机械灵巧手设计与控制研究
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Key words：dexterous hand; movement simulation; dynamic model; adaptive control
1 引言
作为机械手与外界互相作用的最后环节,其末端操 作器直接影响机械手的可操作能力及智能化程度。鉴于 单自由度机械手末端自适应能力较差、普及性较低等问 题,机械手灵巧性逐步成为机器人领域的研究热点之一[1]。 灵巧手可视为机械手末端关节的一个自动化装置,可通 过外界环境的感知自主抓取形状不一的物体[2]；且通过与 环境的交互,将灵巧手手指的控制分为自由空间控制和 约束空间控制[3]。灵巧手手指关节空间的位置控制具有
2.1 结构设计
文章设计的医疗机械假手的尺寸参考了人类手指尺 寸的统计数据[10],并且根据实际设计的要求进行了小幅修 改,或者依据设计所要满足的功能需求及适用场合进行 调整。拟采用五指多关节设计,除大拇指以外,其余的四 根手指完全相同,除了拇指外其余四根指头都是由两个 模块组成,近手掌部分为第一模块,远离手掌的部分为第 二模块。第一模块起到一个承前启后的作用,它是连接 手掌和远手模块的重要部分,也是传递和带动第二指节 运动的重要部分,其主要的运动为内屈和外展。手指远 手掌的一端为第二模块,由第一模块的连接片相连,外形 主体也是由一个圆柱体构成,顶部为半球体,下端安装了 两个连接片,设计结构如图 1 所示。
(来自百度文库1. School of Mechanical Engineering, Xi'an 710077 China;
2. Research Institute of Mechanical and Electrical Technology, Xi'an Aeronautical University, Xi’an 710077 China )
Techniques of Automation & Applications 93
《自动化技术与应用》 2019 年第 38 卷第 6 期
机器人技术
Robotics
行仿真分析,结果表明：所设计的自适应控制器能够满足 所设计的工作需求,为仿生辅助医疗机器人设计提供一 些参考价值。
2 结构设计与运动仿真
机器人技术
Robotics
《自动化技术与应用》 2019 年第 38 卷第 6 期
机械灵巧手设计与控制研究*
杨武成 1, 马翔宇 1, 宋文学 2
（1.西安航空学院机械工程学院 ，陕西 西安 710077； 2.西安航空学院机电技术研究所 ，陕西 西安 710077）
摘 要 : 针对残疾人手指灵活性这一问题，结合人体手指的灵巧性，设计一种机械灵巧手，且对其握持和敲打等特征进行仿真分析； 基于拉格朗日公式求解机械灵巧手的动力学方程，尤其探究关节的动力学模型，鉴于灵巧手的工作需求，采用非线性 PD 和 自适应反馈控制对其控制器设计，且对误差扰动为未知进行仿真分析，结果表明：所设计的自适应控制器能够满足所设计的 工作需求，为仿生辅助医疗机器人设计提供一些参考价值。
*基金项目：陕西省教育厅科研计划项目(编号 17JK0396);西安航空学 院机电技术研究所科研基金（编号 JDKYJJ2017） 收稿日期:2018-03-12
实时计算量小、算法简单、不会发生机构的奇异现象等优 点而被广泛采用[4]。近年来,为保证灵巧机械手的自适应 能力,诸多控制算法先后被提出,如非线性 PID 控制[5]、神 经网络控制[6]等。
关键词 : 灵巧手；运动仿真；动力学模型；自适应控制 中图分类号：TP242;TP391.9 文献标志码:A 文章编号:1003-7241(2019)06-0093-05
Research on Design and Control of Mechanical Dexterous Hand
YANG Wu-cheng1, MA Xiang-yu1, SONG Wen-xue2
Abstract: Ainaing at the disabled dexterity of disabled individuals, a mechanical dexterous hand is designed. by combining with the dexterity of the human finger. The simulation analysis is done, including the characteristic of gripping and beating. The dynamic model of mechanical dexterous hand is solved, based on Lagrange equation, especially for dexterous finger joint inquiry. The controller of the nonlinear PD and adaptive is resolved to meet the needs of the dexterous hand work. With the unknown of disturbance upper bound, the simulation of the dexterous finger joint is manged, showing that the controller can meet the design requirements and provide some reference value for the design of bionic robot assisted medical.
