａｔｉｏｎｏｆＪｏｉｎｔ－ｌｉｎｋ图３－２通用关节连杆的Ｄ－ｔ１表示－２４．西华大学硕士学位论文（１）绕乙轴旋转眈＋１，使得Ｋ和以¨，互相平行；（２）沿乙轴平移以＋ｌ，距离，使Ｅ和％＋。，共线；⑨沿瓦平移％＋。的距离，使得Ｌ和以＋．，的原点重合，这时两个参考坐标系的原点处在同一位置：（４）将乙轴绕咒＋。，轴旋转ａ川，，使得乙轴与乙＋。轴对准，这时坐标系ｎ和ｎ＋１完全重合，即可完成坐标系之间的转换。通过右乘上述四个运动的转换矩阵即可得到齐次变换矩阵Ａ。４，＋ｌ＝Ｒｏｔ（ｚ，吼＋１）×Ｔｒａｎｓ（Ｏ，０，以＋１）ｘＴｒａｎｓ（ａ州，０，０）ＸＲｏｔ（ｘ，ａ肿１）００１００Ｏ１１００ＯＯ１０ＯＯＯＯＯ１Ｏ０Ｏ０１０Ｏ１００ＯＯＣＯ。＋ｌＳＯ。＋ｌ００ＳＯ。＋ｌＣＯ。＋ｌＯＯ００１ｃｏ．＋ｌ—ｓｏ．＋ｌｓｏ．＋ｌＯ００％＋１Ｏ１ＯＯ０１Ｃ眈＋ｌＯ１巩＋ｌＯ１０‘０ｃｏ．＋ｌ——ＣＯ。＋ｌｓｏ．＋ｌｓｏ．＋ｌ０ＯＣＯ。＋ｌｃｏ．＋１ＳＯ。＋Ｉ０ＳＯ。＋ｌｓｏ．＋１—ＳＯ。＋ｌＣＯ．＋１％“ＣＯ．＋ｌ％“ｓｏ．“（３．１）ＣＯ川Ｏ以＋ｌ１则四自由度机械手臂基座与机械手之间的总变换为：ｏ五＝４４鸣４（３．２）对于本文研究的机械手样机，首先利用标准Ｄ—Ｈ方法，建立机械手样机的坐标系，其坐标系的描述如图３．３所示。假定机械手各部分长度为：上臂厶、小臂厶、手爪，Ｌ＝（厶＋乞＋厶）／３，则可得到一＝，，／三，根据三动杆机构的性能分析，可以得出下面的结论，即当三杆长度满足下列条件‘／ｒ２＝１～１．２，并且ｒ３＜０．５时，三动杆的灵活性和运动幅度较高，同时，其全局条件数最大，手臂末端的操作速度、变形也处于中等范围内。当全局条件数最大时，操作过程中易于实现精度控制。结合三动杆原理，并且考虑到机械手用于实验室内部实验使用，确定机械手的各部分尺寸长度为大臂８０ｍｍ、小臂８０ｍｍ、手爪４０ｍｍ。西华大学硕士学位论文◆＃‘：一－一分≯云Ｘ？‘．ｄ４ｘ。！毒≯薯＇／ｘ、。：ｏ矽≮曩．．：二Ｉ＇．：：：』二Ｅ二ｆ．｜Ｆｉｇｕｒｅ３·－３Ｄ－·ＨＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＳｙｓｔｅｍｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ’图３－３机械手样机Ｄ．Ｈ坐标系拟定机械手参数和关节变量如表３．１，长度单位（ｒａｍ）。表３—１机械手参数和关节变量关节ｎ１２３４ａ。９００Ｏ９００Ｏ％０８２２０Ｏ破Ｏ０Ｏ１２０关节变量眈一９００～９００．１８００～Ｏ０～１８０００－９００３．１．１正运动学方程正运动学只涉及到物体的运动规律，不考虑产生运动的力和力矩。机器人正运动学所研究的主要内容，就是给定机器人各关节的角度，计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。将各连杆变换矩阵相乘，可得到西华大学硕士学位论文机械手末端执行器的位姿方程。机械手基座与机械手之间的总变换为：ｏ五＝４４４４ｑＯ０１０咯２墨ｑＯＯＯＯＯＯ０１ｅ（３．３）４＝ｑＯ０（３．４）４＝乞＆ＯＯ乞０Ｏ０Ｏ邑１Ｏ（３．５）叩掣ｏ。ｎ３ｃ３４＝一巳０００色岛Ｏ１０白黾ＯＯ１Ｏ（３．６）ｌｃ４邯４【－００以２∽ｃ４１｛：１０１ｑｃ２（３．７）ｊ２一ｑ是一墨是巳Ｏ＆ｔＯＯ函．２ｏ互＝ＡＩＡ２＝■ｃ２Ｊ２２口．２印邓口（３．８）５，ｏＯ印印ｙｌ●ｃｌ乞毛＋ｑｅｓ２一口口ｑ吒吒ｏ乃＝ｏ疋４＝ｑ乞Ｃ２ＳＩ邑＋Ｓ１Ｓ２ｃ３墨吧ＯＯｓ２邑一ｃ２巳０ｑ■乞乞ｓ一斗叩呐％ｑＣ２３乞巳ｓ１一ｓｉｓ２ｓ３ｓ２巳＋巳岛０ｏＴ４＝Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４卿叫坞。嘴淞揭叩叩以．ｂ爷玲墨柏帕晒ｑ砭以晚眈（３．９）膨蹦礁。Ｓ１ｔＩＣ２屯＋ＣＬＣ３Ｓ２ｑｃ２ａ３巳一ｃＩｓ２ａ３ｓ３＋ｃｌｃ２ａ２＿ｃ１０Ｏ巳屯墨＋ＳＩＳ２乞￥１Ｃ２ａ３ｃ３一Ｓ１Ｓ２ａ３岛＋ｓＩｃ２ａ２ｓ２％一乞ｃ３Ｏ是口３ｃ３＋ｃ２ａ３ｓ３＋ａ２ｓ２１（３．１０）．２７－西华大学硕士学位论文ｑＣ２３ｃ４＋■Ｓ４五Ｃ２３Ｃ４一ｑＳ４Ｓ２３Ｃ４一Ｃ１Ｃ２３ｓ４七ＳＩｃ４ｃ１Ｓ２３ＣｌＳ２３ａ４＋ｃＩＣ２３ａ３＋ｑｃ２ａ２ｓｉｓ２３ａ４＋％＿乞３＋ｓ１Ｃ２ａ２一乞３ａ４＋ａｓｓ２３＋嘭是ｌ－Ｓ１Ｃ２３＆一Ｃ１Ｃｏ－－￥２３Ｓ４ｓｌ是３一乞３Ｏ（３。１１）ＯＯ上述各式中ｓ，，ｃ，分别表示ｓｉｎ臼，，ｃｏｓ０，％，勺分别表示三ｓｉｎ（０，＋ｑ），ｃｏｓ（０，＋ｑ），至此，求出了机械手正运动学解，给定各关节的旋转角度参数，即可求出机械手末端夹钳中心的位姿。３．１．２逆运动学方程逆运动学解是非常重要的，为使机械手处于期望的位姿，有了逆运动学解就可以确定各个关节变量的值，逆运动学解是进行机械手控制系统程序编程的重要依据。下面论述机械手逆运动学解的求解过程。为了书写的方便，将上一节式（２．１１）的矩阵表示为［ＲＨＳ】。将机械手术端期望的位姿表示为：ｎｘｏｘＱｘｐｘＰｙ尺％＝ｎｙｎ＝ｏｙＯ：ａｙａＺ（３．１２）ｐｚ１ＯＯ０为了求解角度，依次用４１左乘上述两个矩阵，得到：ｑＰｘＰｙ４－１×ｑ哆叱０吃ｂ％Ｏ＝４１×［ＩⅢＳ卜Ａ２４４（３．１３）ｐ：ｑ％Ｏ１７ｌｘ０ｘ口ｊ—ｐ·，ｚ”ｙ刀：ＤｙＤｚａｙ口２—Ｐ·０一ｐ·口（３．１４）ｑ吩吃０以Ｂ见●Ｏ００ｌ式（２．１３）左式计算为：‰ｑｏｙｏｚｎｘｐｘＰｙｐ：ｑＯ墨ＯＯ１ＯＯＯＯ１ｎｘｏｘｎｘｐｘｐｙ４１×ｎｙｎ：ａｙａ２ｎｙｎ：ｏｙｏ：ｎｙ（３．１５）ａ：ｐ：ＯＯＯ１西Ｏ，ＯＯＯＯ０１西华大学硕士学位论文Ｃｌｎｘ＋ＳＩｎｙｑｏｘ＋Ｓｌｑｃｌｑ＋ｓｌａｙｃｌｎ＋Ｓｐ．ｙ刀．０，口．ｐ：品％一ｑｂＳｌｏｘ－ｃｌｏｙＳｌａｘ－ｃｌａｙＳＩｐｘ—ＣｐｙＯ０Ｏｌ式佗．１３）右式计算为：４１×［ＲＨＳ］＿４４以Ｉ乞３缸一ｃ２３ｓｊｓ２３ｓ２３ｄ４＋ａ３ｃ２３＋口２ｃ２一ｌｓ２３ｃ４一ｓ２３ｓ４－－Ｃ２３一ｃ２３ｄ４＋ａ３ｓ２３＋ａ２ｓ２Ｉｓ４ｃ４００１０００】对比式（２．１６）和式（２．１７），根据式（２．１６）和（２．１７）的３，４元素，有：＆Ｐｘ—ＣｌＰ）！＝０眦ｒａｒｃｔａｎｌＬｐ见ｙ］根据式（２．１６）和（２．１７）的３，１元素和３，２元素，得到：＆２ｓｌｎｘ—ｑｎｙ则０。：ａｒｃｔａｌｌ业臼２‘Ｏｘ—Ｃ１％ｓｐｘ—ｃｐｙ根据式（２．１６）和式（２．１７）１拘１，３和２，３元素，得到Ｓ２３２Ｃｌａｘ＋Ｓｔｐｙ－－Ｃ２３２ａ２０２３：一ａｒｃｔａｎ（业）或。２３：０２３＋１８０。则根据式（２．１１）和式（２．１２）的３，４元素，得到：一ｃ２３以＋ｓ２３呜＋口２Ｓ２＝见。则＾）＾一。一旦：±１２３垡４二曼２生呸根据（２．１１）和式（２．１２）的１，４元素，得到．２９．（３．１６）（３．１７）（３．１８）（３．１９）（３．２０）（３．２１）（３．２２）（３．２３）（３．２４）西华大学硕士学位论文岛ｓ２３以＋ａ３ｃｌ巳３＋ＣＩＣ２ａ２２见则（３．２５）（＿＝—ｐｘ－ＣｌＳ２３ｄ—４－ａ３ｃｉｃ２３（３．２６）ｃｌａ２由式（２。２４）．币ｔｌ式（２．２６），得到：乱：ａｒｃｔａｎ翌￡鱼垡［垒鱼ｑ（以一ｑｓ２３以一ａ３ＣＩｃ２３）（３．２７）：ａｒｃｔａｌｌ—丝掣塑一由于０２、包，均已求出，则Ｂ２０２３一幺ｑ以一ｑ２（ｓ２３以＋ａ３ｃ２３）（３．２８）０２，有两个解，所以只‘也有两个解。对于方程的多解问题，需要进一步的分析式（２．２２）中，０２，的可能值有两个，即：．ａｒｃｔａｎ（翌出）·ａ７ａＺ（３．２９）一ａｒｃｔａｎ（翌±竖）＋１８０。的值。则机械手的逆运动学方程为：（３．３０）实际见和ｇ均只能取负值，不会出现正值的情况，所以Ｂ，只能够取式（２．２９）卜…瞄ＪＩ卜删呱鼍予卜ａｒｃ切ｎ蒜ｑＰ慧（Ｓ２３８４Ｉ良：ａｒｃｔａｎ—旦＿型尘竺凸～ｑｐｘ—Ｃ１２（ｓ２３以＋ａ３ｃ２３）哆：一ｑ‘＠３·，＋ａ３ｃ２３）ｌ包：ａｒｃｔａｎ监ｉ盟３．１．３速度方程对机器人速度的求解建立在微分运动的基础上。微分运动时机构的微小运动，如果在一个小的时间段进行测量和计算该运动，就可得到速度关系。其求解一般要借助于机器人雅可比矩阵。多自由度机器人中，可通过雅可比矩阵将．３０．西华大学硕士学位论文关节的的微分运动（速度）和手的微分运动（速度）联系起来。雅可比矩阵仁Ｊ）是由位置方程的各元素对各关节变量０求微分得到的，然而为了计算各关节的微分运动（速度）以得到所需要的手爪的微分运动（速度），如同运动学的逆问题，需要计算雅可比矩阵的逆。求解了雅可比矩阵的逆，就可计算出每个关节需要以多快的速度，才能使手爪产生期望的微分运动或速度。求解雅可比矩阵的逆阵可采用高斯消元法或其他类似方法进行求解，但是都比较困难和麻烦。在机械手运动中，随着运动及构型的变化，雅可比矩阵中所有元素的实际值是不断变化的，虽然雅可比矩阵的符号方程相同，但由于数值的变化，需要不断计算雅可比矩阵的值。这对于控制来说，将产生大量的计算开销，必须保证计算过程快速高效，否则将极不精确，或产生无用的结果。本文则采用上一节己经求得的逆运动学方程来进行关节速度的求解。由上一节逆运动学方程求解中的式（２．１８），可知：ＳＩＰｘ—ｔｉＰ。＝０所文卟ａｒｃｔａｎ豳可通过对该式进行微分计算求得ｄ８。Ｓ、ｐｘ２ｃｔｐｙ本ｋ墨＋Ｐ，ｃｉｄＯｌ＝勿。