《基于阻抗控制模型的机械手运动模型研究》14000字.docx

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基于阻抗控制模型的机械手运动模型研究

摘要

机械手运动控制是机器人领域中一个重要的研究方向。如何实现机械手对于物体的柔顺抓取，是机械手运动控制需要解决的重要问题。本文结合实验室已有机械手模型，提出了运用阻抗控制算法使机械手在抓取固定物体时，能够跟踪期望的接触力，完成对于物体的柔顺抓取的目标。

首先，完成对机械手的运动控制，对其正、逆向运动学求解是关键的一步。本文根据实验室已有机械手模型，运用D-H矩阵描述方法，使用Matlab中机器人工具箱建立了机械手的正、逆向运动学模型。并通过计算验证建模的正确性。

其次，机械手抓取动作的完成，对其工作域的求解是必须解决的问题。本文采用了基于蒙特卡洛法工作域分析法，对机械手手指的工作域进行了分析，制定了机械手的抓取策略。

为实现柔顺抓取的目标，对于机械手的动力学分析也是必不可少的。本文将机械手手指分为连杆端与驱动端两部分进行分析，根据拉格朗日法建立了机械手手指动力学模型。

最后，本文通过研究阻抗控制算法，仿真验证各阻抗参数意义，建立阻抗控制模型，由调节机械手末端阻抗使得力与位置达到期望的动力学关系，从而使得主动柔顺成为可能。

关键词：D-H矩阵，抓取控制，阻抗控制，机械手

目录TOC\o2-3\h\z\t标题1,1,目录索引标题,1,目录索引加宽标题,1

9175第一章绪论 1

8671.1课题背景和及研究意义 1

298961.2国内外研究现状 1

102821.2.1国外研究现状 1

41611.2.2国内研究现状 3

180401.2.3阻抗控制研究现状 4

145391.3本文主要内容及章节安排 5

16796第二章机械手抓取规划及仿真分析 6

275852.1机械手D-H运动学模型 6

132442.2机械手正向运动学模型 8

30682.2.1拇指正向运动学 9

103262.2.2其余四指正向运动学 10

7422.3机械手逆向运动学模型 11

183132.4机械手工作域分析与抓取规划 12

48872.4.1蒙特卡洛法工作域分析 12

247602.4.2机械手抓取规划 13

125212.5本章小结 15

30542第三章机械手阻抗控制 16

63113.1手指动力学模型 16

191203.1.1手指静力学 16

223433.1.2连杆端动力学 18

231943.1.3驱动端动力学 22

250343.2手指关节位置控制 22

131743.3手指阻抗控制 25

308963.3.1阻抗控制结构 26

272543.3.2基于位置的阻抗控制 28

164363.3.3基于力的阻抗控制 30

121533.4环境接触模型 30

315203.5阻抗力跟踪 31

191923.5.1轨迹跟踪仿真分析 32

13983.5.2阻抗力跟踪仿真分析 33

206333.6本章小结 34

21836第四章总结与展望 35

212694.1全文总结 35

152324.2未来展望 35

18103参考文献 37

7-

STYLEREF标题1\n第一章STYLEREF标题1绪论

6-

绪论

课题背景和及研究意义

本课题来源于南京航空航天大学航天学院罗麦基金会《单臂机器人驱动及控制技术的研究》，课题主要研究具有力觉反馈的机械手及其控制手套。本文在课题基础上，建立机械手动力学模型，对于机械手柔顺抓取这一问题进行详细研究。

随着科技的不断发展，机器人应用在人们的日常生活中逐渐的普及起来。工业机器人越来越多地用于执行需要与周围环境交互的任务(如装配任务)[1]，仿人机械手是仿人机器人领域中一个重要的研究方向。实现对物体的抓取，是仿人机械手的一项基本任务[2]。机械手抓取运动又分为轨迹规划，运动控制等方向。在传统的抓取控制中，机械手对于物体抓取时具有灵活性与适应性较差的缺点[3]。而在执行不同任务时，机械手可能面临不同的工作环境，工作状况。为了避免对抓取物体的损坏以及保护机械手机构的完好，这就要求机械手具有一定的主动柔顺性。而阻抗控制算法，是实现主动柔顺性的必经之路。

Hogan在1985年[4]首次提出了阻抗控制这一观点，其针对义肢运动过“硬”这一缺点提出了假设，希望能通过假想义肢与环境之间有一个弹性系数适当的弹簧相连接，进而使得义肢运动时可以像正真的人类四肢一样具有“感知能力”，进而实现出具备柔顺性的动作。SeulJun