（检测技术与自动化装置专业论文）水下机器人智能手爪的控制系统研究.pdf

摘要 摘要 作为一种末端执行机构，机器人手爪通过模拟人手一些动作规律实现一些和 人手相同或者近似的功能。为了控制机器手人爪有效完成预先设定的各种任务， 在对任务需求进行具体分析基础上合理设计手爪控制系统无疑有着非常重要的 意义。本项研究主要针对水下环境中提高机器人手爪作业自主性的需求设计一套 智能化的控制系统。 在深水下作业时机器人手爪运动所需克服阻力远远大于在空气中做相同运 动的阻力，而在一般情况下手爪占用的空间大小是有严格要求的，因此机器人手 爪的驱动装置需要能够在占用很小空间的条件下提供尽可能大的驱动力以便于 手爪能够根据指令迅速响应。由于具有的功率质量比大、安装布局灵活、运动与 换向性能优良等特点，液压驱动方式被应用于解决上述问题。本文论述的控制系 统将不同类型的电液控制阀用于按照系统给出的指令完成对液压回路中流体压 力、流向等量的控制。 为了实现控制的自主性、提高控制的灵活性，手爪需要具备一定的对外部环 境感知能力，在实时检测到必要的环境参数基础上根据这些数据做出判断，完成 作业任务。在本文所述控制系统中，各种力传感器采集的数据被用作最重要的闭 环控制参考信息，在机器人手爪作业的整个过程中发挥重要作用，而超声波传感 器、摄像头、霍尔传感器等采集的数据也在作业过程中作为辅助的参考信息影响 系统控制决策。 本文在分析机器人手爪作业任务的基础上描述了控制系统的设计原理和实 现方案：以利用电液阀控制的液压驱动控制模块和包括各种传感器在内的检测模 块为基础搭建控制系统硬件平台；基于硬件平台和控制策略编制控制系统软件， 实现实时数据采集、存储、状态监测和机器人手爪运动控制功能；通过一系列的 实验验证系统的有效性、可靠性，并通过实验数据对系统性能进行一些定性的分 析。 本项研究在国家8 6 3 计划“用于水下的智能化机器人手爪” ( n o ：2 0 0 6 a a 0 4 2 2 4 4 ) 项目支持下进行，属于该项目研究内容的一部分。 关键词：智能化控制系统液压驱动实时检测闭环控制 ab s t r a c t a sak i n do fe n d e f f e c t o r , r o b o t i ch a n di sd e s i g n e dt oi m i t a t et h ea c t i o no fh u m a n h a n dw i t ht h ep u r p o s eo fc o m p l e t i n gs o m ew o r k si n s t e a do fh u m a ni ns o m es p e c i a l c o n d i t i o n s i no r d e rt o c o m p l e t et h et a s k ss c h e m e db e f o r e h a n d ，as e to fr a t i o n a l c o n t r o ls y s t e md e s i g n e do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gi t s s p e c i f i cm i s s i o n si ss i g n i f i c a n t f o ri t t h i sr e s e a r c hw o r ki st oc o n s t r u c tac o n t r o ls y s t e mf o ri n t e l l i g e n tm a n i p u l a t i o n o fr o b o t i ch a n df o ru n d e r w a t e re n v i r o n m e n t ，o n et a r g e to fo u rc o n t r o ls y s t e mi st o m a k et h er o b o t i ch a n df u l f i l ls o m em i s s i o n sa u t o m a t i c a l l y t oa c c o m p l i s ht h es a m ea c t i o n ，t h er o b o t i ch a n dh a st o e n d u r em u c hm o r e r e s i s t a n c ei nw a t e rt h a nt h a ti nt h ea i r , s oi t sn e c e s s a r yt o s u p p l yd r i v i n gf o r c eb i g e n o u g hf o rt h er o b o t i ch a n di fw ew a n ti tt or e s p o n s eq u i c k l ya c c o r d i n gt oo u r c o m m a n d s u s u a l l yt h er o o mf o rar o b o t i ch a n di sl i m i t e de