ｑ＋ｐ，Ｓｌｄｑｄ０１（ｎｃｌ＋ＰｙＳＩ）＝一矗ＰｘＳＩ＋ｄｐｙｃｌｄＯ：＝————Ｐ：１七ｐｙｓ、（３．３２）由上节式（２．２０）：￥２３ｄＯ，＋ｄＯ，：—－ｓｌａｘｄ０１＋Ｃｌｄａｘ＋—ｃｌＰｙｄＯｌ＋ｓｌｄｐｙ２Ｃ１ａｘ★ＳｌｐｙＣ２３Ｃ２３（ｄ０２＋拥３）＝一ＳｌａｘｄＯｌ＋ｃｌｄａｘ＋ｃｌ岛稠ｌ＋ｓｌｄＰｙ（３．３３）由上节式（２．２４）：＾）＾一。一旦：±曼２≥垡§二兰２３鱼口２ｓ２０２２ｐ，一Ｃ２３ｄ４一ｓ２３口３西华大学硕士学位论文Ｃ２ａ２ｄ０２＝勿Ｊ，＋Ｊ２３以（ｄ岛＋ｄ岛）一巳３ａ３（ｄ０２＋ｄ色）将式（２．３４）代入式（３．３３），得到：ｄ９，：—－ＳｌＧｄ０１＋ＣｌｄＧ＋—ｑｐｙｄＯｌ＋ｓｆｌｐｙＣ２以２（３．３４）乞３ｃ２３咖：＋（ｓ２３以一ｃ２３ａ３）Ｉｔｌ刀巩一（ｓｌａｘ＋ｑｐｙ）ｄＯｉ＋ｓｌ劫。】Ｃ·ａ２（２．３５）由式（２．１９）的推导：３４２３、飞一ｃｌＨｙ将白＝ＳｌＯ，一ｃ１０，带入上式得到拥。：—ｃ４ｄ０４＝ｃｌｒｔｘｄ０１＋ｓｌｄ—ｒｔｘ＋Ｓｌｎｙｄ０１－ｃｌｄｒｌｙＣ４ｃ４ｄ０４＝ｑｎｆｌＯｌ＋■西气＋ｓｌｎｙｄＯｌ—ｃｌｄｎｙｄＯ。：—ｃ４—ｄ—０—４—＝—Ｃ—ｌ—Ｆ／—ｘｄ—０—１—＋—ｓ—ｉｇ—ｎ—ｘ—＋——ｓｌ—ｎ—ｒｄ—Ｏ—１—－—ｑ——ｄ—ｎ—ｙ（３．３６）（３．３７）■ｑ—ｑＤ。最终求得四个关节的关节微分值（３．３８）其中帆，ｄｎｙ，ｄＧ，ｄａｙ等可从ｄＴ矩阵中得到，ｄＴ是门，Ｄ，口，Ｐ的微分变化。３２西华人学硕士学位论文ｄｎ，ｄｏ，ｄａ，ｄｐ，ｄＴ＝ｄｎｙｄｎｚ０ｄｏｙｄｏｚＯｄａｙｄＰ，（３．３９）ｄａ，ｄｐｚ０１由上式（２．３９），给出机械手爪夹钳中心末端的微分变量，即可求解相应的各关节变量对应的微分变化，由ｄＯｉ／ｄｔ即可求解各关节的角速度。３．２仿真分析正运动学仿真所有的仿真计算，见即手爪的旋转均取０值。为验证所建立方程的正确性，首先对上节式（３．１１）中１９ｌ０２取零，０３在０－１８０。取值，以初步验证运动学方程的正确性。仿真结果如图３．４，图中，由于鼠和０２取零，所以Ｙ坐标无变化，为绕肘关节的平面运动。图３．４的手爪末端轨迹，图３．５进行了更直观的三维描述。西华大学２５０２００’５０／／———一、、．：ｊ弋：薹１００删：阱ｊ婴５０／／Ｚ－，／～＼＼，弋‘一ｒ。＼ｊ’＼：。一／蜂０剥．５０∥…～………／ｙ：：／／．１００。，．１５０Ｏ１１．§２２。５３３．５肘关节变量ｔｈｅｔａ３Ｆｉｇｕｒｅ３—４ｔｈｅｔｒａｃｋｏｆｇｒｉｐｐｅｒ图３－４手爪末端轨迹．３３．西华大学硕士学位论文西华大学１５０１００５０￡ＥＯ．５０母４４６－Ｎ。１∞．１５０．１２５０ｙ轴《ｍｍ》４１５０ｘ轴（ｍｍ》Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦｉｇｕｒｅ３－５ｔｒａｃｋｏｆｇｒｉｐｐｅｒｉｎ图３－５手爪末端轨迹三维描述我们可以想象，理论上当只有Ｂ变化时，机械手终端相对与腰部坐标参考系的运动轨迹应该是在平面内得抛物线，仿真结果的图形和特征数据点，验证了理论分析的正确性ｏｌ取ｐｉ／２，加入吼变化，幺取值（－ｐｉ：ｐｉ／１００：０），对正运动学方程仿真结如图３．６，观察结果手爪运动轨迹仍为二维平面，与理论相符。西华大学硕士学位论文圈３－６关节变量ｅ２、岛对应手爪中心轨迹对ｑ取值（Ｏ：ｐｉ／５０：ｐｉｌ２），吃、岛与前面相同，对正运动学方程仿真，结果如图３－７．西华大学硕士学位论文圈３—７关节变量ｑ、吃、ｑ对应手爪中心轨迹以上仿真得出的四幅图片是具有代表意义的对应单关节变量，双关节以及三关节变量的机械手末端执行器手爪中心轨迹，篇幅有限在此就不列举其他仿真结果。通过观察仿真图形结果，与理论相符，充分验证了运动学方程推到的正确性，为下一步的具体任务通过编程设计实现对机械手控制建立了正确的数学模型。西华大学硕＋学位论文４．传感器的选择４．１机械手抓取过程分析我们人类的手具有极高的功能度，能够抓取很大范围内不同形状和大小的物体，完成复杂的抓取任务，而且，更重要的是它能够根据被抓取物体的重量、大小、质地、形伏的不同而采取不同的抓持力和抓握形式，能够根据对象物与手指的相对位置而变换抓取姿势，能够根据任务的要求及时改变抓取策略，这就是说它对作业环境有识别能力，能够自动适应作业环境的变化，当我们要抓取一个物体时，人类的手能够根据生活中积累的经验决定大约需要用多大的抓取力来抓取物体，才能够既保证牢固地握紧物体，又不会使被抓取物遭到破坏【２引。例如，抓取一个小铁块，手会使出比抓起鸡蛋大得多的力来牢固地握紧。在提起小铁块的过程中，如果小铁块有滑动的趋势，手的滑动觉会立刻感觉到，马上将物体滑动的信号反馈给大脑；大脑迅速做出加大握紧力的指令给手指；几乎同＿时间，手指按大脑的指令增加一定的握紧力，同时，人到手指端部的压觉将检测到的握紧力信号传递给大脑。当然，人也不会毫无目的的任意增加力的大小，他只是施加足以保持物体不滑动的力而己，虽然这个力值在人脑中是模糊的，是一个不确切的值，但人确实能够根据生活中积累的经验很好的掌握这个抓取力度。而当要抓取鸡蛋或者其它易碎物品时，他就会用比抓取铁块小得多的力来握紧，同样，在提起物体的过程中如果有滑动发生，人手的滑动觉会立刻反馈滑动信号给大脑，由大脑作出增大握紧力的指令，从而增大静摩擦力，避免发生滑动。对于常见的物体，大脑凭借经验给手指发出一个经验握紧力值指令，一般来说这个模糊值都能很好的完成任务，因为这是人们在生活中积累经验的结果。那么，现在试想有一种我们从来没有见过的物体放在那里让我们去抓取，起初一般依赖手的位置觉和触觉来控制手指与物体的相对位置，待手指握住物体后，我们会试探性的慢慢向上提起，如果感觉物体与手指间有滑动，说明我们的握紧力还不足以提供一个克服物体体重力的静摩擦力，这时候就要增加握紧力，然后再试探性的往上提起，重复这个过程直到物体与手指间没有滑动为止。最后我们成功的将物体握紧并提起来。实际上，我们在这里所说的判断有无滑动进而决定是否增加握紧力这个重复过程是人的大脑与滑觉、触觉一起在很短的时间内协同完成的。所以，在我们看来，人手抓取对象物的过程是一个连续的．３７．西华大学硕士学位论文没有停顿的过程。在这个抓取过程中，被抓取对象物不同，其重量也可能不同，重量不同则提起被抓取对象物时克服其重力所需要的静摩擦力也不同，而人手的滑动觉和压觉将相应的信号传递给大脑从而使大脑“感觉”到了对象物的这种差异进而自动调整握紧力大小以完成特定的抓取任务。通过对人手抓取物体的分析ｆ２５】，我们可以看到，人手之所以能够自我调整握紧力，适应不同对象物的需要，关键在于人手的皮肤上布满了大量的各种感觉感受器。如果我们能够利用研制出类似于人的皮肤上感觉感受器的传感器，并将它装－Ｎ老ＪＬ械手手指的特定部位，那么就可以让刚性十足的机械手具有类似人手的“柔软性’’，就可以很容易的实现对柔软易破对象物的不损坏抓握。通过上面对人类的手抓持对象物的过程分析，可以得出结论人的手之所以能够针对不同的对象物使用相应的握紧力，关键在于人手上的感受器与高密度分布的神经末梢群互相配合、协调工作，能够及时判断触觉和滑觉变化，并将这些信号及时传给大脑，供大脑作出相应的决策。神经木梢群通过感受对象物与手指之间的接触和滑移产生的力变化来识别触觉和滑觉，并及时将触、滑觉信号传回大脑，再由大脑发出已经接触对象物和增加握紧力的指令。它们二者互相配合，协调工作，使得人手能够动态调整手指的握紧力，适应作业对象的变化。因此，要想使机械手手指具有握紧力适应式控制的能力，必须在机械手安装触觉和滑觉传感器，利用这些传感器及时检测机械手手指端的触觉与滑觉，并及时将触觉信号和滑动觉信号传给控制器，由控制器内特定的软件根据这些信号作出相应的决策进而发出一定的指令控制手手指动作。在对人体皮肤感觉感受器机理研究的基础上，人们研制出了触觉传感器、滑觉传感器、力觉传感器等感觉传感器。然而在机械手实际抓取过程中还涉及到手爪加减速控制的研究，在机械手距离目标物体较远的时候设计机械手快速闭合接近目标物体，当目标物体距离机械手较近时（３ｃ约几毫米的距离）设计机械手放缓抓取速度，以较慢的速度接近目标物体然后通过触觉和滑觉传感器的信号反馈采用自适应控制技术实现对目标物体的稳定抓取。４．２传感器的选择传感器是机械手的重要部件，是自动获取信息的重要装置。传感器所测试的物理量（输入信号）有两种形式。一种是静态（或准静态）的形式，这种信号不随．３８．西华人学硕士学位论文时间变化（或变化很缓慢，在观测时间内可忽略其变化）；另一种是动态形式，这种信号随时间变化而变化。４．２．１接近觉传感器的选择本文的接近觉传感器采用反射式红外光电传感器ＳＴｌ９８。这种传感器由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。采用非接触检测方式，检测距离范围为２．１０ｍｍ。其电路如图４．１所示。Ｆｉｇｕｒｅ４—１ＰｒｏｘｉｍｉｔｙＳｗｉｔｃｈｅｓ图４．１接近开关红外光电二极管发出红外线，若前方有障碍物（及目标物体）则红外线被反射回来，照射到光电晶体管的基极使三极管导通，Ａ点电压为“Ｌ”；若前方没有障碍物则红外线不被反射回来，光电三极管处于截止状态，Ｃ点电压为“Ｈ”利用Ｃ点电位的变化即可判断前方是否出现目标物体。