腱驱动灵巧手指结构设计及其运动分析与试验

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摘要：当前,空间在轨维修任务主要依靠航天员完成,但是恶劣的空间环境对航天员来说充满风险。面向空间在轨维修任务的机器人多指灵巧手无疑是协助或代替航天员的最佳选择。然而,多数机器人灵巧手的机构、电气及传感系统设计都未考虑空间环境的特殊性。本文在国家863计划的支持下,设计了一个面向空间操作任务和空间环境的机器人灵巧手指,并对其运动性能、控制性能进行了分析和验证。主要研究内容如下:灵巧手指的设计指标分析、机械系统的设计和分析、手指运动性能分析以及手指位置控制和阻抗控制性能验证等。首先,本文基于人手的解剖学理论及空间在轨服务的操作任务灵巧的手指,确定灵巧手指的基本设计指标及总体方案,包括自由度配置,驱动及传动方案选择。为了具有类似人手的灵巧性,腱驱动灵巧手指具有4个关节和3个独立自由度。其中,MP关节为两自由度的差动耦合关节,能够实现侧摆/俯仰两个方向的运动,PIP关节为单自由度关节,DIP关节通过“∞”字形可预紧式耦合机构与PIP关节耦合。“N型”腱绳传动方案的选择,有效减小驱动系统的尺寸,并通过两路腱绳输入实现了MP关节两自由度(俯仰和侧摆)的差动耦合运动。为了实现对手指内部和外部信息的感知,本文通过巨磁阻式驱动端角度位置传感器与应变式腱绳张力传感器,间接实现了对灵巧手指关节力矩和关节位置的检测。其次,构建了串联关节式机器人系统数学模型,并针对长路径腱传动系统的特点进行了驱动空间与关节空间的映射描述和腱绳的弹性补偿分析。基于D-H参数法分析了单手指的正逆运动学,并利用Matlab软件绘制了手指的操作空间。基于“N”型传动方案,分析了驱动空间与关节空间的映射关系。通过对腱绳弹性变形补偿分析,得到了关节空间与驱动空间以及腱绳张力之间的精确关系,为关节位置检测提供了理论依据。另外,对关键零部件进行了应力分析,以校核其强度。最后,考虑到腱驱动灵巧手指长路径腱绳系统的非线性传递关系与间接的位置和力矩信息获取方式,构建了具有实时性的灵巧手指QNX实验系统灵巧的手指,验证了长路径腱传动手指在关节空间和笛卡尔空间的位置跟踪性能。关节空间位置控制试验和笛卡尔空间位置控制试验表明,手指在上述空间下的位置跟踪精度较好,响应较快。基于力的关节空间阻抗控制试验表明,手指的力响应速度较快,柔顺性能较好,进而验证了腱传动灵巧手指设计的合理性,达到了设计要求。

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