x a c t l yb ys o m ee x t e m a l f a c t o r s ，i ns u c hac o n d i t i o n ，w ec h o o s eh y d r a u l i cd r i v i n gm o d et op r o v i d ed r i v i n g f o r c e w i t ht h eh y d r a u l i cd r i v i n gm o d e ，w ec a no f f e rh i g hp o w e r o u t p u tw i t has m a l l d r i v i n gc o m p o n e n ta n df i xd i f f e r e n tc o m p o n e n t sf l e x i b l y i na d d i t i o n ，w h e nt h e s y s t e mi sr u n n i n g ，h y d r a u l i cd r i v i n gm o d em a d ei t e a s yt oa d j u s ti t ss p e e da n d o r i e n t a t i o n w i t ht h ea d v a n t a g e sd e s c r i b e da b o v e ，h y d r a u l i cd r i v i n gm o d ew o r k s w e l l i no u rs y s t e m d i f f e r e n tv a l v e sa r e a p p l i e df o rc o n v e n i e n c eo fc o n t r o lw i t ha c o m p u t e r w i t ht h ep u r p o s eo fc o n t r o lt h er o b o t i ch a n di n t e l l i g e n t l ya n dm a k ei tw o r k a u t o m a t i c a l l y , s e v e r a lk i n d so fs e n s o r sa r ea d o p t e dt oc o l l e c tw o r k i n gi n f o r m a t i o ni n r e a lt i m e i nt h i ss y s t e m ，d a t ac o l l e c t e db yd i f f e r e n tf o r c es e n s o r si su s e da sm o s t i m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni nc l o s e d - l o o pc o n t r o li nt h ew h o l ep r o c e s so fr o b o t i ch a n d ，s w o r k i n f o r m a t i o ng a t h e r e db yo t h e rs e n s o r ss u c ha s s u p e r s o n i cs e n s o r si su s e da s a s s i s t a n tr e f e r e n c ei ns y s t e md e c i s i o nm a k i n g p r o c e s s t h i sp a p e rd e s c r i b e d d e s i g np r i n c i p l eo fc o n t r o ls y s t e ma n di t sr e a l i z a t i o no nt h e b a s i so fa n a l y z i n gd i f f e r e n tw o r ko fr o b o t i ch a n d ：c o n s t r u c tt h eh a r d w a r ep l a t f o r m m a i n l yw i t hh y d r a u l i cd r i v i n gc o m p o n e n t s ，d i f f e r e n tk i n d so fs e n s o r sa n dac e n t r a l c o m p u t e r ；d e s i g nt h es o f t w a r et oc a r r yo u td i f f e r e n tf u n c t i o n ss u c h 嬲d a t ac o l l e t i n g a n ds a v i n g ；t a k es o m ed i f f e r e n te x p e r i m e n t st oc h e c kr e l i a b i l i t ya n dv a l i d i t yo fo u r c o n t r o ls y s t