仿人机械手的姿态同步和力反馈设计及其算法研究

论文摘要

随着机器人的智能化和应用的普及化,人机交互成为机器人领域的研究重点。带有力反馈的数据手套是人机交互的重要实现方式,基于动作捕捉技术研制的数据手套可以实现对人手手指和手臂的姿态采集,将采集到的手指弯曲角度和手臂姿态数据转换为机械手驱动电机的旋转角度,从而实现对机械手姿态的远程同步控制。利用力反馈装置将机械手与环境的交互力复现到人手,给操作者产生一种身临其境的虚拟感受,实现将人的主观意志结合到机械手控制上,从而降低机械手的控制难度,提高控制效率。本文根据力反馈数据手套和动作捕捉技术的国内外研究现状,针对目前力反馈数据手套存在的作用点单一的问题,提出了双平行四边形的力反馈结构,通过单电机驱动实现同时在两个指节上产生相等的拉力,从而增加操作者的临场感体验。力反馈系统通过电机拖动刚性拉绳在手指端产生指定的拉力,并将电机和驱动装置等硬件设备置于手掌,从而减小力反馈结构对手指的约束力。根据人手手指运动的不同状态,设计了三闭环负反馈PID控制器实现电机精确的位置控制,从而在人手手指做伸展运动时及时收绳;设计了参数自整定的模糊PID控制器实现电机快速、灵敏的力矩控制,从而及时将机械手与环境的交互力复现到人手。通过九轴姿态传感器实现了手臂和手腕的姿态采集,基于卡尔曼滤波的姿态融合算法结合多传感器各自的优势,实现了姿态的精确采集。由于连杆结构具有确定的运动规律,通过角度传感器测量力反馈结构中连杆的角度信息,从而间接测量人手手指的运动角度。通过姿态解算算法将手臂、手腕和五根手指的姿态信息转换为机械手11个电机的运动角度,通过无线串口将其打包发送给远端机械手并驱动其运动,从而实现机械手实时跟随人手运动。根据功能需求,设计了上下两层嵌入式硬件PCB板,上下两层板通过板连接器连接,其中电机驱动、姿态解算、电源管理等核心功能的硬件电路设计在下层板,系统与外界的所有通信接口设计在上层板,后期需要更换与系统的交互设备时,直接更新上层板即可,有利于系统的二次开发,同时通过上下两层板的设计方式,减小了PCB板占用的空间,更加符合可穿戴设备微型化的设计需求。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 力反馈数据手套
•     1.2.2 动作捕捉技术
•   1.3 课题研究内容
•   1.4 本文的主要贡献与创新
• 第二章 系统关键技术与总体方案设计
•   2.1 动作捕捉技术基础介绍
•     2.1.1 常用坐标系
•     2.1.2 姿态的数学描述方法
•   2.2 姿态传感器工作原理
•     2.2.1 加速度计
•     2.2.2 磁力计
•     2.2.3 陀螺仪
•   2.3 电机控制基础
•     2.3.1 电机工作原理
•     2.3.2 基于PWM的电机控制原理
•   2.4 电机的PID控制
•   2.5 系统总体方案设计
•   2.6 本章小结
• 第三章 系统结构与嵌入式软硬件设计
•   3.1 姿态采集节点嵌入式硬件设计
•     3.2.1 姿态采集电路
•     3.2.2 数据传输电路
•     3.2.3 电源电路
•   3.2 力反馈系统结构设计
•     3.2.1 指节的双平行四边形结构
•     3.2.2 外骨骼手掌结构设计
•   3.3 力反馈嵌入式硬件设计
•     3.3.1 传感器处理电路
•     3.3.2 数据通信电路
•     3.3.3 电机驱动电路
•     3.3.4 电源电路
•   3.4 姿态采集软件设计
•     3.4.1 姿态采集节点的软件设计
•     3.4.2 姿态汇聚的软件设计
•   3.5 力反馈软件设计
•   3.6 本章小结
• 第四章 动作捕捉与电机控制算法
•   4.1 姿态融合算法
•     4.1.1 互补滤波算法
•     4.1.2 卡尔曼滤波算法
•     4.1.3 采用卡尔曼滤波算法的姿态角估算过程
•   4.2 人手与机械手结构分析
•     4.2.1 人手结构分析
•     4.2.2 仿人机械手结构分析
•     4.2.3 仿人机械手与人手的运动映射
•   4.3 机械手关节变量解算
•     4.3.1 关节变量4的解算
•     4.3.2 其余关节变量的解算
•     4.3.3 指节运动角度解算
•   4.4 模糊控制
•     4.4.1 模糊控制简介
•     4.4.2 模糊化接口
•     4.4.3 模糊推理机
•     4.4.4 去模糊化
•   4.5 基于模糊自适应整定PID的电机控制
•   4.6 电机力矩控制
•   4.7 电机位置控制与拉绳的收绳策略
•   4.8 本章小结
• 第五章 系统性能测试与结果分析
•   5.1姿态采集节点测试实验
•     5.1.1 单轴向静态测试
•     5.1.2 单轴向运动测试
•   5.2 利用MATLAB模拟机械手运动跟随
•     5.2.1 大臂运动跟随实验
•     5.2.2 机械手运动跟随实验
•     5.2.3 与机器臂对接实验
•   5.3 力反馈压力试验
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 奉麟二

导师: 杨平

关键词: 力反馈,动作捕捉,数据手套,电机控制,姿态融合

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,生物学,自动化技术

单位: 电子科技大学

分类号: Q811;TP241

总页数: 91

文件大小: 3608K

下载量: 236