将接近开关通过非门接入ＩＮＴＯ，当接近开关提出中断请求会使ＩＮＴＯ引脚变低，进而通过单片机控制手爪放缓抓取速度，并检测接触觉传感器信号。４．２．２接触觉和滑觉传感器的选择为了机械手具备类似我们人手的握物感觉，就必须使机械手具有类似于人手皮肤的感觉器官。近年来，作为模仿人类皮肤的这些触觉功能的触觉传感器受到了越来越多的重视和期待。理想的触觉传感器不仅能感知物体的形态，还能对物体施加恰到好处的力和力矩。触觉传感器的特点是经触摸获目标物的多种物理信息，如：目标物的形状、表面粗糙度、抖动、抓取目标物时的夹持力、西华大学硕士学位论文滑移等信息。４．２．２．１触觉传感器按其原理主要有压阻式、压电式、光电式等几大类。（１）压阻式触觉传感器：通过接触传导元来实现，它的阻力随接触面积的增加而减小。这种方法的优点是：原材料便宜、制作简单、耐热耐用，它所产生的恒力由于信号不随时间消失而很容易检测到。缺点是：较高的迟滞现象和非线性。如工Ｉｎｔｅｒｌｉｎｋ电子公司生产的压阻聚合薄膜，也称力敏电阻，厚度可以做到０．０５ｍｍ到０．３５ｍｍ不等，具有良好的力响应特性和优异的柔软性。（２）压电式触觉传感器：。压电式传感器是一种典型的自发式传感器。某些晶体受力后，在其表面产生电荷和压电效应为转换原理的传感器。压电式触觉传感器具有输出信号容易检测和处理等优点而受到广泛研究。压电材料本身具有传感特性和致动特性于一体，是最理想的智能材料，压电材料的研究为今后传感、制动、信号传输与处理融为一体的智能化皮肤研究奠定了基础。由压电材料构成的智能化触觉传感器、致动器，由于具有其它触觉传感器无法比拟的优点而得到迅猛的发展，在智能机器人，多传感器融合，精微细加工测试、航天、航空、国防、工业控制、生物工程、化学和众多的高科技领域中得到广泛应用。（３）光电式触觉传感器：发射器一探测器系统的光屏蔽法。原理：利用分层光学结构折射率变化的原理，接触区域的光强度随压力增大而增大。通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使光的强度（振幅）、相位、频率或偏振态等特性发生变化，通过对被调制过的光信号进行检测从而得出被测量。光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、可挠曲、结构简单、体积小、重量轻、耗电少等优点。传统的压觉、硬度觉等触觉传感器均为单一功能，这与皮肤的多功能，复合结构相比相形见拙。有些人曾用微动开关、压电陶瓷等制成机器人的触觉传感器，用滑轮及光电器件制成滑觉传感器，用铂电阻丝制成热觉传感器。但它们都存在柔软性差、体积大的缺点。触觉传感器的柔顺性作为传感器一项重要的性能指标也一直是研究的重点之一，因为只有柔顺的触觉传感器，才能像人手一样抓握触摸各种形状的目标．４０．西华大学硕士学位论文对象，否则传感器的使用场合将大大受到。在这方面Ｒ．Ａｎｄｒｅｗ和ＲＤａｒｉ。等人展开了卓有成效的研究。Ｒ．Ａｎｄｒｅｗ研制的柔顺皮肤触觉传感器，其外表用柔软的硅橡胶封装，硅橡胶的内侧沾附有许多导电橡胶应变片，当物体作用于传感器表面时，应变片输出受压信号，根据不同位置的受压信号可以得到传感器表面的压力分布。ＥＤａｒｉｏ研制的拟人化人工皮肤，他利用ＰＶＤＦ膜的压电、热释电性研制了一个有１２８触点的仿人手指触觉传感器。它具有痛觉及大部分触觉功能，但存在着一个较为严重的问题，即热觉信号不能有效地与触觉信号区分开来。ＰＶＤＦ压电薄膜是一种新型的聚合物压电薄模１２６－３０１，具有良好的压电和热释电性，又有很好的柔顺性和综合力学性能，目前被认为是最好的制作机器人触觉传感器的敏感材料。大学的ＣａｒｌｎｅｎＫ．Ｍ．Ｆｕｎｇ与美国密歇根州州立大学的ＩｍａｄＥｌｈａｊｊ等人研制了一种ＰＶＤＦ多方向微力感觉系统，这种ＰＶＤＦ传感器能检测范围在５０ｐＮ以内的微力。加拿大ｓｉｍ．ＮＦｒａｓｅｒ大学的Ｊ．Ｄａｒｇａｈｉ使用三片ＰＶＤＦ压电薄膜制作了触觉传感器，传感器压电膜上的应力与外力位置到压电膜的距离成反比，从而可以得到一条位置曲线，由三片ＰＶＤＦ压电薄膜测出的三条位置曲线的交点能够算出外力的位置和大小。ＰＶＤＦ压电薄膜的优点：ＰＶＤＦ是Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｏｒｉｄｅ的缩写，其化学名称为聚偏二氟乙烯，（也可用ＰＶ只表示）是一种有机高分子功能材料。它是由许多单体偏二氟乙烯聚合而成的高分子聚合物，分子链为（ＣＨＺ—ＣＦＺ一）ｎ（ｎ是分子数约为２０００～１２０００）。分子量４０万～６０万，结晶度６０％～８０％，氟含量５９％。１９６９年日本学者Ｈ．Ｋａｗａｉ发现经过高倍率拉伸和高电场下极化真空蒸发金属电极后的ＰＶＤＦ薄膜具有明显的压电特性，引起各国科学家的极大兴趔３１１。经过４０多年的应用和基础研究，目前ＰＶＤＦ的性能明显提高，成为最具潜力的聚合物压电材料，已经达到了实用化阶段。它是迄今为止发现的压电性最高的高分子材料，是一种新型的柔性有机敏感材料。与其它压电材料相比，ＰＶＤＦ具有压电系数大、频响宽、声阻抗易匹配、机械强度高、柔韧性好、质量轻、耐冲击、易于大面积成膜和价格低廉等优点。ＰＶＤＦ压电薄膜的压电应变常数识，，是石英晶体的ｌＯ倍，而压电电压常数９３，是所有压电体中最高的。从机电耦合系数忽看ＰＶＤＦ比水晶大。它们的声阻抗率都小于无机压电晶体。这说明高西华人学硕士学位论文分子压电塑料有优良的机械性能和很宽的频率响应范围，是一种理想的换能材料。同压电陶瓷相比，ＰＶＤＦ具有很多优点：包括机械强度高，耐冲击和非对称受力，柔性好，不脆不碎，薄而轻（一般膜厚在几“ｍ到几百／．ｔｍ之间，密度为１．７８ｘ１０３ｋｇ／ｍ３，仅为ＰＺＴ的１／４），容易制成大面积和复杂形状的薄膜；容易粘贴，可以任意分割，化学稳定性（耐腐蚀）很好；ＰＶＤＦ压电薄膜的压电常数９３；很高，故接收灵敏度高，因而更适合作传感器；薄膜的振动模式十分单纯，余振小，分辨率高；ＰＶＤＦ压电薄膜的电容很小，应变后产生的电荷保持的时间很短，因此更适合用于在线动态监测。ＰＶＤＦ不仅在许多领域中可以代替压电陶瓷材料使用，而且还可以应用在压电陶瓷材料不能使用的场合。ＰＶＤＦ压电薄膜作为一种高分子功能传感材料，它的主要特点如下３２－３４１：①宽频带：Ｏ．００１Ｈｚ．１０９Ｈｚ；②宽动态范围：１０一一１０６Ｐｓｉ；③低声阻抗：与水、人体组织和粘胶体系接近，是水的２．６倍，便于匹配；④高弹性：柔顺性好，便于贴近人体，与人体接触安全舒适；⑤高灵敏度：对同样受力条件，输出信号比压电陶瓷高１０倍以上；⑥高介电强度：可耐受强电场作用（７５Ｖ／／Ｊｍ），而此时大部分压电陶瓷退极化；⑦高机械强度和抗冲击：１０９．１０１０。Ｐａｓｅａｌ模数：⑧高稳定性：耐潮湿（吸湿性＜Ｏ．０２％）、多数化学品、氧化剂、强紫外线和核辐射；⑨易ｊＪＮＩ：可加工成特定形状；⑩易安装：可以用市售胶粘贴固定。由于ＰＶＤＦ压电高聚物敏感材料具有优良的柔软性、压电和热释电性，可实现任意分布的触觉、滑觉的感知功能。它还具有很薄、质轻、高韧度、灵敏度高、声学阻抗低、容易固定在复杂的表面、价格便宜、频带宽等特点，有很好的时间和温度稳定性。其许多特性接近人类皮肤的特性，因此非常适于制造应用于机械手的触觉和滑觉传感器。４．２．２．２ＰＶＤＦ压电薄膜的应用１９６９年日本学者首次发现ＰＶＤＦ的压电效应以后，其热释性又为其他学者所发现，１９７４年日本公司制成第一个声学ＰＶＤＦ产品，此后ＰＶＤＦ在电声、水声、探伤、超声、传感器等技术领域以及生物医学上得到广泛的应尉３５】。西华人学硕士学位论文①电声换能器利用聚合物压电薄膜的横向、纵向效应，可以制成扬声器、耳机、扩音器、话筒等音响设备，也可用于弦振动的测量。②双压电晶片将两片压电薄膜反向粘合起来，当一方拉伸时，另一方压缩。ＰＶＤＦ双压电晶片比无机双压电晶片产生大得多的位移量。用ＰＶＤＦ双压电晶片可制成无接点开关，振动传感器，压力拴测器等。在同样应力情况下的输出电压是用错钦酸铅Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０３（ＰＺＴ）制造的传感器７倍左右。③超声、水声换能器由于ＰＶＤＦ压电薄膜与水的声阻抗相近，柔韧性好，能做成大面积薄膜和为数众多的阵列传感点，且成本低，所以是制造水声器的理想材料。可用于监测潜艇、鱼群或水下地球物理探测。也可用于液体或固体中超声波的接收和发射。④医用仪器ＰＶＤＦ的声阻抗与人体匹配得很好，可用来测量人体的心声、心动、心律、脉搏、体温、ＰＨ值、血压、电流、呼吸等一系列数据。目前还用来模拟人体皮肤。⑤热电换能器ＰＶＤＦ作热电换能器的优点是居里温度相当高，热扩散率小，化学惰性强，因此很适合于作二次情报的处理，热画像清晰，可用作热光导摄像管、红外辐射光探测器。此外还可作温度监控器、火灾报警器、红外静电复印机、不接触温度计等。⑥其它应用压电高分子材料还可用于地震监测，大气污染监测，引爆装置，地下爆破监测，各种机械振动，撞击的监测、干扰装置、信息传感器，电能能源，计算机和通讯系统中的延迟线等方面。４．２．２．３ＰＶＤＦ压电特性压电现象是１８８０年由ＪａｃｑｕｅｓＣｕｒｉｅ和ＰｉｅｒｒｅＣｕｒｉｅ首先发现并描巡３６１。居里兄弟发现，在石英晶体的特定方向上施加压力或拉力会在晶体表面出现电荷，且电荷密度与施加力的大小成比例。