e ma n d a n a l y z et h es y s t e mb yd a t ac o l l e t e di ne x p e r i m e n t s i i i a b s t r a c t t h i sw o r kh a sb e e ns u p p o r t e db yh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a m ( 8 6 3 ) o fc h i n a ( g r a n tn o 2 0 0 6 a a 0 4 2 2 4 4 ) k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t ，c o n t r o ls y s t e m ，h y d r a u l i cd r i v i n g ，r e a l - t i m ed e t e c t ， c l o s e d - l o o pc o n t r o l i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 幺开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 嗣玉廿月纽l 、) 口i o 多 导师签名： 签字日期：垄咝，么：兰 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中 解脱出来，在人类社会的发展过程中人们也制造出过自动木人和一些简单的机械 偶人。到了近代，机器人一词的出现之后，具有各种不同形状和不同功能的机 器人也相继被研制出来并且活跃在不同的领域：应用于工业生产中完成各种作业 的能进行自动控制的、可重复编程的工业机器人；为人类和单位完成某些特定服 务工作的服务机器人；以供人观赏、娱乐为目的娱乐机器人 1 。 通过简单的调研们就可以了解到，大多数的机器人并不像人，甚至没有一点 人的模样，这一点使很多机器人爱好者大失所望。很自然地，有人会问，为什么 科学家没有按照人类的形状和行为方式研制出能够亲密融入日常生活的类人机 器人? 很显然这样的机器人更容易让人接受。实际上，研制出外观和功能与人相 似的机器人一直都是人类梦寐以求的愿望，也是一个值得人们坚持不懈追求的目 标。然而，研制出性能优异的类人机器人，有很多的问题需要解决 2 。如何让 机器人学会像人一样去感知外部世界，如何让机器人用双足直立行走，如何让机 器人用自己的手去接触作业对象、抓取目标物体，如何让机器人像人类一样的学 习、积累知识并自主的思考问题等等一系列的难题都需要经过长期的研究去解 决。 对人类而言，手的作用无疑是非常巨大的，人类可以通过手的触摸去感知很 多物体的温度、硬度、材质等等，可以通过手抓取一些物体并将他们放到期望的 地方，也可以借助各种自然形成的约定通过一地的手势去表达自己的思想。借鉴 于手的各种复杂功能，在进行机器人的研究过程中人们很自然的就会想到：能不 能在机器人上做出部分组件来实现人手能实现的一些功能，或者说把手的功能 单独的从整体中分离出来，设计一种独立的机器来完成人手的一部分功能? 对于 这个问题，答案是肯定的。目前不管是在工业应用中还是在娱乐场合都有各种各 样的能实现部分手的功能的机械应用于解决一些实际问题。如在工业生产中广泛 应用的自动化机械手就是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功 能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。本文 将围绕智能型机器人手爪的控制方法和具体实现等方面进行一些讨论。 1 2 机器手研究发展情况 第一章绪论 日前，机器手的研究已经获得了很大的进展，已经有各种各样的机器手被研 制出来 3 。最简单的也是最早出现的一类机器手只是由单纯的机械结构构建而 成它们大多数只是由一些简单的夹持块组成，在其上不存在任何测量、驱动器 件或控制装置，人们只是通过一些特定的操作借助这些简单的机械装置完成一些 并不复杂的工作，如在工业生产过程中夹持一些被加工工件等。伴随着电子技术、 计算机技术和传感测量技术的迅速发展，机器手的研究和应用水平也得到了 目大 的提高；最初设计的简单的夹持器在很多场台中已经不能满足要求，各种结构复 杂的机器手结构被设计出来，如具有多个手指且每个手指均具有多个关节的灵巧 结构被设计出来以适应研究发展的要求：力传感器、温度传感器等多种传感装置 的应用使这些由机械零件组成的手状物体能够测量工作环境中诸如温度、湿度以 及压力等一系列参数，在某种程度上它们已经具有了一定的感知能力：各种各样 的不同驱动方式也被应用到不同的机器手上，液压式、气动式、电动式、机械式 和复合驱动式机器手等等各种机器手均被研制出来并广泛应用于科研和实际生 产之中；而各种控制器的应用则使得它们能够按照既定的程序去判断各个手指关 节以厦其他部件在各种条件下该如何动作以最佳地去实现预胡的任务。在具备了 这些能力之后，机器手可以很轻松地自主地完成一些简单或者复杂的工作，在一 些危险场合替代人类进行工作。 