三指机械手控制系统的研究与设计

摘要

　　多指机械手是现代工业中较为常用的一种智能化机器人末端执行器，一般与各式各样的机械臂配合，代替人力劳动，广泛应用于加工、装配和搬运等工业过程中，其研究、设计与制造涉及了机械、材料、计算机、自动化等多门学科，是机器人领域中的一个重要研究方向。随着工业技术的不断发展，人们对多指机械手的要求也越来越高。现阶段对于机械手的研究与性能改善主要集中在两个方面，机械结构和控制系统，前者是执行工具，直接影响操作任务的执行效果；后者是处理中枢，决定了机械手执行任务的方式。本文的重点就是研究并设计一款多指机械手的结构和控制系统。

　　首先，以应用在零件装配工艺过程中的多指机械手为研究对象，结合国内外多指机械手研究现状和各项设计指标，对其机械结构进行相应的理论分析，确认手指型式和机械手样式。该模型通过连杆传动方式，降低控制难度；并采用欠驱动模式，使用直流伺服电机，在保证驱动力的同时，减小整个结构的体积。在此基础上，设计机械手的整体结构，包括主要零部件的设计思路和详细设计图纸。

　　其次，对所设计三指机械手的等效模型进行运动学分析和静力学分析，以保证手指运动轨迹的平滑和连续，进而确认机械手的运动范围和运动轨迹。同时根据目标物体的区别对抓取任务进行分类，从而进行抓取任务设计，分析机械手的稳定性指标和灵巧性指标，以验证和优化机械手指的运动参数。

　　然后，对三指机械手控制系统进行研究与设计，包括柔顺控制算法研究、软硬件原理分析及设计。通过力/位置混合算法对手指的关节位置和力进行控制，根据位置传感器反馈的信息和规划轨迹完成机械手的指尖位置控制；同时根据压力传感器提供的信息实现基于系统位置的关节力控制，进而实现手指主动柔顺。

　　最后，将机械手样机、控制系统软硬件及上位机连接进行联调，依次进行参数验证实验及抓取性能实验。实验证明所设计的机械手运行参数符合设计要求，控制系统既可以通过有线和无线的方式控制机械手完成各种抓取任务，也可以实现抓取任务所需的柔性。

　　关键词：三指机械手，结构设计，运动学分析，控制系统

Abstract

　　Multi-finger manipulator is an intelligent robot end-effector which is comparatively commonly used in modern industry. Aiming to replace manual labor, it is generally cooperated with various robotic arms to apply to industrial processes such as processing, assembly and handling. It indicates an important research direction in the field of robotic, for the research, design and manufacturing of it involve lots of disciplines such as mechanics, materials, computers and automation. With the continuous development of industrial technology at this stage, people's requirements for multi-finger manipulators are getting higher and higher. The research and improvement of its structure and control system is regarded as focus for the reason that on the one hand, the mechanical structure, which directly affects the quality of the task execution, is the specific execution tool of various operation tasks, on the other hand, the control system is the processing center, which determines the way the manipulator performs the task. Therefore, this thesis focuses on these two aspects of a multi-finger manipulator.

　　Firstly, the multi-finger manipulator applied in the process of parts assembly is taken as the research object. For the mechanical structure, combined the research status of multi-finger manipulators at home and abroad with required design indicators, the corresponding theoretical analysis is carried out to ascertain the finger type and manipulator style. The controlling difficulty of the manipulator is reduced through the linkage drive mode, while the underactuated mode drove by the DC servo motor is used to reduce the volume of the entire structure while ensuring the driving force. Then the whole mechanical structure of the manipulator is designed on this basis, including the design ideas and detailed design drawings of the main components.

　　Secondly, it is significant to do the kinematics analysis and static analysis for the equivalent model of the designed manipulator to guarantee the smoothness and continuity of the finger movement trajectory. Furthermore, the parameters such as motion range and motion trajectory of the manipulator can be confirmed. At the same time, the grasping task is classified according to the difference of the target object, so as to do the grasping task planning, analyze of the its stability index and dexterity index, and verify and optimize the parameters of the manipulator.

　　Thirdly, the design of the three-finger manipulator control system is studied,including research of compliant control algorithm so as analysis and design of the software and hardware principles. The joint position tracking control of the finger is performed by the force/position hybrid algorithm to realize the fingertip position control, and similarly finger impedance control based on system position is achieved based on the information provided by pressure sensors, to realize active compliance of the finger.

　　Finally, the experiment to verify the parameter and the performance of the manipulator was carried out in sequence by joint debugging the prototype, the hardware and the software of the control system and the upper computer. The result shows that the designed manipulator operate better parameters than the design requirements, while the control system can not only make the manipulator to execute various gripping tasks through wired and wireless methods, but also make it possible to realize the required flexibility.

