【摘 要】
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传统两指夹持器虽然制造简单、价格低廉,但难以满足当前机器人多场景、多要素的应用需求;而新兴的仿生灵巧手虽然自由度高、应用场景广,但其却制造、维护成本高昂,难以在实际生产生活中广泛使用。因此兼具灵活性、泛用性等优点,并且控制简单、成本低廉的三指灵巧手成为机器人末端执行器的重要选择之一。课题的研究目的是为一种新型的可变刚度三指灵巧手设计电气系统方案,硬件方面完成了包含灵巧手实时控制器、伺服驱动器和传感
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传统两指夹持器虽然制造简单、价格低廉,但难以满足当前机器人多场景、多要素的应用需求;而新兴的仿生灵巧手虽然自由度高、应用场景广,但其却制造、维护成本高昂,难以在实际生产生活中广泛使用。因此兼具灵活性、泛用性等优点,并且控制简单、成本低廉的三指灵巧手成为机器人末端执行器的重要选择之一。课题的研究目的是为一种新型的可变刚度三指灵巧手设计电气系统方案,硬件方面完成了包含灵巧手实时控制器、伺服驱动器和传感器三大模块的电气系统设计,软件方面充分发挥FPGA So C异构双核架构优势,高效的实现三指灵巧手的驱动、感知、控制等功能。首先,为一种新型的可变刚度三指灵巧手设计电气系统方案,并设计了具有Ether CAT接口的控制平台和基于DRV8305的组网伺服驱动系统。使用Xilinx ZYNQ 7000系列FPGA作为系统核心,传感信息采集和与伺服系统CAN控制器局域总线通信由PL可编程逻辑端并行完成,灵巧手控制及Ether CAT通信由PS硬核处理器系统完成。在模块化结构设计的基础上,通过合理的任务分配,充分发挥了核心的异构双核架构优势,缩短了控制周期,提高了系统的实时性。伺服驱动系统控制频率10k Hz,最大功率90W。设计了基于六步换向法的DTC直接转矩控制,通过Matlab/Simulink仿真验证了方案的可行性。其次,完成了可变刚度三指灵巧手的运动学、动力学分析。灵巧手由三根结构、尺寸相同的手指组成,取其中一根进行建模分析。通过构建D-H坐标系完成机器人正、逆运动学解析,使用拉格朗日方程结合灵巧手可变刚度特点完成机器人动力学建模。对变刚度柔顺控制展开研究,设计了阻抗控制器并通过仿真对比了在不同刚度矩阵下灵巧手指的工作特点。最后,利用可变刚度三指灵巧手开展实物实验。对手指的负载能力和可变刚度抗冲击性能进行了测试;然后基于交叉耦合同步控制优化了手指的轨迹控制精度;最后借助遥操作设备,通过抓握多种不同的物体对可变刚度三指灵巧手的抓握能力进行了验证。
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