• CN:11-2187/TH
  • ISSN:0577-6686

机械工程学报 ›› 2020, Vol. 56 ›› Issue (23): 78-88.doi: 10.3901/JME.2020.23.078

• 机器人及机构学 • 上一篇    下一篇

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3-DOF索杆桁架式欠驱动机械手运动控制

乔尚岭1, 刘荣强1, 郭宏伟1, 丁戍辰2, 李兵3, 邓宗全1   

  1. 1. 哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室 哈尔滨 150001;
    2. 江南大学物联网工程学院 无锡 214122;
    3. 哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院 深圳 518055
  • 收稿日期:2020-01-21 修回日期:2020-04-23 出版日期:2020-12-05 发布日期:2021-01-11
  • 作者简介:乔尚岭,男,1990年出生,博士,助理研究员。主要研究方向为空间抓捕机构,欠驱动机械手运动控制。E-mail:qiaosl@hit.edu.cn;刘荣强(通信作者),男,1965年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为空间大型可展开机构与控制。E-mail:liurq@hit.edu.cn;郭宏伟,男,1980年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为空间折展机构,可变构型机构与结构。E-mail:guohw@hit.edu.cn;丁戍辰,男,1988年出生,博士,讲师。主要研究方向为欠驱动系统控制,模糊控制方法。E-mail:dshch@163.com;李兵,男,1971年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为机器人机构学、宇航折展机构、并联机器人及并联运动装备。E-mail:libing.sgs@hit.edu.cn;邓宗全,男,1956年出生,中国工程院院士,博士研究生导师。主要研究方向为宇航空间机构及控制,特种机器人。E-mail:dengzq@hit.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金联合基金(U1613201)、深圳基础研究基金(JCYJ20170413104438332)和国家自然科学基金(51275107)资助项目。

Motion Control of 3-DOF Under-actuated Cable-truss Robotic Hand

QIAO Shangling1, LIU Rongqiang1, GUO Hongwei1, DING Shuchen2, LI Bing3, DENG Zongquan1   

  1. 1. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001;
    2. School of IoT Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122;
    3. Department of Mechanical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055
  • Received:2020-01-21 Revised:2020-04-23 Online:2020-12-05 Published:2021-01-11

摘要: 索杆桁架式机械手是将绳轮传动系统和平行四边形机构结合而提出的一种新型欠驱动机械手。绳索驱动力同时驱动手指关节耦合运动,而手指关节运动又会直接改变绳拉力在各指节单元的驱动力分布,导致索杆桁架式欠驱动系统具有强非线性和运动耦合特点。针对该问题,利用虚功原理,将绳轮传动系统等效为耦合的关节驱动力矩,并建立3-DOF手指准静态运动学模型。根据手指最大运动空间约束条件,确定关节弹簧配置分布并开展手指准静态运动空间分析。采用拉格朗日方程法建立手指一般动力学方程,并转换为“A-P”型等效动力学模型。在此基础上,开展预变形阶段运动控制研究。通过仿真分析和样机试验验证所提分析方法和运动控制策略的有效性。

关键词: 欠驱动机械手, 绳驱动机构, 欠驱动控制, 运动空间, 动力学建模

Abstract: The cable-truss robotic hand is a novel type of under-actuated hand that is proposed by tendon-pulley transmission and parallel four-linkage mechanism. The joint movements are driven by cable driving force simultaneously and coupled with each other, and which directly changes the distribution of cable driving force in each phalange. Therefore, the cable-truss underactuated system has the characteristics of strong nonlinearity and motion coupling. Then, the finger driven by the TP transmission is translated to the equivalent joint driven mechanism, and a quasi-static kinematic model of a 3-DOF finger is established. On the basis of the constraints of maximum movement space of the finger, the distributions of joint springs are determined and the finger quasi-static movement space is analyzed. The general dynamic equation of the finger is established by using Lagrange's method, and the equivalent dynamic model in "A-P" form is obtained. On the basis of "A-P" dynamic model, research on motion control in the pre-bending stage is carried out. The effectiveness of the proposed analysis method and motion control strategy is verified by simulation analysis and prototype experiment.

Key words: underactuated hand, cable-driven mechanism, underactuated control, motion space, dynamic model

中图分类号: