结构设计论文提纲

论文题目：仿人五指灵巧手的结构设计与控制研究

摘要：灵巧手是一种仿人手结构的手臂末端执行器,其作用是可以代替人手去完成一些复杂的抓取操作任务,随着机器人技术的迅速发展,灵巧手已经被广泛应用于各种领域,比如工业、太空和深海等危险领域去代替人手实现精准操作,具有重要的社会应用价值。本文根据人手的结构和尺寸大小设计了一种五指灵巧手,主要针对灵巧手手指的运动学、运动空间、控制算法及抓取问题进行研究,并完成了算法验证、抓取仿真及实验。研究内容如下:（1）灵巧手的结构设计和优化。结构设计包括手指的模块化设计和灵巧手各零件的尺寸设计和位置分布,优化部分为传动结构的设计优化,设计完成后在SolidWorks中建立出灵巧手的三维模型,最后利用SolidWorks里的motion进行手指抓取仿真,验证了灵巧手模型的稳定性和合理性。（2）灵巧手手指的运动学计算和运动空间分析。利用D-H参数法对灵巧手各手指关节进行了正逆运动学计算与分析,推导了手指静力学的方程,运用MATLAB软件中的Robotics toolbox工具箱对灵巧手手指进行模拟,得出了手指指尖的运动空间范围,为后续的轨迹规划和控制抓取奠定了研究基础,利用ADAMS软件对正逆运动的计算结果进行了仿真验证,验证了结果的正确性。（3）灵巧手的控制和抓取规划。控制包括位置控制和接触力控制,抓取规划主要包括四部分:被抓取对象模型构建、位置规划、姿态规划和抓取力规划。设计了一种接触力力矩优化算法,分析了手指指尖接触力的类型,讨论了接触约束的线性化和抓取约束的简化,然后给出了数学优化模型和算法。（4）灵巧手的仿真抓取和实验。将灵巧手三维模型导入ADAMS软件中进行了手指的包络抓取仿真和精准捏取仿真,将仿真过程中各手指关节产生的接触力数值进行处理和分析,得出了接触力的变化曲线,验证了接触力算法的正确性。仿照灵巧手三维模型的零件结构尺寸组装了灵巧手的样机模型,进行了手指的包络抓取和精准捏取实验,根据力传感器的反馈得到了实验过程中产生的接触力变化曲线图,再次验证了接触力算法的正确性。

关键词：灵巧手;结构设计;运动学;接触力力矩优化算法;仿真抓取

学科专业：机械工程（专业学位）

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 手指的结构和运动特点

1.2.1 手指的结构

1.2.2 手指的运动特点

1.3 灵巧手的研究现状

1.4 灵巧手的机构组成

1.4.1 控制机构

1.4.2 驱动机构

1.4.3 执行机构

1.5 本文的主要研究内容

2 灵巧手的结构设计

2.1 引言

2.2 灵巧手的自由度

2.3 单根手指的结构设计

2.3.1 手指的模块化设计

2.3.2 手指的组成部件

2.3.3 手指参数

2.4 驱动机构

2.4.1 驱动器的选择

2.4.2 舵机控制板

2.4.3 减速器的设计

2.5 传动机构设计

2.6 灵巧手的总体模型和抓取测试

2.6.1 总体模型

2.6.2 抓取测试

2.7 本章小结

3 灵巧手的运动学分析与仿真验证

3.1 引言

3.2 手指的正运动学分析

3.2.1 食指的正运动学分析

3.2.2 拇指的正运动学分析

3.3 手指的逆运动学分析

3.4 手指的静力学分析

3.5 单根手指的运动空间

3.6 正运动学求解的验证

3.6.1 虚拟仿真平台搭建

3.6.2 仿真结果分析

3.7 本章小结

4 灵巧手的控制与抓取规划

4.1 引言

4.2 灵巧手的控制

4.2.1 位置控制

4.2.2 接触力控制

4.3 灵巧手的抓取规划

4.3.1 接触约束的线性化

4.3.2 简化约束

4.3.3 数学模型与算法

4.4 本章小结

5 仿真抓取及实验

5.1 引言

5.2 控制算法仿真验证

5.2.1 包络抓取仿真

5.2.2 精准捏取仿真

5.3 灵巧手的样机模型

5.3.1 样机模型及参数

5.3.2 上位机软件的设计

5.3.3 机电系统

5.4 抓取实验及结果分析

5.4.1 指尖捏取实验

5.4.2 四指包络抓取实验

5.4.3 五指包络抓取实验

5.5 五指灵巧手样机的控制方式

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果