这就是压电体的正压电效应。接着他们又．４３．西华大学硕士学位论文实验证实了逆压电效应的存在。压电效应是Ｊ下压电效应和逆压电效应的总称。习惯上把正压电效应称为压电效应。正压电效应是指某些电介质，当沿一定方向对其施加力的作用而使之变形时，其内部产生极化现象，同时在它的某两个表面上产生等量异号电荷；当外力去掉后，又恢复不带电状态的物理现象。电介质受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，比例系数为压电常数，它与机械形变方向有关，对一定材料一定方向则为常量。电介质受力产生电荷的极性取决于变形的形式（压缩或伸长）。压电效应具有方向性，当作用力方向改变，电荷的极性也随着改变。如果在电介质的极化方向上施加一交变电场，电介质本身会产生机械变形，这种现象称逆压电效应。在电声和超声工程中，常用到逆压电效应。Ｘ肄声凡（４－１）Ｆｉｇｕｒｅ４—２ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｒｙｓｔａｌＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＳｙｓｔｅｍ图４．２压电晶体转换元件坐标系的表示方法一般采用数字下脚标表示压电晶体平面或受力方向，即用１、２、３，分别表示Ｘ、Ｙ、Ｚ三个轴的方向，而以４、５、６表示围绕Ｘ、Ｙ、Ｚ三个轴向方向的切向作用。下标符导的顺序，如ｄ。表示ｊ方向受力而在ｉ方向上得到电场。图为压电晶体转换元件坐标系的表示方法。根据压电效应原理，当一个平行于ｘ轴的外力Ｅ作用于面彳，上时，在压电晶体的线弹性范围内，压电元件的表面电荷密度ａ为：Ｆ磊＝ｄ１１．ｄ，＝４ｌ等４式中：碣。．为压电系数，表示晶体承受单位力作用时产生的电荷量；吼为彳。面上的应力。由式（４．１）可知，在压电晶体弹性变形的范围之内，电荷密度与作用力之间的关系是线性的。如果同时对压电转换元件的Ｘ、Ｙ、ｚ三个袖的方向上用拉（压）力，对ＹＺ、ＸＹ、ＸＺ平面上作用切向应力，则各平面的电荷密度可．４４．西华大学硕士学位论文用数学式表示如下：１＂－６，＝碣ｌ万Ｉ＋４２仃２＋４３盯３＋儡４仃２３＋ｑ５仃３ｌ＋４６０＂１２＜疋＝吐ｌ仃ｌ＋攻２仃２＋哇３０＂３＋畋４仃２３＋吐５仃３ｌ＋吃６仃１２（４－２）ｂ＝弓ｌｏ＇１＋以２仃２＋吃３ｑ＋吃４仃２３＋吃５仃３ｌ＋以６仃１２式中：区、疋、蠡为Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ各对平面上的电荷密度；仃ｌ、０＂２、０＂３为Ａｘ、ａｙ、Ａｚ平面上作用的轴向应力；仃：。、仃，。、０＂１：为切向应力；以为压电系数，其第一下标ｉ为该方向的电荷，而第二下标ｊ为此方向施加的作用力。将上列方程式用矩阵表示，可写成：刚多（４—３）吼呸％％‰％ｌ４。４：４，４。哦，ｄｌ。ｌ式中Ｄ＝ｌｄ２。ｄ２：ｄ２，畋。畋，ｄ２。ｌ被称为压电系数矩阵。【－以。以：以，吃。吃ｓ吃ｓｊＰＶＤＦ压电薄膜的特性参数表列出了ＰＶＤＦ压电薄膜的典型特性参数。部分参数说明：①压电应变系数ｄ：是表征应力与电位移关系的常数。按其方向不同，可表示。ｄ，，是Ｘ轴方ＩｈＪ（ＰＶＤＦ中为膜的拉伸方向）上施加应力互时，此时在产生Ｅ（极化）常数：Ｂ＝ｄ，，互，。与膜面平行，用ｄ，。，ｄ，：来表示它的横向压电效应垂直于膜面，用ｄ，，来表示其厚度方向上的纵压电效应。②压电电压系数ｇ：是表征所加应力与所产生电压之间的常数，ｄ系数与ｇ关系：ｇ＝』Ｌ（４—４）８０００，式中：ｓ，为高分子介电常数；氏为真空介电常数（８．８５４ｘ１０１２Ｆ／ｍ③机电藕合系数Ｋ：是表征机械能与电能之间的耦合效应。可定义为：Ｋ：ｄ（旦）Ｖ２（４·５）￡０Ｓ，西华大学硕士学位论文式中：Ｃ为弹性系数。④声阻抗ｚ：用密度Ｐ和声速ｖ之乘积表示，与声能传播到其他场合的效率有关。Ｔａｂｌｅ４一ＩＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆＰＶＤＦ表４．１ＰＶＤＦ压电薄膜的特性参数参数厚度压电应变常数表示符号ｔＰＶＤＦ单位∥聊２８２３．３３２１６．３３０吃。吃３９３１（１０—１２）Ｃ／Ｎ（１０也）Ｃ／Ｎ（１０。）％／Ｎ（１０。）圪／Ｎ压电应力常数９３３电．机耦合常数电容Ｙｏｕｎｇ模量热电系数介电系数相对介电系数质量密度．频率范围压力范围温度范围最高工作电压击穿电压乜ｌ１２％１４％３８０２．４砖Ｃ】，ＰＰＦ／ｃｍ２＠ｌｋＨｚ１０９Ｎ／ｍ２１０—６Ｃ／ｍ２Ｋ１０－１２Ｆ／ｍ３０１０６．１１３１２．１３１．７８０．００１—１Ｇ１０～．１０６．４０～８０Ｅｇ／ｓｏｐｍ１０３堙／肌ＨｚＰｓｉ（１ｐｓｉ＝６．８９ｋＰａ）ｏＣ７５０（３０）２０００（８０）Ｖ／ｍｉｌ（Ｖ／ｐ聊），ＤＣ，＠２５℃Ｖ／ｍｉｌ（Ｖ／“聊），ＤＣ，＠２５。Ｃ７＼√①它的有效输出来自于被测能量的一部分，制成的传感器内阻高，输出能量比较小。②在零频率时，要求长时间保持微弱的静电荷比较网难，故它的低频特性较差，不能测纯静态信号，通常只能用于动态或近似动态测量。．４６．西华人学硕士学位论文③由于压电材料的极化特性，压电系统只能在一定范围内满足近似的线性要求，并容易受外界多种环境的影响。④受力时所产生的电荷将随时问而消失造成作用力很难精确测量。⑤高压电系数导致了高热点系数。这就意味着，当温度明显变化时，也会产生电荷。这种由温度导致的电荷将很难从压力所产生的电荷中区分出来，除非对信号进行同步差分方法。不过，与力的作用相比，温度所引起的变化要小得多。ＰＶＤＦ压电薄膜触滑觉传感器的基本原理是：ＰＶＤＦ压电薄膜在承受一定方向的外力产生变形时，其材料晶面或极化面会产生一定的电荷，在膜两侧的电极上聚集等量异号的正负电荷。ＰＶＤＦ压电薄膜的上下面镀金属导电层，再接上引出端，从引出端测出电荷值，就可实现对压力的测量。如果在压电薄膜的两个电极上加以适当的交变电场，就会在薄膜上同时产生两种振动。一种是与膜面平行的伸缩振动，这种效应主要用于可听音域中的声波发生和接收，通常用以，，以，来表示它的横向压电效应。另一种是垂直于膜面的纵向振动，这种效应主要用于超声波的发生和接收。用幺，来表示其厚度方向上的压电效应。在外力作用下，ＰＶＤＦ敏感元件释放的电荷是所受应力的单值函数。当压电薄膜受力后，输出电荷与外力之间有：丁兰刊；之＿１Ｑ＝４层的应力，Ｆ为薄膜承受的外力，反，为薄膜的压电应变常数。（４＿６）Ｖ叫式中：ｇ，为薄膜单位面积输出的电荷，Ｑ为薄膜总的输出电荷，叮，为薄膜承受由于两极问具有极高的绝缘电阻，因此，ＰＶＤＦ压电薄膜传感器可看成一个电荷发生器，或者一个电容器，其电容值为：Ｃ：血竺ｈ（４．７）其中：Ａ为薄膜上镀铝电极面积：ｈ为薄膜厚度；氏为真空中的电容率，ｓ，为薄膜的相对电容率。ＰＶＤＦ压电薄膜的拉伸方向的应变ｓ（ｔ）为：ｓ（ｒ）：—Ｑ（丁ｔ）－万Ｑ（ｔｏ）（４－８）乜ｐａ３１ｆｗ式中Ｅ。为ＰＶＤＦ的弹性模量，Ｑ（ｔ）为ＰＶＤＦ上的电荷，以。为压电常数，，为ＰＶＤＦ西华大学硕士学位论文的长度，Ｗ为宽度。ＰＶＤＦ的压电效应生成的传感信号是微弱的电荷信号。当作用在ＰＶＤＦ微单元上的应力变化时，将在电容两极产生电荷：△ｇ＝∑屯Ａｃｒｊ（４—９）式中：△ｑ为单位面积上的电荷变化；ＡＯ＇ｊ则为各向应力变化；吃，为各向压电常数。考察传感器上一个点（ｘ，ｙ）的初始电荷面密度为ｑ（ｘ，Ｙ，气），贝０ｔ时亥０的电荷面密度为ｑ（圳闱（圳ｏ）＋．（［主ｊ＝ｌ以，塑掣础那么对于面积为Ｑ的上的电荷：（４－１０）Ｑ。）＝Ｑ（％）＋婴ｒ骞矗，，掣破】ｄｘｄｙ．由ＰＶＤＦ两极间电压与Ｒ，电压相等得：（４－１１）ｆ≈盟将传感器接入放大电路后，考虑泄漏得到：（４－１２）∞）咧似舭毒以』掣ｄｔ］ｄｘｄｙ＋ｆｄｔ（４－１３）（４－１４）式中：Ｑ（ｔ）为ｔ时刻ＰＶＤＦ膜两极间的生成电荷总量；Ｑ（ｔｏ）为初始电荷量；ｉ为电流，Ｑ为ＰＶＤＦ的敏感面积。所以：Ｑ（ｔ）＝Ｑ瓴）＋ｆＪ【ｆ善３以，篝半丞】蚴一ｆ势式中：Ｃ为ＰＶＤＦ等效电容；Ｒ；为后续放大器的输入电阻。用，－且Ｑ（ｔｏ）＝０，则动态方程盯，是阶跃输入的解为：为获得一种直观的输出，考虑一种简单的情况，即ＰＶＤＦ只作用有垂直方向的力（以，起作用）且应力在敏感面积上的变化是均匀的，令６。＝ｏ：＝０，吒均匀作一上一上Ｑ（ｔ）＝Ｑ·以３·ｅ即·ｕ（≠）＝Ｑｏｇ７Ｕ（ｔ）（４—１５）式中，Ｕ（ｔ）为阶跃函数，一ｃ：Ｒ，Ｃ为ＰＶＤＦ生成的力激励响应电荷的时间常数。４．２．３选择分析及设计说明西华大学硕士学位论文本文机械手使用精良电子有限公司（美国ＭＥＡＳＵＩ也ＭＥＮＴＳＰＣＩＡＬＴＩＥＳＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＩＮＣ的子公司）生产的ＬＤＴＯ．０２８Ｋ型ＰＶＤＦ压电薄膜传感器（ＬＤＴＯＳｗｉｔｃｈ／ＶｉｂｒａｔｉｏｎＳｅｎｓｏｒ）。ＬＤＴＯ．０２８Ｋ型ＰＶＤＦ压电薄膜元件是一种振动传感器，主要用于汽车防盗报警器、卧式滚筒洗衣机振动不平衡及其他要求安静、小噪音的家用电器如空调及电子靶镖记分等振动信号的检测，也可以用于计数器的触发器做为柔性开关。当ＬＤＴＯ．０２８Ｋ由于直接接触而弯曲时，就是一个柔性开关。由于ＬＤＴＯ一０２８Ｋ既能作为柔性开关又能测振，因此用它作为触滑觉传感器非常合适。