在国内，北京北京航空航天太学机器人所和哈尔滨工业大学无疑是机器手研 究方面的领头羊。自1 9 8 7 年以来，北京航空航天大学机器人所先后研制开发出 b h 一1 、b h - 2 和b h 一3 型3 指9 自由度灵巧手和研一4 型4 指1 6 自由度灵巧手从 最开始填补了国内相关领域内的空白到逐渐的深入研究，在机器手建模、运动仿 真、抓取规划等方面进行了深入的研究，为我国的机器人学说发展做出了很大的 贡献 4 6 。图li 为b h 一3 型灵巧手的研究应用。 圈l1b h3 型灵巧手 由哈尔演工业大学和德国宇航中心( d l r ) 联合研制的h i t d l r 机器人灵巧手 7 、8 在希腊举行的2 0 0 7 年度欧洲机器人研究会年会中荣获歇盟机器人技术 转化一等奖。如图i2 所示，该灵巧手有4 个相同结构的模块化手指、13 个自 第章绪论 由度，手指结构与人手结构相同，每个手指有4 个关节、3 个自由度，每个手指 能提起i 千克的重物，为了分别进行精确击| 【取和强力抓取，拇指有一个旋转关节； 共有机械零件6 0 0 多个，表面粘贴的电子元器件1 6 0 0 多个，传感器8 9 个；手的 尺寸略大干人手，整体质量1 8 千克，小于国内外的同类机器人灵巧手。该灵巧 手能够实现基于数据手套的远程遥控作业具有多种感知、集成化、模块化、数 字化以及实时控制等特点。它可以轻松自如完成开抽屉、按开关、抓鸡蛋、摆积 木等一系列“高难”动作可以灵活地做出“0 k ”的手势，甚至还可以像人一样 用灵巧的手指弹出美妙的音乐。可阻说h i t d l r 机器人灵巧手在各个方面均达到 了世界领先水平，为我国的机器手研究进一步开展打下了很好的基础。 图i2h i t d l r 机器人灵巧手 和一些发达国家相比，我国在机器手相关领域的研究滞后不少，早在上个世 纪五十年代，就已经有人在这方面展开研究并不断地取得成果：1 9 5 4 年，美国 人德沃尔就获得了可编程机械手专利，他设计的机械手臂按程序进行工作，可以 根据不同的工作需要编制不同的程序，具有通用性和灵活性；1 9 6 0 年由通用电 气公司的拉尔夫莫什尔设计制造的杂役手被认为是世界上最早用于工作的机 器手，其造型为两只手指的爪状物，这种机器手的功能十分有限：可完成捏和握 的动作，但对所握之物井无感觉，只是不加区别的抓握而己：1 9 6 2 年，托莫维 奇和博尼在最早的“灵巧手”上采用了压力传感器，赋予了机器手感知的能力。 时至今日，各种各样的机器手在美国、日本等发达国家被研制出来，它们被赋予 了感知、判断、自主决镱等能力其复杂程度也远远超过了最初的一些设计。 第一章绪论 图13 杂役手 美国b a r r e t t 公司( 发源于m i t 人工智能实验室) 于2 0 0 7 年研制出携有独 立处理器的b h s 型机器手 9 ，通过标准的i i s2 3 2 c 串行通信端口，人们可以 在任意一台计算机上对它进行控制。该机器手包括三个两关节手指，在程序控制 下每个手指的位置和方向可以根据工作对象的尺寸和形状迅速做出台理的调整， 非常适合在狭小空间中作业。 墨伊必盥! 图1 4b h 8 型机器手 和上述的机器手相比英国s h a d o wr o b o t 公司研制的阴影机器手( s h a d o w d e x t r o u sh a n d ) 看起来和人类的手更相似一些 1 0 ，整个手的形状和尺寸都和人 手差不多：四根手指和一根拇指由各种金属和塑料制成，它甚至还有聚碳酸脂的 指甲。手指、拇指和手腕上的关节有2 4 自由度使其能很好地模仿人手的动作。 不仅如此，在手掌和全部手指制作的综合传感器使阴影机器手具备了非常敏锐的 感知能力，能轻松地发现地上掉一枚硬币；而外观柔软的肌肉使得阴影机器手可 以对付柔软脆弱的目标物。 第一章绪论 酱毽纛盐盘霖 圉15 阴影机器手 虽然机器手的发展已经取得了很大的进展，但任何一个被研制出来的机器手 和人类的手一比较差距还是很大要用机器手模拟人手去完成一些工作仍然有很 多问题需要解决。此外，在研究机器人手爪时除了用它模拟实现人手的一些功 能之外，还可以充分利用机械相对于人类的一些突村优势如机械结构比人手的 强度更大，在相同的空间条件限制的情况下有可能提供更大的抓持力：当有足够 灵敏的传感器用于机器人手爪上的时候，就可阻通过传感器探测出比人手的感觉 更精确的环境参数数据。人们也期望能有一些针对不同的环境的专用机器手以便 在一些不方便由人类来完成的工作中( 如作业对象为易燃易爆物体时) 由它们来 进行作业。 1 3 本文的课题背景和研究内容 海洋是地球物质资源最丰富的宝库，已经成为人类生存所需的食品生产基 地、原料供应基地和生活发展空间，伴随着陆地资源的日趋枯竭，人类的生存和 发展会越来越多地依赖海洋。我国是世界上人口最多、人均土地资源匮乏的国家 但同时也是一个海洋大国，在海域中蕴藏着大量的资源。在合理利用陆地资源的 同时，积极开发利用海洋资源，对我国经济社会可持续发展将产生深远影响。而 水下技术装备是从事水下活动、开发海洋资源的重要基础，对国民经济和国家战 略都具有特殊意义。