欠驱动多指机器人手关键技术研究

admin · 发表于 2025-3-3 17:35:20

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随着科技的快速发展，机器人技术的应用已经扩大到人类社会中生产和生活的各个方面。近年来，机器人在深空和深海探测、核电技术与核废料处理、生化实验、医疗服务、消防减灾、油气田开发等极限环境和领域发挥了巨大的作用。作为机器人的末端操作设备，机器人多指手的作用和意义十分重要。在目前已经研制成功的各种机器人手中，多指灵巧手可以完成对物体的抓取和操作。但是灵巧手输出力小、控制复杂、成本高昂，短期内难以得到实际应用。事实上，基于应用需求、按照低成本和易于操作的原则，开发具有多种抓取功能、较强抓取能力、性能稳定、驱动元件少、控制简单、高性价比的多指机器人手已经成为当前科研工作者的研究重点。在这一理念的启发下，本文尝试将欠驱动因素加入机器人灵巧手的结构和运动机理中，通过适当的机构设计实现了手指关节的被动顺应特性。与灵巧手相比，欠驱动手指机构具有驱动器数量少，结构简单等特点。更重要的是，欠驱动关节的被动适应性是机器人灵巧手所不具备的。正是由于这一特点，欠驱动机器人手表现出强大的包络抓取和抓取重构能力，抓取过程稳定、可靠，并且控制简单、成本较低，有良好的应用前景。因此，对欠驱动多指机器人手的理论和应用研究成为十分重要的课题。本文的研究工作从分析单手指欠驱动机构开始，研究内容主要包括以下几个方面：1，在选择适合的手指机构之后，以机构学理论为研究基础，对三关节欠驱动手指机构的抓取静力学和运动学进行分析。为欠驱动包络抓取建立了静力学和运动学模型，并对抓取操作进行虚拟建模和计算机仿真，通过仿真结果判断理论模型的正确性。2，本文着重论述了欠驱动手的设计理论，在设计体系中充分考虑了拟人性、传动效率、误差设计、抓取能力、结构紧凑性等多方面的影响因素，建立了基于手指多功能需求的设计方法和策略。同时还分析了由欠驱动模块机构组成的多指节欠驱动机器人手的特性。3，与灵巧手相比，欠驱动手指机构中加入了弹性元件，因此对欠驱动多指手抓取物体时的稳定性分析十分重要。本文建立了欠驱动多指包络抓取物体时的动力学模型，推导了欠驱动手指的指面等效接触刚度。进而采用李亚普诺夫稳定性理论，得到系统满足动态稳定的条件，从而确定手指机构中弹性元件的设计刚度和阻尼等边界条件。4，欠驱动手有多种抓取模式，当遇到抓取任务时采取何种方式抓取也是一个重要题目。本文基于人类日常抓取经验，提取抓取知识规则，建立了多指手抓取模式映射模型，通过该模型得到抓取规划策略，并进行了仿真实验验证了抓取模型的可靠性。5，在理论研究的同时，本文还设计了欠驱动多指机器人手的实验样机，同时开发了简单实用的控制系统，并进行了相关的实验研究。

欠驱动多指机器人手关键技术研究

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