ＬＤＴＯ．０２８Ｋ参数：尺寸２５ｘ１３．２ｘ０．１２５ｍｍ，特点宽频带Ｏ．００１ＨＺ－一１ＧＨＺ宽动态范围（１０．８—１０６）ＰＳＩ高灵敏度，输出比压电陶瓷高１０倍高弹性，柔性好，高介电强度，可耐强电场作用（７５Ｖ／ｕｍ）抗冲击，１０９．１０１０ＰＡＳＣＡＬ。ＬＤＴＯ．０２８Ｋ型ＰＶＤＦ压电薄膜元件由压电薄膜、金属化电极、保护膜及引线构成，为了更加有效的传递传感器与物体的接触力，需要在其表面贴上包封表皮，这样当表皮上有相对滑动时又能引起表皮的诱导微振动。常见的传感器包封表皮结构主要有点阵状、三角形齿圆弧状和三角形齿直纹状三种结树”ｉ，。实验证明，点阵状和三角形齿圆弧状的包封表皮能全方位感知滑动现象；三角形齿直纹状能感知垂直于纹路的滑动。点阵状的灵敏度优于三角形齿圆弧状，三角形齿直纹状在垂直于纹路上有较强的响应信号。作为在三维空间内任意运动的机械手传感器，所抓握物体的滑动方向不确定，用点阵状包封表皮比较合适。在三维空间内任意运动的机械手，所抓握物体的滑动方向不确定，用点阵状包封表皮比较合适。同时，因为机械手对滑觉传感器的要求只是一种模糊状态的判别，对其性能的要求并不是很高，所以出于成本的考虑，最后选择反胶作为包封表皮。综上所述，出于简化设计考虑，所设计的触滑觉传感器采用单层ＰＶＤＦ结构、与表面带点阵状凸起包封表皮相结合的方式，在传感器与机械手机构之间加上一层橡胶薄膜，以免造成对机械手对传感器的损坏。接近觉传感器体积较小，可以在机械手内侧加一层橡胶薄膜，然后将接近觉传感器感光面向外内嵌于薄膜中，具体机械手与传感器的结构示意图如图４．３西华大学硕士学位论文触滑麓传感器Ｆｉｇｕｒｅ４－３ａｂｒ。ｉｄｇｅｄｇｅｎｅｒａｌｖｉｅｗｏｆｇｆｉｐｐｅｒｆｏｒｍ图４．３手爪结构示意图．５０—西华人学硕士学位论文５机械手系统组成５．１硬件组成硬件部分主要包括接近开关、ＰＶＤＦ触滑觉传感器、传感器信号调理电路、单片机系统、执行部件。如图Ｆｉｇｕｒｅ５－１ｔｈｅＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅｐａｒｔ图５．１硬件部分组成５．２主控制器的选择和外围电路设计５．２．１主控制器的选择及介绍控制与数据处理单元有两种选择，一种是选择单片机，其指令在同一时间只能有一条处于激活状态。另一种选择是ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）。ＤＳＰ采用了多组总线技术实现并行运行机制，即在同一个周期内有４条指令处于激活状态，从而极大的提高了运算速度。如果从运行速度和技术含量方面考虑，ＤＳＰ当然是最佳的选择，但是从成本、实用性方面考虑，选择单片机。本文从实用性和降低成本的考虑出发，机械手的控制器选用了飞利浦公司生产的８０Ｃ５１系列产品的８０Ｃ５５２单片机，它是增强型８０Ｃ５１单片机。飞利浦的８０Ｃ５１系列单片机与Ｉｎｔｅｌ的ＭＣＳ一５１系列单片机完全兼容，具有相同的指令系统、地址空间和寻址方式，采用模块化的系统结构。８０Ｃ５５２是一种高性能微控制器，适应于仪器仪表、工业控制、汽车控制、特殊马达管理、变速箱控制等实时应用领域【３９１。８０Ｃ５５２与８０Ｃ３１相比，增加了很多功能模块。二者功能特性的比较见表５．１。西华大学硕＋学位论文Ｔａｂｌｅ５—１ｔｈｅｃｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎ８０Ｃ５５２ａｎｄ８０Ｃ３１表５．１８０Ｃ５５２与８０Ｃ３１比较８０Ｃ５５２８０Ｃ３１２５６字节静态ＲＡＭ存储器８路１０位ＡＤ／转换器１２８字节ＲＡＭ无无２个定时器／计数器无无高速定时输出和捕捉输入阵列定时器３个定时器／计数器１个监视定时器２路脉冲宽度调制输出ＰＷＭ１个全双工异步串行ＶＩ（ＵＡＲＴ）６个８位Ｉ／０口１个工，２Ｃ串行总线口１个ＵＡＩ玎４个８位Ｉ／０口无８０Ｃ５５２采用先进的ＣＨＭＯＳ工艺制作，ＣＨＭＯＳ是以ＨＭＯＳ技术为基础，以高阻率Ｐ型材料为衬底，扩散Ｎ源及成比例的Ｎ、Ｐ沟道元件，所以集成度高，速度快，功耗低，是８０Ｃ５１系列控制器的改型产品，采用与８０Ｃ５１完全兼容的指令系统。它具有功能很强的处理机，能方便地进行二进制和ＢＤＣ码运算，并具有位处理功能。指令系统有１００多条指令，包括４９条单字节指令，４５条双字节指令和１７条３字节指令。这里采用８０Ｃ５５２，利用其多个Ｉ／０口，系统许多功能的实现不必外扩接口芯片（Ａ／Ｄ转换和ＰＷＭ输出）使系统电路结构简单，工作可靠。并且减小了系统的体积，扩展了功能，适用于有体积要求的场合。８０Ｃ５５２单片机芯片的内部有片内振荡电路，但必须外部附加电路才能形成时钟。在ＸＴＡ厶和ＸＴＡ厶引脚之间外接晶体振荡器和电容组成的谐振电路就可以使内部振荡电路产生自激振荡。为了保证振荡器的稳定可靠工作，应尽可能使晶体振荡器和电容靠近单片机芯片，以减少寄生电容。图５．２是８０Ｃ５５２单片机片外震荡器电路图，外接晶体（选用陶瓷谐振器）以及电容ＣＹｌ和ＣＹ２构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格西华大学硕士学位论文的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度稳定性。晶体可在１．２ＭＨＺ－１２ＭＨＺ之间任选，电容ＣＹＩ和ＣＹ２的典型值在５ＰＦ～３０ＰＦ之间选择，对时钟频率有微调的作用，典型值通常选择为３０ＰＦ左右（这是对应的时钟频率为１２ＭＨＺ）。在外接陶瓷谐振器时，ＣＹｌ和ＣＹ２的典型值约为４７ＰＦ。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性好的电容。二ＣＹｌＣＹ２ｌＩＩ｜４７ＰＦＹ１１１．０ｌＩｌＩ４７ＰＦ５９Ｍｌ口ｌｊ曩ｇ曩Ｆｉｇｕｒｅ５－２Ｔｈｅｓｕｒｇｅｃｉｒｃｕｉｔｏｕｔｓｉｄｅ图５．２外部震荡电路８０Ｃ５５２单片机的复位电路有上电复位和开关复位以及二者的组合，在８０Ｃ５５２单片机的时钟电路工作以后，ＲＳＴ引脚上出现２４个时钟周期（２个机器周期）以上的高电平，芯片内部初始复位，只要ＲＳＴ引脚保持高电平，则８０Ｃ５５２单片机循环复位。ＲＳＴ从高电平变为低电平以后，８０Ｃ５５２单片机从０地址开始执行程序。复位以后，ＰＳ寄存器为ＯＨ７，Ｐ０．Ｐ３为ＦＦＨ，ＳＵＢＦ的值不定，其它寄存器的值为零，复位时，ＡＬＥ＝Ｉ，ＰＳＥＮ＝１，内部ＲＡＭ不受复位信号的影响。由于８０Ｃ５５２无片内ＲＯＭ存储器，外部需要扩展ＲＯＭ芯片作为程序存储器，８０Ｃ５５２具有外扩６４Ｋ字节ＲＯＭ存储器的能力，本文根据系统所需的程序量选用具有８Ｋ字节存储单元的ＥＰＲＯＭ芯片２７６４，由于２７６４是紫外线可擦除、电可编程只读存储器，可反复擦写使用，为修改调试程序提供了方便。ＰＯ口作为分时复用的低８位地址／数据总线，在进行程序存储器器扩展时，必须使用地西华大学硕士学位论文址锁存器将地址信号从总线中分离出来，一般选用带三态输出的７４ＬＳ３７３锁存器。由于本控制系统需实时采集触滑觉信号，考虑到系统要处理的数据量大，而８０Ｃ５５２单片机内可以利用的ＲＡＭ仅有１２８个字节，系统需要扩展数据存储器，８０Ｃ５５２具有外扩６４Ｋ字节的外部ＲＡＭ和Ｉ／０的能力，本系统采用静态ＲＡＭ（ＳＲＡＭ）６２６４（ＳＫＢ）芯片，用单－－＋５Ｖ电源供电。扩展电路如图５－３，５－４所示。Ｆｉｇｕｒｅ５－３Ｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｏｆ２７６４图５－３２７６４扩展电路■司ｉＰＳＥＮⅥ佩ＲＤＦｉｇｕｒｅ５－４ｔｈｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｏｆ６２６４ａｎｄ２７６４图５－４２７６４与６２６４扩展电路－５４－西华大学硕士学位论文Ａ／Ｄ转换器８０Ｃ５５２内部Ａ／Ｄ转换器由模拟输入开关，Ａ／Ｄ转换器、ＡＤＣ控制器ＡＤＣＯＮ和ＡＤＣ结果寄存器ＡＤＣＨ等部分组成，其电路结构如图５．５所示，图５—２中ＡＤＣＯＮ和ＡＤＣＨ皆为８位寄存器。Ａ／Ｄ转换有自己的模拟电源（彳‰为＋５Ｖ和Ａ‰为模拟地）和模拟参考电源（彳‰＋和Ａ‰一）完成一次Ａ／Ｄ转换共需要５０个机器周期，丘＝１２ＭＨｚ时为５０ＪＬｌＳ。启动ＡＤＣ（ＳＴＡＤＣ）Ｆｉｇｕｒｅ５－５Ａ／Ｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｃｉｒｃｕｉｔ图５．５Ａ／Ｄ转换电路图ＡＤＣＯＮ控制寄存器：ＡＤＣＯＮ是控制Ａ／Ｄ转换的一个特殊功能寄存器，可以通过指令对它进行字节访问，以实现对ＡＤ转换的操作。ＡＤＣＯＮ各位定义如表５．２所示：表５－２ＡＤＣＯＮ各位定义Ｔａｂｌｅ５—２ＴｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｂｉｔｏｆＡＤＣＯＮｌ序号ｌ定义Ｄ７ＡＤＣ．１Ｄ６ＡＤＣ．ＯＤ５ＡＤＥＸＤ４ＡＤＣＩＤ３ＡＤＣＳＤ２ＡＤＤＲ２Ｄ１ＡＤＤＲｌＤ０ＡＤＤＲＯＡＤＤＲ２一ＡＤＤＲ０为模拟量路数选择位，可以通过指令设定，用于在Ｐ５．７一Ｐ５．Ｏ中选择一路当前需要送给１Ｏ位Ａ／Ｄ转换器进行转换。地址选择码和模拟量路数间的关系如下表５．