然而与陆地作业相比，水下作业环境更为恶劣国内外对水 下作业系统的研究也远不如太空和陆地作业系统充分，用于水下的商业化机械手 普遍只能完成一些简单作业，这类机械手缺少对作业环境的感知能力无法满足 水下复杂环境的作业要求，突出地表现为无自主作业能力，严重地制约自治型水 下机器人的应用范围。 第一章绪论 基于上述情况，本人所在实验室于0 6 年向国家科技部提出用于水下的智能 化机器人手爪研究的国家8 6 3 计划项目申请，期望通过研制一种可用于水下机器 人作业系统中的带有多传感器系统的三指灵巧手样机来完成以下一些工作： 1 以典型作业为研究对象，通过一定模型和描述形式给予适当表达，研究三指 灵巧手在水下环境自主作业的实现机理，设计三指手的机械模型，力求手爪 结构精巧、大小适中，具有较大负荷。 2 对灵巧手的作业环境信息感知需求进行分析并对传感器进行优化配置，为在 三指手实现力觉、视觉、触觉、距离、关节位置等检测能力设计传感器实现 方案，进行多传感器信息融合方面的研究以提高系统检测的有效性和准确性。 3 研制适合深水环境下的力传感器，解决水下力觉传感器耐压、密封、压力补 偿问题。 4 手指关节的驱动方式研究，选用液压驱动解决结构小型化与传动效率问题。 5 控制方法研究，对各种可能的具体作业过程进行分析分析，对三指灵巧手的 作业流程进行合理规划，充分利用传感器信息提高手爪局部自治能力。 鉴于本人熟悉的情况和完成的一些工作，本论文主要针对智能型机器人手爪 的控制系统方面进行一些相关的讨论，而关于力传感器研制和手爪的机械结构设 计等方面就不进行过多的论述，本论文的基本章节和主要内容安排如下： 第一章绪论部分主要就和本课题相关机器人研究领域进行一些调研，讨论机 器手研究在整个机器人学说领域内的重要地位，论述目前国内外在机器手研究方 面的一些成就和工作的进展，为对本项目研究提供相关的参考资料。 第二章针对控制系统要实现的功能进行分析，在保证控制系统基本功能得到 实现的基础上尽量优化系统的设计，确定控制系统中用到的一些关键环节的基本 实现方案：选取合理的驱动方式：对传感器的选取进行优化，利用尽可能简单的 检测装置实现必要的实时检测功能；确定智能化的控制策略，描述整个控制过程 的一些基本流程。 第三章介绍控制系统的硬件构成。描述控制系统基本组成部分的基本功能和 相互之间的连接关系( 主要是电气上的连接) ，在功能分析的基础上完成关键组 成部分的选型工作并对起主要特征进行比较完整、详细的描述，明确在实际操作 过程中需要的注意的一些事项。 第四章论述控制软件的编制，在综合考虑最终需要实现的机器人手爪功能和 所选用设备性能的基础上通过软件使得系统能按照预期的流程进行抓取物体的 工作，提供良好的人机交互接口以便实现对机器人手爪的智能化操作。 6 第一章绪论 第五章描述在智能型机器人手爪平台基础上进行的一些抓取实验。设计实验 方法和主要内容，通过针对不同的控制模式和抓取目标进行的实验验证检测与控 制系统的有效性和稳定性并在对实验数据进行处理、分析基础上寻求一些能有效 提高手爪工作效率的途径。 第六章总结与展望，总体概括本文所做的一些工作，总结在此过程中的一些 成功的经验和不足之处，以期能在将来做得更好，并提出在将来一段时间内继续 进行研究的方向。 第二章任务分析 第二章任务分析 21 机器手的一般功能分析 作为一种末端执行机构，机器人手爪主要模拟人手一些动作规律井在机器人 上用于实现一些相同或者近似的功能。从拟人化的角度来看机器人手爪在完整的 机器人系统中所占的比例是很小的( 每一个正常人身上除了手掌之外还有手臂、 躯体、腿、脑袋等诸多组成部分) ，但从机器人的完整性角度来看这部分执行机 构也是不可或缺的，这一部分有着机器人身上其他组件所不具备的优势。如机器 人手手爪在局部范围可以比其他部件更灵恬地这就使得机器人在运动空间紧张 的时候可以通过安装在手爪上的传感器对作业环境进行更细致的检测与分析，人 们也可以通过手爪获取些作业环境中的如土壤之类的材料或其他目标物体，正 是因为这些优点，机器人手爪在机器人整体中承担着一些无法由其他组件来代替 的功能。一般情况下，机器手瓜是需要和机械臂配合起来才能完整地完成工作的 ( 如图21 ) 手爪被安装在机械臂上，通过机械臂的一些动作可以很轻松地调整 机器人手爪的空间位置和角度等参数，让手爪接近目标物体以便能选取最佳的工 作状态，而同时安装在手爪上的各种检测设备也可以向机械臂或者整个机器人的 控制系统提供必要的作业环境参数和作业数据， 一 图21 与机械臂配台作业的机器手爪 抓持某个物体可以说是手爪最基本的功能。这种基本功呢的实现要求在手爪 基本机构中的零部件在一定的条件f 能够按照一定的轨遮运动起来，而在需要抓 第二章任务分析 紧物体的时候，需要这些活动的组件能被锁定到一个固定的位置，并通过摩擦力 或其他形式的作用力把目标物体抓牢。总之，机器人手爪总体以及各个零件的空 间运动轨迹和受力因素都应该作为基本机构体的设计参考因素。在能实现这种最 基本的功能基础上，为了让操作人员能够更快捷、准确地对作业条件进行分析、 做出有效判断并对机器手爪进行操作，各种检测手段被添加到机器手爪之上：视 觉、超声、力觉、触觉等等各种各样的传感器在机械结构的基础上大显身手。