具有多感知功能的仿人灵巧手作为机器人的末端执行机构,是仿生机器人领域的一个重要的研究方向。本课题来源于中国运载火箭技术研究院第十八研究所自筹的预研项目“空间机器人多自由度灵巧手关键技术研究”,立足于宇航空间机器人在微重力环境中对固定或进行漂浮运动的目标进行定位抓取、卫星燃料的加注以及针对废弃飞行器中有价值零部件的拆卸等空间在轨服务的任务需求,设计一套具有多种感知功能、抓握力大、稳定性高、运动精准的仿人灵巧机械手,并与十八所自主研制成功的空间机械臂相结合,从而实现“空间机械臂-仿人灵巧手”在宇宙微重力环境中进行精细作业的能力。本文的研究意义在于:具有多种感知功能的灵巧手及其智能抓取操作的研究,可以增强空间机器人在外太空微重力环境等极端条件下完成精确定位及稳定抓取等精细作业的能力,提高空间机器人系统的智能化水平,对空间机器人、危险环境下的精密操作和高级服务机器人等领域将产生重要的影响。人手是经过自然环境的考验而进化成的最灵活、最精巧的末端执行机构。为了使空间机器人能够完全替代宇航员出舱来完成复杂的操作任务,要求机器人的灵巧手具有与人手结构相似的比例、大小以及活动能力,这将由机械本体结构、精密传动机构、传感系统结构以及驱动控制系统结构的集成所共同决定。此外,仿人灵巧机械手还必须具备与人手相当的对物体的操控能力,例如进行精密灵巧操作时要求各手指末端具有足够的位置跟踪精度,而抓取结构强度低、易碎的物体时还要求各手指关节具有良好的力控制精度,在面临外界环境变化的多样性以及操作目标的不确定性时,还要求灵巧手系统具有足够的抗干扰能力和适应能力,从而保证对目标物体的稳定抓持和灵巧操作,这些均对仿人灵巧手机电一体化系统的总体性能提出了极高的要求。完整地设计了一套尺寸比例拟人化、具有18自由度的模块化仿人灵巧手CALT-18。CALT-18仿人灵巧手采用了模块化设计思想,根据人手结构的尺寸和比例,通过集成化的机械本体和紧凑化的传动机构设计,成功地实现灵巧手本体机械结构的优化设计和单手指的模块化及可互换性,同时也实现了机械结构本体、精密传动机构、传感系统、电气控制系统及高速实时EtherCAT通信系统的高度集成。相比于最先进的NASA Robonaut2灵巧手,提高了四指、五指的灵活性及操作能力,增加了灵巧手系统的总体自由度数,理论上其工作空间和灵巧操作空间将会得到提升。相比于驱动器内置型HIT/DLR-II灵巧手,采用钢丝绳索远距离传动,一方面有利于减少外形尺寸、降低灵巧手的总体重量;另一方面不受驱动电机尺寸的约束,采用大功率的伺服电机,增大灵巧手的抓握力,使其更有利于工程上的应用。在多自由度机构与微传动控制领域,在有限空间内通过柔性腱或柔性钢丝绳索实现远距离传动是一种十分有效的传动方式。而传动腱的固定方式在很大程度上影响机构的传动效率,本文发明了一种用于腱传动的锁紧工装,针对腱驱动灵巧手的传动腱的固定方式进行了特别的设计,利用高刚度金属的塑性变形对钢丝绳索紧固,不仅可以对柔性腱提供足够抱紧力,还可以精确控制紧固块的外形尺寸。相比钢丝绳打结的方式,该方法对于狭小空间的腱绳安装具有重要的指导意义,可以很好地保证绳索强度和装配精度,消除间隙,实现精密传动。传感系统是灵巧手感知外界环境以及自身状态的核心部分,本文针对CALT-18灵巧手成功研制了指尖二维力传感器和指关节微型角位移传感系统。针对灵巧手力感知的需求,将力传感器弹性体与手指关节结构进行一体化设计,从最开始的弹性体结构设计、应变片粘贴及组桥,到信号调理放大电路的设计,通过标定实验和算法校正,最终获得了较为理想的输出特性曲线。验证了用于仿人灵巧手指尖微型二维力传感器设计方法的可行性和有效性,更重要的是解决机器人灵巧手指关节狭小空间内,力传感器难以集成的问题。针对灵巧手指关节转角测量问题,本文成功研制了一种新型绝对式小型角位移传感系统,基于霍尔效应的基本理论,通过偏心圆环型的感应磁环进行特别的磁路设计,利用标准的磁编码器进行高精度的标定试验,并基于BP神经网络算法进行高精度的非线性曲线逼近,实验结果表明,全量程预测误差不超过±0.015°,在狭小空间内实现了灵巧手指关节转角的精确测量。灵巧手单手指的运动学和动力学模型是多指协同控制的基础。本文运用机器人学空间坐标变换的思想,求解灵巧手单手指串联机构的运动学方程,并给出了手指的速度Jacobi矩阵的计算方法。基于等效元素集成理论,针对灵巧手单手指系统,实现了一种简单、高效的机器人动力学建模方法,对各种复杂的机器人系统具有普适性,为实现机器人的高精度实时控制提供了理论依据。建立了手指关节驱动电机的动力学模型,并分析了关节的摩擦力矩特性,作为灵巧手控制算法的理论基础。在运动学和动力学分析的基础上,进一步研究了CALT-18仿人灵巧手的电气系统结构与控制策略,针对几种不同的阻抗控制算法进行理论分析,为后续灵巧手系统同时在自由空间中实现位置轨迹跟踪和约束空间中实现力控制奠定了理论基础。