大柔性灵巧手稳定操作机制研究

目前刚性机器人灵巧手研究较多，而具有高柔性和安全性的大柔性灵巧手在诸多领域具有广阔应用前景，但对其基础理论研究不足。本项目提出自驱动大柔性体概念，并研究建立自驱动大柔性体基本数学模型，尤其是抓取目标物体时多点接触运动学和动力学模型；通过多体抓持的几何模型和力耦合效应研究，建立基于自驱动大柔性体的灵巧手抓持力/形封闭模型，并基于旋量理论建立抓持力系模型；对大柔性灵巧手抓持空间进行位姿区域划分，建立不同区域内的操作位形约束条件和力/力矩模型，建立操作过程力/力矩补偿控制机制，借鉴滑模变结构控制思想，研究建立各操作位姿区域边界的平滑过渡模型；根据人手的操作特点和知识库建立规划推理机，研究基于知识规则的大柔性灵巧手操作规划方法。大柔性灵巧手稳定操作机制的研究为其应用研究奠定理论基础，同时对大柔性仿生机构的研究具有借鉴和指导意义。

传统的机器人多指灵巧手多采用刚性结构设计，具有高精度、高速度、高负载的优点，已经广泛应用于工业生产线。但是对于家庭服务、医疗康复、农业作业等新领域的应用需求，刚性机器人则难以适应。由于环境的不确定性、个体的差异性和模型的复杂性，此类应用急需具有高柔性和安全性的机器人柔性结构。故而大柔性灵巧手的研究具有广阔应用前景，但该类机器人的其基础理论研究很少。本项目从柔性机器人的驱动器入手，提出了自驱动大柔性体概念，设计了具体结构、制造了样机并搭建了相应的实验系统。研究建立了自驱动大柔性体基本力输出模型、运动学模型，提出了自驱动大柔性弯曲关节，研究分析了自驱动大柔性弯曲关节抓持目标物体时的单点接触几何模型和力学模型，尤其重点研究了抓取目标物体时多点接触运动学和动力学模型。通过多体抓持的几何模型和力耦合效应研究，建立基于自驱动大柔性体的灵巧手抓持力/形封闭模型。在大柔性驱动体的基础上，研制了大柔性的侧摆关节。结合大柔性弯曲关节和侧摆关节的驱动特性，研制了4自由度的大柔性灵巧手指，构建了大柔性灵巧手指的运动学模型及其位形、输出力控制算法；根据人手的外形结构参数和比例，运用仿生设计方法，创新设计了具有20个自由度的大柔性灵巧手-ZJUT灵巧手。以自驱动大柔性体作为手指关节设计的大柔性灵巧手，在实施抓取过程中与非结构化目标物体之间的自适应性和空间几何关系数学描述；大柔性灵巧手与非结构化目标物体之间形成的力/力矩系统描述，以及各个自驱动大柔性体之间力/力矩的平衡机制。研究了大柔性灵巧手操作过程中的位形选择、接触点选择以及接触力控制基本问题；研究了大柔性灵巧手操作目标物体的稳定可控性问题；研究其稳定操作规划问题。根据大柔性ZJUT灵巧手理论模型分析与控制的需要，设计了ZJUT灵巧手综合实验平台，在实验平台上进行了大柔性驱动关节、大柔性手指以及ZJUT灵巧手的模型验证实验、位置控制实验、力输出控制和抓持规划实验研究。大柔性灵巧手稳定操作机制的研究为其应用研究奠定理论基础，同时对大柔性仿生机构的研究具有借鉴和指导意义。