随 着智能化要求的提高，单纯有先进的检测手段显然是不够的，这个时候就需要计 算机或者控制器在这里完成数据处理、判断、决策等一系列功能，通过软件的一 些设置，让这些控制装置发出指令，赋予机器手爪一定的智能，使之能够自动或 者半自动地去探索、发现合适的作业对象并按照一定的规则在这些作业对象完成 工作。显然，基本的机械结构、检测工具和作为控制中心的计算机或控制器都不 能给手爪的各种动作提供足够的动力，为了机器人手爪想要自如地运转起来，还 需要给它提供一套完整的驱动系统。 有了机器手爪和机械臂的配合，就可以控制它们接近目标，抓取物体并将之 移动到期望的位置，抓取的基本流程如图2 2 所示： 开始 手爪朝目标物体运动 测量手爪和目标物体之间距i否 离、获取工作环境视频信息l 。 目标物体是否 在抓取范围内? ￥ 选取抓取方法 二二 抓取 调整手爪状态 适萝。 是卜一 翌蕈否 到达目标位置7 高晶阿蕲碉 图2 2 抓取流程图 9 第二章任务分析 显然，在上图所示的作业流程中，接近目标物体和转移物体的功能都是由机 械臂来完成的。机器人手爪的主要工作在于移动到工作位置之后选择合适的方法 把物体抓住并在手爪和目标物体被机械臂移动到预期位置后松开物体。同时，安 装在机器手爪上的一系列传感器也在不断地为机械臂的动作提供参考信息。 2 2 本课题的特殊性 由于本项研究自身的特点，在能够实现机器手普遍具有的最基本的功能的基 础上，要完成控制系统的设计还需要考虑一些特殊的因素。最初的结构设计决定 了本项目研究的机器人手爪具有三个可以独立活动的手指关节和一个三指共用 的手指根关节。最终的控制系统不仅仅是需要能针对这些关节产生一些简单的控 制指令，理想的控制系统应该是一个在深水环境中能够快速、准确根据环境调节 机器手爪上可动关节的位置和状态，很好地控制整个手爪自主地完成设定任务的 一个完整系统。任何一个可能与系统控制过程发生关联的环节都需要给予充分的 考虑：怎么样合理利用传感器采集数据，如何从这些数据中提取有用的信息；在 不同的条件下，控制器根据什么规律来产生控制指令；控制指令如何在执行机构 上得到实现。可以说，让机器手爪能灵活地实现自主作业是设计控制系统的一个 重点，也是一个难点。此外，由于本课题的研究是针对水下环境进行研究的，特 殊的工作环境带来的腐蚀、电气连接绝缘处理、较大的运动阻力等也是控制系统 设计过程中必须考虑的问题。 2 2 1 自主作业分析 为了让机器手爪能够实现自主作业，控制系统应该是一个闭环系统：通过实 时的传感检测电路测量足够多不断变化的工作环境参数，再利用计算机通过一些 特定的算法从这些数据中提取有用信息并迸一步进行下一步动作决策，产生控制 指令发送到执行器件。如图2 3 所示，在控制系统中需要实时采集的信息主要包 括四个：手指和手腕上的受力信息、机器手爪附近的视频信息、机器手爪与前方 目标物体之间的距离信息和手指是否运动到极限位置的信息。这些信息分别由相 应的传感器进行采集并实时地传送到计算机上进行处理。每次决策完成之后，通 过计算机上的p c i 接口板卡发出数字量控制信号或通过d a 转换发出模拟量控制 信号到执行元件，最终驱动机器手爪工作。有了这些实时采集的传感器信号之后， 手爪就能够在作业过程中针对变化的工作条件及时调整各个手指的状态，从而灵 活地进行抓取作业。正是通过这种实时的闭环反馈作用，机器手爪能够在不同的 条件下自主调节之后完成期望的工作。 l o 第二章任务分析 图2 3 控制信息示意图 通常情况下，机器手爪上摄像头获得的视频信息和超声波传感器测得的目标 距离信息是提供给操作人员以便于通过机械臂的配合对手爪位置调整。在手爪位 置调整好之后，目标距离参数变化一般不会太大，所以这些传感器数据一般只是 作为一些参考信息，而并非抓取时的实时决策的关键因素。在机器手爪抓取物体 的过程中，手指根关节的开合可以使得手爪能针对具体物体的形状和尺寸选取一 个合适的作业位置从而让每个手指b 日匕i - - , 更好地选择抓取点，优化抓取去物体时手指 的受力状况。霍尔传感器的作用在于不断检测手指位置，提供信号让控制器限制 其运动不会超出允许的范围，从而保证手指位置在有效区域内变化。一般地，当 人类用手开始去抓取某个物体的时候，抓取那一瞬间能够很灵活地调节手上使出 的力气，在抓着某个物体不动的时候，施加于物体上的力气就比较稳定了。类似 于人手抓取物体，在机器人手爪完成抓取动作时，可以借助系统中力传感器信号 来判断手指状态是否需要进行调整以及需要进行怎么样的调整，也可以据此来判 断是否成功将物体抓牢。因此，和上述的三种传感器相比，力传感器无疑对系统 决策过程有着更为重要的意义，可以说力传感器信息对控制系统自主决策起着决 定性的作用。考虑到力传感器信息的重要性和实时性的要求，在本研究中这些力 传感器采集的信号被连接到一个微控制器上，构成一个独立的模块，在这个模块 中将这些信息进行些简单处理之后再通过控制器局域网总线通信发送到计算机。 有了实时采集的传感器信息作为参考，机器手爪就可以根据作业对象的形 状、位置以及各个关节受力情况等参数不断调整手指关节和手腕关节的状态，经 过一系列的判断、决策过程之后选取一种优化的方法将目标物体抓持住并在机械 臂的配合下将之移动到目标地点。