文献[7]依据 HIT/DLR II 灵巧手的特性,提出一种 基于关节力矩与非线性补偿的控制方法。韩冬等 以 [8] 适 用于空间在轨服务的腿驱动五指灵巧手为研究对象,设 计具有一定实时性的控制系统。崔敏其等[9]人以 SCARA 机器人为研究对象,求解了其动力学方程。本文针对残 疾人手指灵活性这一问题,结合人体手指特点,设计了一 种仿生灵巧手,并在 UG 软件中进行运动仿真,验证其简 单的握持及敲打功能；进而,基于机器人动力学特性,求 解机械灵巧手单指的动力学方程,且在 MATLAB 软件进
1 引言
作为机械手与外界互相作用的最后环节,其末端操 作器直接影响机械手的可操作能力及智能化程度。鉴于 单自由度机械手末端自适应能力较差、普及性较低等问 题,机械手灵巧性逐步成为机器人领域的研究热点之一[1]。 灵巧手可视为机械手末端关节的一个自动化装置,可通 过外界环境的感知自主抓取形状不一的物体[2]；且通过与 环境的交互,将灵巧手手指的控制分为自由空间控制和 约束空间控制[3]。灵巧手手指关节空间的位置控制具有
2.1 结构设计
文章设计的医疗机械假手的尺寸参考了人类手指尺 寸的统计数据[10],并且根据实际设计的要求进行了小幅修 改,或者依据设计所要满足的功能需求及适用场合进行 调整。拟采用五指多关节设计,除大拇指以外,其余的四 根手指完全相同,除了拇指外其余四根指头都是由两个 模块组成,近手掌部分为第一模块,远离手掌的部分为第 二模块。第一模块起到一个承前启后的作用,它是连接 手掌和远手模块的重要部分,也是传递和带动第二指节 运动的重要部分,其主要的运动为内屈和外展。手指远 手掌的一端为第二模块,由第一模块的连接片相连,外形 主体也是由一个圆柱体构成,顶部为半球体,下端安装了 两个连接片,设计结构如图 1 所示。
(来自百度文库1. School of Mechanical Engineering, Xi'an 710077 China;
2. Research Institute of Mechanical and Electrical Technology, Xi'an Aeronautical University, Xi’an 710077 China )
Techniques of Automation & Applications 93
《自动化技术与应用》 2019 年第 38 卷第 6 期
机器人技术
Robotics
行仿真分析,结果表明：所设计的自适应控制器能够满足 所设计的工作需求,为仿生辅助医疗机器人设计提供一 些参考价值。
2 结构设计与运动仿真
机器人技术
Robotics
《自动化技术与应用》 2019 年第 38 卷第 6 期
机械灵巧手设计与控制研究*
杨武成 1, 马翔宇 1, 宋文学 2
（1.西安航空学院机械工程学院 ，陕西 西安 710077； 2.西安航空学院机电技术研究所 ，陕西 西安 710077）
摘 要 : 针对残疾人手指灵活性这一问题，结合人体手指的灵巧性，设计一种机械灵巧手，且对其握持和敲打等特征进行仿真分析； 基于拉格朗日公式求解机械灵巧手的动力学方程，尤其探究关节的动力学模型，鉴于灵巧手的工作需求，采用非线性 PD 和 自适应反馈控制对其控制器设计，且对误差扰动为未知进行仿真分析，结果表明：所设计的自适应控制器能够满足所设计的 工作需求，为仿生辅助医疗机器人设计提供一些参考价值。
*基金项目：陕西省教育厅科研计划项目(编号 17JK0396);西安航空学 院机电技术研究所科研基金（编号 JDKYJJ2017） 收稿日期:2018-03-12
实时计算量小、算法简单、不会发生机构的奇异现象等优 点而被广泛采用[4]。近年来,为保证灵巧机械手的自适应 能力,诸多控制算法先后被提出,如非线性 PID 控制[5]、神 经网络控制[6]等。
关键词 : 灵巧手；运动仿真；动力学模型；自适应控制 中图分类号：TP242;TP391.9 文献标志码:A 文章编号:1003-7241(2019)06-0093-05
Research on Design and Control of Mechanical Dexterous Hand
YANG Wu-cheng1, MA Xiang-yu1, SONG Wen-xue2
Abstract: Ainaing at the disabled dexterity of disabled individuals, a mechanical dexterous hand is designed. by combining with the dexterity of the human finger. The simulation analysis is done, including the characteristic of gripping and beating. The dynamic model of mechanical dexterous hand is solved, based on Lagrange equation, especially for dexterous finger joint inquiry. The controller of the nonlinear PD and adaptive is resolved to meet the needs of the dexterous hand work. With the unknown of disturbance upper bound, the simulation of the dexterous finger joint is manged, showing that the controller can meet the design requirements and provide some reference value for the design of bionic robot assisted medical.
文献[7]依据 HIT/DLR II 灵巧手的特性,提出一种 基于关节力矩与非线性补偿的控制方法。韩冬等 以 [8] 适 用于空间在轨服务的腿驱动五指灵巧手为研究对象,设 计具有一定实时性的控制系统。崔敏其等[9]人以 SCARA 机器人为研究对象,求解了其动力学方程。本文针对残 疾人手指灵活性这一问题,结合人体手指特点,设计了一 种仿生灵巧手,并在 UG 软件中进行运动仿真,验证其简 单的握持及敲打功能；进而,基于机器人动力学特性,求 解机械灵巧手单指的动力学方程,且在 MATLAB 软件进