３所列。西华大学硕士学位论文表５．３地址的选择和被选模拟量路数间关系被选模拟量路数．ＡＤＣ０（Ｐ５．０、ＡＤＣＩ（Ｐ５．１、ＡＤＣ２（５．２）ＡＤＣ３（５．３）．ＡＤＣ４（５．４）ＡＤＣ５（５．５）ＡＤＣ６（５．６）ＡＤＣ７（５．７）ＡＤＤ２ＯＯＯＯ１１ＡＤＤｌＯＯＡＤＤ０Ｏ１０１１１Ｏ０Ｏ１１ｌ１１１１ＡＤＥＸ为允许外部启动Ａ／Ｄ控制位。若该位设定为Ｏ，则周Ｄ转换器只能由软件启动；若该位设定为１，则Ａ／Ｄ转换器既可以由软件启动，也可以由ＳＴＡＤＣ引脚上信号的上升沿启动。ＡＤＣＩ为ＡＤＣ中断标志位，当Ａ／Ｄ转换完成并准备好可以为ＣＰＵ读取数字量时该位被自动置位。若ＡＤＣＩ＝０，表示无ＡＤＣ中断；若ＡＤＣＩ＝Ｉ，则表示有ＡＤＣ中断。ＡＤＣＳ称为ＡＤＣ启动控制位，用户可以通过指令或外部ＳＴＡＤＣ上信号的上升沿将它置位。ＡＤＣＩ和ＡＤＣＳ共有三种工作状态，如表５－４所列，由表可见，用户只有在ＡＤＣＩ和ＡＤＣＳ皆为“Ｏ”时才能启动新一次Ａ／Ｄ转换，其它情况下启动新一次ＡＤＣ工作都会造成错误。表５—４ＡＤＣＩ、ＡＤＣＳ和ＡＤＣ的状态关系Ｔａｂｌｅ５．４ＴｈｅＡＤＣＩ０ＯｓｔａｔｅｏｆｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅＡＤＣＩ、ＡＤＣＳａｎｄＡＤＣＡＤＣＳＯ１ＡＤＣ状态空闲忙西华人学硕士学位论文ｌｌ０ｌＡＤＣ完成，等待读Ａ／Ｄ结果无效１０位Ａ／Ｄ转换的结束标志是ＡＤＣＩ＝Ｉ，ＡｆＤ转换后得到的数字量中高８位在特殊功能寄存器通口、ＡＤＣＨ中，而低２位保存在ＡＤＣｏＮ．７和ＡＤＣｏＮ．６内。当使用８０Ｃ５５２内部ＡＤＣ时，模拟信号从８０Ｃ５５２的Ｐ５口输入，经过内部多路开关进入ＡＤＣ。启动ＡＤＣ转换可以采用软件方式（ＡＤＥＸ＝０时，ＡＤＣＳ＝Ｉ）或采用硬件方式（ＡＤＥＸ＝Ｉ时，外部引脚ＳＴＡＤＣ上升沿）设置。采用硬件启动时加在ＳＴＡＤＣ引脚上的低电平和高电平持续时间应至少为１个机器周期。单片机有两个ＰＷＭ输出口、一个读选一个写选通口、一个片选口，带程序存储器。单片机８０Ｃ５５２内部数据存储器空间为１２８Ｂ。Ｐ０、Ｐ２口作为地址／数据线。Ｐ５．１作为传感器信号输入口。Ｐ１．Ｏ、Ｐ１．１作为控制信号输出口。可利用７４ＬＳ３７３和６２６４、２７６４扩展程序存储器系统和数据存储器系统。５．２．２通讯模块设计机械手系统命令执行设定上位机命令优先执行，单片机与ＰＣ的通讯主要是完成手爪在抓取过程中出现突发情况时（如实验过程中抓碎目标物体）采取人为干预的模式介入控制，通过ＰＣ机（上位机）实现机械手的紧急松爪。通讯模块采用实验室现有资源ＲＦＭｌ２Ｂ无线通讯模块。ＲＦＭｌ２Ｂ是一款低成本的ＩＳＭ频段ＦＳＫ收发模块，其核心电路采用的是带锁相环（ＰＬＬ）技术的ＲＦｌ２射频收发芯片．可直接与单片机连接，无须外接其他器件，成本低，性价比高，工作电压２．２Ｖ至Ｕ３．６Ｖ，静态功耗电流０．３９Ａ，适用于低电压、低功耗系统中。ＲＦＭｌ２可工作在４３３／８６８／９１５ＭＨＺ＿＿三个频段，并符合ＦＣＣ和ＥＴＳＩ要求．它提供一个ＳＰＩ接口（一种同步串行外设接口），实现由ＭＣＵ通过软件去设置各种射频参数和其它辅助功能．在无需外加功放电路的情况下，可使其通迅距离达至Ｕ２００米以上，足以满足本机械手系统操作使用。使用时上位机与下位机各安装一个无线通讯模块，通过上位机控制界面完成对机械手的松爪处理。实际编程设计时，可以将机械臂各个关节变量以及机械手末端执行器都列为上位机编程控制对象，这样，通过车载机器人系统所安装的ＣＣＤ传感器系统可以时时采集现场信息，这样不仅可以实现机械手的自适应抓取功能，还可以实现上位机对机械手系统的实时监控处理。５．３信号调理电路设计．５７．西华大学硕士学位论文在信号进入Ａ／Ｄ转换前，应使传感器的输出与Ａ／Ｄ转换的电压范围相匹配。由于ＰＶＤＦ压电薄膜传感器在外力作用时会有电荷产生，这个电荷量必须经信号放大装置将电荷量转化为电压量才能进行采集。通常使用的电荷放大昂贵且很难满足测量的需要，因此设计简单易行的信号放大装置是测量触滑觉信息的重要环节。电荷放大器和适调放大器电路由两级运算放大电路组成【４４１，如图５－６所示Ｆｉｇｕｒｅ５－６ｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｒｇｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓａｎｄＡｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔ图５－６电荷放大器和适调放大器电路。第一级由ＡＤ５４４Ｌ低漂移、低失调运算放大器组成，它的输入为电荷，输出为电压，是一个Ｑ／Ｖ转换器，当有１Ｎ的力作用在ＰＶＤＦ压电薄膜传感器上时，它产生的电压，理论值为ＯＣＶ，：一：一堡业！掣：．１０００×１０—１２Ｆ－００２３Ｖｏ）１－５（即电荷放大器ＡＤ５４４Ｌ的灵敏度为．２３ｍＶ／Ｎ。电荷放大器的频率响应由反馈电容Ｃｌ和反馈电阻Ｒ确定。其低频截止频率为ｆｏ＝１／２冗置Ｃｌ第二级是由一个反相放大器ＯＰ０７组成的输出调整放大器。其闭环增益为一（５．３）（５－２）彳。，：一蛐Ｒ２调整电位器如，可使如：＝－１￣一２，因此，ＯＰ０７的输出灵敏度为西华人学硕士学位论文－２ｘ（－２３ｍＶ／Ⅳ）＝４６ｍＶ／Ｎ（５－４）即，在ＰＶＤＦ压电薄膜传感器上作用１Ｎ的力时，这部分电路能输出４６ｍＶ的电压。滤波器的作用是滤除不必要的信号，无源滤波器带负载能力差，无放大作用，特性不理想，边沿不陡。这里选择有源滤波器。一般的电磁干扰的频率为１００ｋＨｚ．１ＭＨｚ，为了减少空间电磁波干扰，需要设计低通滤波器，电阻电容取值由公式厂＝１／２ｎＲＣ计算，取电阻值１ＫＱ，电容１０００ＰＦ。低通滤波器如图５－７，图中对输入信号进行了２级放大，电压增益为（１＋鲁）（１＋譬）＝４。１。ｌ“３放大电路如图５－８，其中运放选择运放ｌｍ３２３，４＝一詈，通过设置恐与Ｒ玛的比值可以最终使信号调理电路的输出电压值达到接近８０ｃ５５２的Ａ／Ｄ转换电路Ｐ５０参考电压值。参考电压为５Ｖ，所以设定放大电路中等为５，那么调理坞电路电压总增益为４０，取蜀与冠分别为２％Ｑ和１０ｋｆ２。２３ｍＶ／Ｎｘ４０＝０．９２Ｖ／Ｎ，根据以上设计机械手传感器最大可测量值约为５．４Ｎ。８０Ｃ５５２自带的Ａ／Ｄ转换器是单极性的，而滑觉信号是双极性得故经过处理后的肌电信号和触滑觉信号在输入单片机之前必须进行电平转换，电路图如下。经过电荷放大器和适调放大器电路后的电压量再经过滤波器和放大输出级和电平转换电路转变为最终输入单片机的模拟电量，但８０Ｃ５５２自带的Ａ／Ｄ转换器是单极性的，滑觉信号试双极性，所以加图５－９为电平转换电路方可输入单片机。西华大学硕士学位论文蹲卜一—ｆ。跫２一阜～。叶～—ｋ■～。一卜土“黠ｒ“手…扣鹣二～＿＿＿－＿。叫．ｐ。。。·－＿。＿。一｝●。＿。－１＿。·‘一ｒ’＿－一…麓疑ｋ…一…‘…。’１。～一２ｅ琵…～卜一｛…——…Ｉ，。，…Ｘ．．．～。享乏：荽＃。最。＋｜～ｌ。毒一ｉ…＝■Ｆ丁～１一隐Ｇ５９ｅ—ｉ蔓跫２０叠一…。…ｆｏ．磁卜厂？：ｅｗ……＊，ｍ＿“ｗｋ…一一＾“…二～＊……，｛～＊凳磁……—■“一■？”？一々一Ｏ．磁Ｆｉｇｕｒｅ５－７Ｌｏｗｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ图５．７低通滤波电路。＾…∞－～：３０蝥’…—”—。｝—”Ｐ—“—“ｒ～１——一叼’－“ｊ、≮、～…。。．＿≥Ｖ～。，茧≯／’ｉ；一；｛‘＼．、＼一Ｌ狮２４｝。’／；＼７。Ｌ磊驺２４｛Ｆｉｇｕｒｅ５－８Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔ图５—８放大电路一６０一西华大学硕士学位论文ｌ…ｊ：‘”＋５ｖ～一～ｉ…＿。…ｊ¨。ｊ…一‘ｊ…一＿…：“。‘：¨～；…～ｊ：：＋：ｕ．…＿一ｊ—ｊ一■ｊ；；：Ｌ—＿—一ｎ：……＋··ｔｏｋ，。‘。。。’１·５ｋ一…：…＿一：…０：：。；～ｚ…＋５ｖ＋Ｓｖ。ｌＯｋ‘∑．！ｉ一¨＝＋王ｉｌＩｌＶ域·５Ｖ￣＋黔！４～：一－·ｏ…一…”．：ｊ：㈡０ｆｒ：一＿＿，ｉ一ｌ：≯｛－ｊ…！。。：｛＿Ｌ／？夕一：一＼，：一“＼一…÷…·卜，·－…■；ｙ夕：：；：：：……厂一｜ｌ：：！一＼一”：一／颢唧鼻艄｛；｛：：ｃ：：７；一Ｆｉｇｕｒｅ５－９ｔｒａｎｓｆｏｒｍｃｉｒｃｕｉｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｌｅｖｅｌ图５－９电平转换电路５．４机械手开合机构控制开合机构电机有步进电机和小功率直流电机两种选择，其中步进电机需要ＭＣＵ外接环形分配器再接步进驱动来实现控制，这里考虑利用８０ｃ５５２现有ＰＷＭ脉宽调制输出资源，手爪开合机构电机选取小功率直流电机。根据手爪设计要求，直流电机选用实验室现有资源Ｎ２０ＰＡ，电压标称９．６Ｖ，无负载速度４４，７１６ｒｐｍ，电流０．１５Ａ，堵转电流２．５Ａ，转矩４０９ｃｍ，直径１２ｍｍ，长度１５ｍｍ．考虑到直流电机的转动惯量过大将导致抓取过程中处理电机减速响应时间内带来过大得误差，同时考虑增加支流电机的扭矩，需要配套使用减速齿轮，减速齿轮上需安装齿轮锁，当手爪握稳目标物体后，通过编程实现齿轮锁锁紧齿轮，从而保持机械手对目标物体的握稳状态。