在抓取过程中，计算机自主地将采集到的参数 和预先设定的一些参数进行比较、判断并发出下一步动作的命令：如果抓取参数 出现异常状况则马上停止动作并根据情况对机器手爪进行调整之后再重新开始 第二章任务分析 抓取工作；如果一切正常则依次进行下一步的动作直到抓起目标成功抓起目标物 体。自主抓取的基本流程见图2 4 。 2 2 2 水下环境分析 图2 4 自主抓取流程图 如果机器手只是在地面上完成各种动作，一般情况下空气对机器手的工作性 能不会产生太大的影响，并不需要考虑太多的和空气相关的问题。然而当机器人 手爪进入到水下进行作业的时候，水会对手爪的正常工作产生多方面的影响，其 中大部分是负面的作用。比如说一块电路板上的元器件的多个引脚暴露在空气中 的时候是没有问题的，但这些引脚被泡在不纯净的水中的时候，只要给电路板通 电就可能导致这些引脚之间被短路，结果显然会导致电路失效甚至更严重的会烧 坏电路板。另外含有杂质的水尤其是海水本身具有一定的腐蚀性，如果直接和机 器手内部的元器件或导线相接触时也会对这些设备造成损害。考虑到上面提及的 这些因素，在设计机器人手爪时需要对其进行合理的密封处理，防止水从任何可 能途径渗漏到手爪内部，从而保证机器手爪在水下能正常运作。 1 2 第二章任务分析 当物体在流体中相对于流体运动时，流体会对该物体产生与其运动方向相反 的作用力，该作用力主要由以下几部分组成：由于流体的粘性作用，在物体表面 产生的摩擦阻力：与物面相垂直的流体压力合成的压差阻力；作加速运动的物体 会带动周围流体一起加速，产生一部分附加的阻力。对于具有良好流线形的物体， 在未发生边界层分离的情况下，粘性引起的压差阻力比摩擦阻力小得多；而对于 非流线形物体，边界层分离会造成很大的压差阻力，此时压差阻力成为总阻力中 的主要部分。而对于同一个物体，当它在流体中运动时，可以近似地认为流体的 阻力与物体垂直于进行方向最大截面面积成正比例，并和物体的速度的平方及流 体的密度成正比例。 当机器手爪在空气中运动时，空气阻力造成的影响远远小于其自身质量产生 的作用力，对此，一般不予太多的考虑。而一旦进入水下作业，由于水的密度远 远大于空气密度( 一个标准大气压下空气密度约为1 3 千克立方米，水的密度 约为1 0 0 0 千克立方米) ，机器手爪在水中运动所要克服的阻力也远远大于手爪 在空气中运动时空气所产生的阻力。由于机器人手爪需要能够快速响应计算机发 出的指令，在水中灵巧运动的时候，水造成的阻力就成了必须考虑的一个因素了。 这个问题可以分两步来解决：一是在设计手爪的时候尽量减少外形尺寸并使其外 形适合在水中运动；二是提高动力系统的驱动能力。 2 3 驱动控制分析 如本文绪论中提到的，到目前为止，大部分智能型机器手基本上都是由电机 驱动。虽然在国内外也有不少关于液压驱动的机械手方面的研究，但这些研究绝 大多数的控制都比较简单，这些设备主要倚靠操作人员的判断来工作，基本上不 涉及传感器的应用，在控制方法上也很少设计智能化方法的应用。为什么会出现 这种情况呢? 主要原因在于电机驱动在控制和环保方面具有一些明显的优势：市 场上提供各种各样的电机可以很方便地从计算机上引出控制信号，可以通过计算 机很方便的对电机工作的各个参数进行设置，通过一些检测手段如各种传感器的 配合工作，人们可以通过计算机对电机的工作状态进行精确的控制，从而使机器 手准确地按照他们的期望去完成作业；而除此以外，环保也是一个重要的考虑因 素，由于单纯的使用电能这一种洁净的能源，电机驱动方式使用能源品种的减少 及其性能的优化从源头上减少了对环境造成污染的可能性。然而电机驱动方式也 并非任何条件下都是最佳选择方案，这种驱动方式自身也存在一些不足：如果在 很小的体积要求下需要有很大的功率输出时，需要为小体积大功率输出的电机付 出昂贵的价钱，采用电机驱动方式就会大大提高设计成本，在需求比较苛刻的时 第二章任务分析 候甚至有可能根本就找不到符合要求的驱动电机；电机驱动系统中对功率传递元 件安装位置有着精确的要求，这就在很大程度上限制了元器件布局的灵活性；在 系统运行过程中如果进行换向操作需要先将电机减速到零之后才能让之反转，而 在液压驱动系统中就不需要这个预先进行的减速过程，此外，电机驱动系统的运 作平稳性能也远远不如液压驱动系统。 本研究中机器人手爪是主要针对水下工作环境研制的，手指在水下运动时需 要克服的阻力还比较大。在这样的条件下，为了让手指能根据指令快速运动到期 望位置并灵活地执行抓取等或其他动作，需要动力系统提供比较大的驱动力。而 在机器人手爪结构设计的时候就已经决定了手爪不可能提供太大的空间用于安 装驱动元件，因此，理想的驱动系统需要能够在体积比较小的条件下提供较大的 驱动力。从这个角度来考虑的话，液压驱动方式无疑是最佳的选择：和机械传动、 电机传动相比，在同等功率输出下，液压传动系统可以做得体积更小，质量更轻， 同时运动惯性小、动态性能更好，总之，在目前广泛应用的各种的驱动方式中， 液压驱动方式具有最高的功率质量比。 液压驱动方式通过一些功能不同的液压元件和辅助元件组成驱动系统，在封 闭的液压回路中依靠运动的流体进行液压能量的传递，通过对液体相关参数( 如 压力、流量和方向等) 以及回路中一些支路的通断的调整与控制，以满足工作装 置输出动力的要求。除了能够以较小的体积提供较大的功率之外，液压驱动方式 还有很多优点： 1 系统布局和安装灵活：系统中液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布 置上彼此不受严格限制，在空间限制要求高的场合具有很大的灵活性。 2 系统的运动与换向性能优良：传动传递运动均匀、平稳，易于实现快速启动、 制动和频繁换向，并可以在运动过程中很方便地实现大范围的无级调速。 3 具有良好的控制调节性能：易于实现自动控制与循环以及中远距离控制、系 统过载保护和自动恢复。将系统与电气控制、检测与计算机控制相结合，可 以方便地实现柔性化的自动工作循环。 4 液压装置易于实现过载保护：当液压系统超负荷或系统受到冲击时，压力流 体可以经过溢流阀排回油箱从而缓解压力。 5 目前大部分主要液压元器件已经标准化，产品系列化、通用化程度高。常用 的液压阀、液压缸、液压马达等都可以很方便地从市场上购买。因此，液压 系统的设计、制造周期可以大幅缩短。 正是由于以上优点，采用液压驱动方式在水下机器人手爪研制中具有很好的 可行性并且具有比较突出的优势。除了上述这些优点之外，在本系统中还可以考 虑在水下作业的时候用水代替液压油作为驱动系统的液压传动流体，这样的话， 1 4 第二章任务分析 在深水作业时可以比较轻松地平衡液压管路内外由于深水造成的的部分压力差， 同时，也可以在定程度上降低成本。 当然，采用液压驱动方式也存在一些弊端：作为传动介质的液体具有可压缩 性，同时在系统中存在泄露的现象，所以液压系统一般不能像机械传动或电机传 动那样可以拥有严格的传动比；传动介质的泄露可能会造成定的环境污染。 在液压驱动方案最终实现时还需要考虑采用液压驱动可能存在的缺点并努 力克服这些一些不足之处，在扬长避短的基础上尽量使系统设计得更加完美。 在对三指机器人手爪动作进行充分的分析之后，在驱动系统中主要考虑为机 器人手爪的手指提供动力，需要通过液压系统提供功率输出的主要包括和手指动 作相关的四个关节：一个三指共用的手指根根关节和每个手指上独立的指关节。 如图25 所示，在每个手指上的独立指关节上，有一个液压缸作为执行机构执行 驱动控制指令，该液压缸的驱动油路由二位四通阀完成开关控制，比例伺服阀完 成驱动功率大小以及运动方向控制，通过液压缸活塞的往返运动控制手指的收拢 或者松开动作。在共用的根关节处采用了一个液压马达驱动机构，由一个三位四 通换向阀控制的液压马达的正向或者反向旋转运动，再通过液压马达驱动机构控 制手指根关节向内或向外运动，以此来调节机器手爪的开台程度以适应作业对象 的尺寸太小。为了达到最佳的驱动效果和控制的方便液压油路分开设计成两个 独立的回路：一路由液压泵经过比例伺服阀和三个二位四通阀为驱动三个独立手 指关节的液压缸提供压力油，控制手指关节的动作；另外一路通过三位四通阀连 接到液压马达通过液压油驱动液压马达的正向或反向的转动以便驱动三个手指 的根关节同步的开合动作。 图25 手指关节示意图 藩一 篇隆 第三章控制系统硬件构成 第三章控制系统硬件构成 通过对控制系统各组成部分的功能进行分析，硬件平台可分成三个主要的模 块：由各种传感器组成的负责检测机器人手爪作业过程中的各种数据并将之传送 到主控计算机的检测模块；控制液压回路中各种液压元器件为机器人手爪完成各 种动作提供液压动力液压驱动控制模块；包括集成多种接口的核心计算机和负责 系统中用到的各种电源配置等功能的主控模块。三个模块密切配合、相互作用， 共同形成一个完整的智能化机器人手爪控制平台。 3 1 检测模块 在本控制系统中用到了四种不同类型的测量工具：指力传感器和腕力传感器 用于抓取过程中的力信息采集，超声波传感器用于机器人手爪和目标物体之间的 距离测量，摄像头用于抓取现场视频信息获取，霍尔传感器用于手指运动限位。 在这些检测工具中，三个指力传感器和一个腕力传感器采集的力信息作为闭环反 馈控制中最基本的元素，其作用是最重要的，控制系统对这些传感器获取数据的 要求也是最高的。在控制系统中采用了一个c 8 0 5 1 f 0 4 0 微处理器芯片作为下位机 负责对这四个传感器采集的信号进行相关处理，再通过控制器局域网( c a n ) 总 线将单片机和主控计算机进行连接，其中c a n 总线的构建是通过微处理器芯片内 部集成的c a n 控制器和安装于主控计算机p c i 插槽中的p c i 7 8 4 1 板卡之间的连接 实现的。而对于摄像头、超声波和霍尔传感器，根据它们的作用和信号处理的方 式，在主控计算机上集成了两块p c i 接口板直接进行采集和处理。相对力信息采 集而言，这三种传感器采集信号的处理要相对简单一些，实时性要求也没对有力 信息的要求那么高，本文把这三个传感器及相关电路称为辅助信息采集模块。下 面对检测模块展开详细的介绍。 3 1 1 力信息采集模块 本项研究中所用到的力传感器均采用电阻应变片制作而成。电阻应变片由敏 感栅、基底、引线、盖片等组成。敏感栅是电阻应变片感受构件应变的电阻元件， 由直径为0 0 1 - 0 0 5 m m 、高电阻系数的细丝弯曲而成栅状，通常用粘合济将敏感 栅固定在基底上，通过基底将构件上应变准确地传递到敏感栅。焊接到敏感栅两 输出端的引出线则用于连接敏感栅电阻元件和外部测量电路相。将应变片用粘合 剂牢固地粘贴在传感