电机驱动选用较为常见得小功率直流电机驱动Ｌ２９８。电机的功率驱动电路的设计如图５．１０，ＥＮＡ、１Ｎ１与ＩＮ２分别连接单片机的ＰＷＭ０、Ｐ１０与Ｐ１ｌ端。当ＥＮＡ端送入ＰＷＭ占空比可变的脉冲信号，ＩＮｌ为１，ＩＮ２为０时，电机正转，机械手闭合，ＩＮｌ为０，ＩＮ２为１时，电机反转，假手张开。通过单片机调节ＰＷＭ信号的占空比达到对电机的调速目的，以控西华大学硕士学位论文制机械手闭合或张开的快慢。四个大功率二极管在这里起续流作用。ｓＥＮＢ。—尝））吡ｍＭＩＩ一Ｍ啪№ｍ№‰‰㈣姗眦眦卧Ｍ洲洲№№一ｍⅢ眦一）ｖ，ｊｆｉｇｕｒｅ５－ｌＯｄｒ｜ｖｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｄｉｒｅｃｔｅｔｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒ图５—１０直流电机驱动电路５．５软件组成８０Ｃ５５２的软件完成触滑觉信号的采集、传输及处理，并控制单片机外围器件的工作。８０Ｃ５５２软件部分主要包括系统总体控制模块、自检及初始化模块、触滑觉信号处理模块、ＰＷＭ控制程序模块等。５．５．１主程序模块软件设计思想如下：机械手上电自检通过后，这时机械手快速地闭合，直至光电开关检测到目标物体，将接近开关通过非门接入ＩＮＴＯ，当接近开关提出中断请求会使ＩＮＴＯ引脚变低，进而通过ＭＣＵ控制手爪放缓抓取速度，并通过Ｐ５．０检测接触觉传感器信号。通过ＰＶＤＦ触觉传感器检测机械手手手指是否与被握物体接触，若手指与物体未接触，机械手将继续缓速地握紧，直到接触物体，接触后机械手闭合速度将大大地减慢，保持这一状态。这时滑觉传感器工作，采集滑动信号，根据这一信息判断是否可拿起被握物体，以决定是否继续增加握力。在以上过程中，不断检测是否有松爪命令，如果出现松爪命令则电．６２．西华大学硕士学位论文机反转，处理松爪指令。抓取控制流程图如图５．１１．Ｆｉｇｕｒｅ５—１１ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＣｒａｗｌ图５．１１抓取流程图．６３．西华大学硕士学位论文５．５．２触滑觉的特征辨识模块根据现有的理论和实验验证可以得到ＰＶＤＦ压电膜的响应特性为【４５１：对静态压力不产生电荷：以相同接触面积作用于同一块ＰＶＤＦ膜，其传感器输出峰值随动态冲击力的增大而增大，呈线性关系：相同的冲击力以不同的接触面积作用于面积不同的ＰＶＤＦ膜，其响应曲线相同。由于机械手的滑觉传感器不需要辨别出触觉力的大小而只需判断出滑动事件的产生，其功用主要是一个模糊态传感器，而对由输出信号大小判断接触力大小没有要求。而判别接触和滑动的关键，便是找出恰当的特征值，以使得这两种模态在这些特征值上具有明显的区别。当传感器接触到目标物，信号有一个明显的变化，可以选择信号的均值作为传感器与目标物接触特征值。由于ＰＶＤＦ输出峰值与动态冲击力的大小成正比，因而当接触速度较低时，判断接触的阈值应设得较小，而当接触速度较快时，阈值应设得较大，具体实验时给机械手开合机构设计一个固定得速度接触目标物体，从而设定固定得阈值。滑觉信号处理相对较为复杂，相对于触觉信号来说滑觉信号具有交变性和交变持续性，因而采用衡量信号变化强度的特征值，即方差，作为判定滑觉的特征值。当然这样的处理也存在一些问题，第一，接触过程的方差与滑动时的方差并无太大的区别，因为接触过程中振动也很激烈。第二，滑移一般在抓取过程中需要严格控制的，不允许有较长时间的滑动以产生连续交变信号。为解决上述问题，对接触和滑动的先后关系预先规定，即先接触后滑动，滑动是在假手提升物体过程中产生的，该过程不会有第二个接触信号。采用Ａ／Ｄ转换电路对接触觉、滑觉信号进行采样处理，即由一门限电平ＶＴ判别输入信号的到来，启动采样保持Ａｆｔ）转换电路，将被测信号波形信息较完整地输入到单片机存储器中，然后根据输入信号的特征值进行触觉、滑觉的判断处理。检测接触觉信号是一个动态连续过程，即按一定采样周期，当采集到的信号达２５６个时开始计算均值Ｅ和方差Ｊｓ，，以后每采到一个新数据即将最前面的那个数据更新，从而保证得到的圪和Ｓ，为最新结果，使计算方法更为快捷。为保证数据的实时性，数据采用先进先出（ＦＩＦＯ）的队列的形式储存于单片机ＲＡＭ中，队列长度为２５６ｂｙｔｅ。设置，ｉ＝ｌ，２，·…，２５６是计算机所采集到的接触觉、滑觉信号离散值。以采集的信号离散值的平均值作为接触觉的特征值：西华大学硕士学位论文稚２圪２赢１（萎Ｉｘ，Ｉ＋ｌｈＩ柏Ｉ以方差作为滑觉信号的特征值：Ｉ）ｋ＝ｌ，２，３…最＝∑＃－２５６［Ｖｘ］２ｋ＝ｌ，２，３…利用主程序完成队列数据的更新、计算子程序的调用以及结果输出，如图５—１２；子程序完成队列数据的均值、方差计算，以及计算所得的特征值，将其与事先设定的阈值比较，得到开关量输出值，如图５．１３。传感器信息在经过单片机处理后可以采用以下两种方式输出：特征值输出和开关量输出。特征值是一个字节的十六进制数，对应于触觉或者滑觉的强度，即对于触觉是传感器接受冲击的力度，对于滑觉，则是物体相对传感器滑动的迅速程度。Ｆｉｇｕｒｅ５－１２Ｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍ图５一１２主程序西华大学硕士学位论文Ｆｉｇｕｒｅ５—１３Ｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅｆｏｒｃｏｕｎｔａｖｅｒａｇｅｖａｌｕｅａｎｄｖａｒｉａｎｃｅ图５－１２子程序计算均值、方差开关量输出指的是由单片机通过阈值比较给出判断结果，当计算得到的触觉或滑觉特征值大于预先设定阈值时，输出“接触发生＂、“滑动发生”，它们的输出可以由单片机的Ｐ１口完成。触觉、滑觉的产生采用阈值法，也就是说当触觉的特征值、滑觉的特征值大于对应的阈值时，产生接触或滑动。５．５．３ＰＷＭ控制模块８０Ｃ５５２单片机有专门片载ＰＷＭ输出，可以方便得应用于直流电机驱动。机械手电机的功率驱动电路只使用了８０Ｃ５５２单片机的ＰＷＭＯ输出，由于脉冲宽度寄存器是８位，所以脉冲可编程增量为１／２５５，当ＰＷＭ装载ＦＦＨ时，输出连续高电平，电机转速最大，当装载００Ｈ时，输出为连续低电平，此时电机停止转动。ＰＷＭ控制程序包括四部分，第一部分是在机械手未接触到对象物之前的握力比例控制程序，在检测到接近信号后，可以以三个等级（或更多等级）的占空比逐渐减速ａ第二部分是在机械手接触物体后，自动发出一定占空比的ＰＷＭ波，第三部分是通过判断滑觉信号来决定是否继续发送ＰＷＭ波，并加大占空比，直．６６．西华大学硕士学位论文到滑觉信号不再出现。在此过程中，只要有上位机松爪指令，控制电机反向转动，即控制机械手张开。当触觉信号超过一定的阈值时，机械手的驱动机构使机械手手指以一定的初始力夹持物体。当滑觉信号超过一定的闽值时，通过将该信号反馈给控制部分使机械手手指开始增加握力，直至物体没有滑动趋势为止，达到握物稳定的状态。当传感器的信号均值超过设定的阈值时，说明手指物体己经接触。当传感器的信号方差值超过设定的阈值时，说明物体有下滑趋势，ＰＷＭ的挡数自动加ｌ，假手握力增大，直至物体没有下滑趋势为止。最后，第四部分是如果一段时间没有触滑觉传感器信号，证明已经抓紧目标物体，此时电机仍有功率的输出，但手爪已不再继续闭合，为了防止电机的过度损耗，这种堵转状态不能持续过久，这时通过ＭＣＵ控制齿轮锁锁住直流电机齿轮减速机构，然后将ＰＷＭ装载ＯＯＨ，控制直流电机停转。此时不需要直流电机功率输出，仍然可以保持握稳目标物体的状态。用经过预处理的触滑觉信号去控制电机的转速，进而控制机械手握力的大小。西华大学硕士学位论文结论与展望：通过对机械手执行机构机械臂运动方程得建立及仿真为机械手接近目标物体建立了运动学基础，为了实现机械手对目标物体的稳定抓取，设计了系统硬件方案，包括接近觉传感器，接触觉及滑觉传感器及其信号调理电路，单片机系统电路以及直流电机及其驱动电路，再此基础上对稳定抓取进行了软件模块得设计。执行机构部分需要增加适当得传感器来最终实现将机械手末端执行器送到待抓取目标物体处，另外本文仅从理论方面设计了软硬件组成，下一步得工作是按照论文对硬件得选择购买器件进行试验，其中还需要重点设计传感器信号调理过程中遇到得干扰问题，及完成直流电机减速机构得设计，上位机编程实现对现场的实时控制也是今后需要重点解决的问题。西华大学硕士学位论文参考文献［１］Ｗａｙｎｅ，Ｊ．Ｂｏｏｋ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｆｍｏｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｉｎｔｈｅｓｐａｃｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，１９９３（９）：５２４—５３０哈尔滨：哈尔［２］赵杰．空间智能机器人多传感器集成手爪系统的研究．博士学位论文，滨工业大学，１９９６［３］解传芬．舱外移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作者：

学位授予单位：

李亮西华大学

1.学位论文 刘兵 移动机械手协制技术的研究 2005

随着我国石化工业的发展，各类化学反应容器和输送管道的泄漏检测与维修已经成为石化工业亟待解决的关键技术。由于泄漏化学品的危害性，具有自主能力的移动机械手便成为代替、辅助人类完成高度危险性修补作业的最佳选择。同时，移动机械手在拆卸易爆、易燃物品，以及防爆、反恐等社会公共安全和军事方面也具有广泛的应用前景。本文在国家863计划项目“化学危险反应器泄漏检测与修补移动机械手系统”(项目编号：2003AA421040)的支持下，对移动机械手协制技术进行了研究。

首先，本文论述了P3-AT型移动机械手的基本结构特征，建立五自由度机械手和轮式移动车体的子运动学模型，利用机械手逆运动学和速度分解控制方法实现了机械手和移动车体的协制，机械手末端执行器运动轨迹转化为机械手和车体各关节的分运动，完成了笛卡尔坐标空间到关节空间的运动变换。

其次，本文建立了机械手和轮式车体的子动力学模型，并在此基础上建立了移动机械手的动力学模型。由此确立力、质量和加速度以及力矩、惯量和角加速度之间的关系。再根据机械手末端执行器和车体的运动情况完成相应关节力矩的计算，以使它们能以期望的加速度和速度运动，保证良好的位置精度。

最后，利用人工神经网络在学习、容错等方面的特点设计了移动机械手控制器，分别对移动机械手的机械手和车体两部分的协调运动进行解耦和补偿，实现移动机械手在复杂的动态环境下的协调运动。

2.期刊论文 李娜.赵新华.LI Na.ZHAO Xin-hua 移动机械手运动学模型及其操作度 -天津理工大学学报2006,22(6)

对3自由度移动平台以及固定在其上的4自由度机械手组成的差动驱动式移动机械手进行了运动学分析,得出基于雅克比矩阵的统一运动学微分方程,最后对移动机械手及移动平台的可操作性进行了分析,得出了当机械手处于某种构形的时候,移动平台的运动对机械手的操作性无贡献.

3.学位论文 陈萍 水下机械手阻抗控制技术研究 2009

随着海洋开发进程的加快，对水下作业装备的需求日益增加，海底探测、打捞、管线检测与修复等复杂任务对水下机械手的性能提出了越来越高的要求，水下机械手控制技术的研究对提高作业能力及水下机器人的智能化水平具有重要的研究意义和实用价值。

水下机器人搭载的作业机械手，受海洋环境及其与艇体之间耦合的影响，其控制技术与陆上机械手相比有很大不同，包括位置控制、力控制在内的控制技术是水下机械手自主完成作业任务的基础和关键技术。

为优化水下机械手的作业能力，对机械手结构进行改进，建立了水下机械手的运动学模型，分析了作业空间，建立了水下机器人—机械手系统运动学模型，研究了该系统的运动学逆解问题。

分析了水下机械手在环境约束条件下的动力学特性，针对水下环境，分析了海流、水阻力、附加质量力对系统动力学的影响。建立了基于阻抗控制的水下机械手力控制系统，通过位置内环和力外环的双闭环系统来实现目标阻抗，分析了目标阻抗参数对力控制性能的影响，总结出阻抗参数调节规律。

阻抗控制是通过调节参考位置间接地实现力控制，参考位置的设定与目标位置与刚度有关，水下机械手工作环境的不确定性将给参考位置设定带来困难，本文探讨了估计单一特定环境位置与刚度的方法，以确定控制器的参考位置，提出了一种未知环境下参考位置的估计方法，基于力与位置反馈信息对环境位置进行在线估计，进而给定参考位置，规划水下机械手下一步动作，使水下机械手跟随目标物并与其表面保持期望接触力，通过力跟踪仿真实验验证了所提方法的有效性。

以水下机械手为实验载体，进行了位置与姿态控制实验，进行了多种约束条件下水下机械手的力跟踪实验、目标物抓取实验及模拟剪缆实验，对提出的参考位置估计算法的有效性进行了实验验证。

4.学位论文 刘小勇 番茄收获机械手机构分析及双目定位系统的研究 2006

农业机器人作为机器人的一种类型，是精准农业、微电子、计算机和自动控制等技术在农业生产中应用的集中体现，是农业生产过程自动化、智能化的重要标志。

果实收获是农业生产过程的重要环节，为提高劳动生产率和作业质量，降低劳动强度，改善工作环境，实现收获作业机械化、自动化和智能化，基于果实生物学特性与栽培方式的收获机械人得到了发展。目前，日本、美国、荷兰等国家已研制了多种收获机器人，主要用于收获番茄、黄瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑橘、甘蓝等蔬菜和水果。本文设计了7自由度番茄收获机械手，并对其运动学方程及双目视觉定位系统进行了研究。

本文首先根据番茄生物学特性、栽培方式及番茄收获机械手机构型综合原则，确定了番茄收获机械手是7DOF冗余度机械手；以工作空间和杆件结构尺寸为目标建立了综合优化目标函数，获得了机械手结构参数的优化解，并根据实际工作方式确定了机械手结构尺寸参数。

在确定了机械手的结构尺寸后，采用Denavit-Hartenberg方法设定了番茄收获机械手杆件坐标系，通过齐次变换建立了正运动学与逆运动学模型，获得了番茄收获机械手雅可比矩阵，并用Matlab进行了运动学正解仿真。

番茄收获机械手的运动学模型能够使机械手完成对目标的采摘要求，但是目标的位置信息的获得应该靠机器人的视觉系统。而番茄收获机械手的视觉系统主要目的是确定目标的位置，所以，本文采用双目视觉系统，建立了双目定位模型。并对摄像机内外部参数进行了标定，之后作了定位实验。

5.期刊论文 韩玉强.高秀兰 多指机械手运动学模型的建立 -机械研究与应用2001,14(4)

通过对多指机械手的结构分析,建立其运动学模型,对其运动姿态进行了研究,为多指机械手的控制提供了科学的理论依据.

6.学位论文 胡坤 移动机械手运动学分析及仿真 2006

移动机械手（Mobile Manipulator）系统是由一个或若干个机械手固定在移动平台上构成，具有工作空间大、运动冗余度高等优点，在实现危险环境、极端环境作业方面具有广泛的应用前景。本文在国家863 项目“危险化学反应器泄漏检测与修补移动机械手系统”（2003AA421040）的支持下，以美国ActivMedia Robotics 公司生产的Pioneer 3-AT型移动机器人和本实验室自主研制的五自由度机械手为研究对象，对移动机械手运动学解耦和五自由度机械手仿真进行了研究，主要研究内容如下：

首先，用D-H 法建立了五自由度机械手运动学模型,求解机械手运动学正问题和逆问题并分析了机械手的关节速度与雅可比矩阵；在分析完整约束与非完整约束的基础上，建立了移动平台的运动学约束模型，并用微分法得到了移动平台的离散模型。

其次，讨论曲线几何学和路径的参数表示方法，对五自由度机械手进行了连续路径操作轨迹规划，实现末端执行器在笛卡尔空间内的匀速运动，用MAPLE 软件计算出机械手运动学逆解，给出了各关节转角、速度和加速度曲线。

最后，利用MATLAB软件擅长数值计算、能处理大量的数据、绘图功能强的特点，编制了五自由度机械手的运动学分析计算及动画仿真程序，可以对不同结构参数的五自由度机械手模型进行运动分析及仿真，同时程序还实现了运动模型的三维可视化，为机械手的结构设置和轨迹规划提供可靠依据。

7.期刊论文 谭跃刚.倪菲.吴鹏 基于非完整约束的机械手及其运动学的研究 -机械设计与研究2004,20(4)

依据现有的非完整理论,提出了一种摩擦圆盘运动分解合成机构,理论分析表明这种运动分解合成机构具有非完整约束性.并以此作为关节模型,组成了开链多关节机械手臂.运动学分析结果表明这种多关节机械手臂具有可控性,并可通过链式变换转化为一个简单的非完整系统,这为深入研究这种多关节机械手臂的运动控制奠定了基础.

8.学位论文 王慧 SCARA机械手自适应模糊控制研究 2007

SCARA机械手结构紧凑、简单，且一般运动速度和精度都较高，在电子行业中常用此类机器人进行装配作业，因此也称它为装配机器人，本文对其进行了研究。

首先采用D-H方法建立了该机械手的正运动学模型，避免了大量的矩阵求逆和乘法运算。由于机械手运动学逆问题的求解较为复杂，目前尚没有通用的方法，所以本文在求解运动学逆问题时，利用具有万能逼近性的模糊逻辑系统对其进行了辨识。

其次基于该机械手速度模型提出了自适应模糊控制方案，该方案对控制律中模糊逻辑系统的未知参数提出了自适应调节律，文中证明了该控制方案能使机械手稳定地跟踪期望轨迹。

最后对该机械手进行了动力学分析，通过拉格朗日方法建立动力学模型。基于该模型提出了自适应模糊控制方案，文中证明了该控制方案也能使机械手稳定地跟踪期望轨迹。仿真结果表明了以上所提方案的有效性。

9.期刊论文 汪木兰.殷梅.韦皆顶.费树岷.Wang Mulan.Yin Mei.Wei Jieding.Fei Shumin 智能型采棉机器人中单机械手运动学建模与仿真 -农机化研究2009,31(5)

针对我国采棉方式严重制约着采摘效率和收获成本的现状,提出了基于单机械手的智能型采棉机器人构想.根据D-H法则和机械手的结构参数,建立了单机械手的运动学模型,采用反变换法求解运动学逆问题,利用MATLAB仿真,验证了所建模型和所有连杆参数的正确性,保证了机械手各关节的准确运动,实现了棉花的实时、高效采摘,并且可以在上述机械手运动学模型基础上开展轨迹规划和避障等技术研究.

10.学位论文 文维阳 置片机器人的研究与设计 2007

机器人是一种典型的机电一体化设备，广泛应用于工业生产、太空和海洋探索、国防技术等领域。机器人技术水平已经成为一个国家工业综合实力的标志。本课题与中国航天科工集团某厂合作，在火箭发动机壳体内部粘贴绝热胶片后，为了检查机壳体内的粘贴效果，需要对壳体内部进行检查，用高能粒子发射器照射壳体，使壳体的内部情况反映到照相底片上，照相底片不能用人工提取，所以需要用机械手提取照相底片，并将底片放回原处。 本文以机械手为研究对象，采用Denavit-Hartenberg方法建立了连杆坐标系下的机械手运动学模型，对其进行了运动学正向、逆向求解。同时根据机械手的结构讨论了机械手工作空间的形成、特点和求解方法，文中还构造了机械手的雅可比矩阵，在此基础上，用拉格朗日方法建立了机械手的动力学方程，并对方程作了合理的简化，为机械手动态仿真和实时控制提供可靠的方法和理论依据。

文章讨论了PTP轨迹规划方法，并对机械手进行了自动规划，包括高层规划和底层规划，并根据规划结果进行了动力学仿真。机器人的任务是通过控制系统来具体实现的。机器人控制系统具有开放式控制体系结构，标准化模块和标准通讯接口。本文采用了智能分层递阶PMAC+IPC的结构，实现了整个机器人控制系统。该系统具有友好的人机交互界面，操作简单，实现了整个过程的自动化、智能化。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1556146.aspx

下载时间：2010年5月21日