　　Keywords: three-finger manipulator, structural design, kinematics analysis, control system

目录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 引言

　　世界上第一台机器人诞生于 1960 年，在其后的近 60 年，与机器人相关的技术由于使用价值重大，得到了长足的发展。尤其是 21 世纪以来，计算机技术、信息技术、传感技术等现代科学技术飞速发展，使得机器人在工业、农业、航空航天、军事等领域迅速普及。相应的，机器人操作环境的复杂化程度和操作任务的精细化要求也随之越来越高了，因此目前许多学者也将机器人的使用情况作为衡量工厂自动化、智能化水平的一个重要因素。

　　机械手是机器人的末端执行机构。现阶段，机器人在工业领域的主要应用方式是装配在生产线中执行特定任务，该类机器人一般由机械臂和机械手组成，前者决定了机器人的运动范围和运动位置，后者则在操作环境中作用于目标，执行预设的任务[1].使用机械手稳定地抓持零部件进行装配、移动、加工等工序是工业生产自动化中极为重要的一个环节，关乎生产安全和产品质量[2].但早期的机械手一般是两爪或三爪的夹钳、吸盘或定制夹持装置，在应用过程中，这些执行器作业空间较小、灵活性较差、只能完成特定动作且操作目标类型较少，无法满足日益增长的工作需求，因此越来越多的研究人员开始研发、设计灵巧的机器人末端执行器，多指机械手即是其中的典型代表。

　　相比于夹持类的机械手，多指机械手一般带有轻巧而又有柔性的可动手指，能针对不同目标自适应调整手指姿势，灵活地夹持目标物体进行快速、精确、高效的运动[3,4].对于某些复杂的操作，多指机械手无需更换夹持装置即可完成多种形式的作业，因此可以大幅度提高机器人的操作空间和作业能力。在这种背景下，设计研发合适的多指机械手逐渐成为工业机器人研究的重点和难点[5].

　　本文的研究目的就是研制一种适应于零件装配类工业机器人的多指机械手，要求该多指机械手控制结构简单可靠，能适应多种工作环境，且能抓取不同形状尺寸的标准零件和异形零件；同时进行抓取作业时，机械手应具有一定程度的柔顺性，与目标物体表面稳定贴合，避免损坏目标物体。

　　1.2 研究背景及意义

　　人们使用机器人是为了代替人力劳动，避免人员伤害，同时提高工作效率。

　　因此研究人员常仿照人手研制多指机械手，使其具有多自由度、高适应性以及手指协调性，从而完成各种复杂的抓取动作。基于此，多指机械手不仅可以应用在生产车间中进行装配、运输、加工等精细操作，也适合应用于航天作业、深海作业、核工业技术等环境危险复杂，人员难以到达，或简易机械手无法胜任相应任务的工作场景。此外，仿人型多指机械手还可以应用在残疾人用义手、康复医疗等领域，应用前景广阔。

　　但在实际应用中，研究人员发现，在目标物体连续变化的作业环境中，多指机械手的反应速度远远低于预期需求，其主要原因是机械手本身无法像人手一样根据目标物体的重量改变自身抓持力的大小[6],也无法像人手一样自动而快速地根据目标形状改变抓持的姿势。针对该问题，需要从机械结构和控制方法两个方面提高机械手运动的柔顺性，以提高其对目标和环境的自适应能力。

　　机械结构是机械手执行动作的基础，而机械结构设计特别是传动驱动方式的设计是阻碍多指机械手研究的关键因素之一[7].然而，现阶段大部分国内研究人员将注意力放在对控制算法和控制规划等上层方面的研究，而少有人在结构设计等底层方面下功夫，因而也导致了早期国内多指机械手机构设计方面的相对落后[8].

　　针对这种情况，有必要仔细对比分析现有的典型机械手，根据各种结构特点，结合客观情况，设计出最符合实际需求的多指机械手结构。

　　控制方法是机械手控制系统的理论基础，合适的控制方法一般需要通过反馈力和位置信息构成闭环进行力控制和位置控制，从而使多指机械手针对不同目标自动调整抓持力和抓取姿势，以使其具备真正的通用抓持能力，降低生产成本，提高生产质量和安全[9,10].

　　最后，从成果看，现阶段对多指机械手的研究也主要集中在这两个方面。对机械手结构的设计与分析，主要有机械手指的结构设计[11],传动系统设计[12],传感系统设计[13],机械手运动学分析[14],运动轨迹规划[15]等。对机械手控制系统的研究，则主要有控制算法的研究[16],柔性控制的实现[17],控制系统兼容性[18]等，其中控制算法的研究是主流。

　　综上所述，合理的结构设计和控制方法可以增强三指机械手控制灵活性、使用可靠性、用途多样性和对操作环境的适应能力，提升其工业应用能力。这种研究具有实际的应用价值和良好的发展前景。

　　1.3 多指机械手发展概述及国内外研究现状

　　机器人和多指机械手的研究一直都是国际前沿课题，在过去 20 年里，各国研究人员在多指机械手的设计和控制上，付出了难以计量的精力、时间和资源，也取得了许多重大成果[19].

　　1.3.1 多指机械手发展概述

　　从机械手的研究历史来看，最早用于工业实用的多指机械手，是上世纪 40 年代美国橡树岭国家实验室用来搬运核原料的遥控机械手，这种用于太空、深海、地下、核工业等特殊环境的远程机械手也为多指机械手的后续发展奠定了基础。

　　其后，在 1958 年，美国通用公司研发了 Handyman 机械手[20],这是机械手研究历史中首次仿照人手，通过手指两个关节耦合来实现一个自由度的多指机械手，这种耦合结构也成为了后续多指机械手研究的常例。如图 1.1 所示。

　　在第二次世界大战期间，由于军事需要，工业用多指机械手迎来了第一次迅猛发展。20 世纪 80 年代以来，由于工业发展的迫切需求，世界各国逐渐加强了对多指机械手的重视和研发投入，在这种良好氛围下，一些有显著特点的多指机械手相继问世，如 1974 年日本研制的 Okada 手[21],1982 年美国犹他大学工程设计中心与麻省理工学院人工智能实验室研制的 UTAH/MIT 多指机械手等[22],两者是早期多指机械手的典型代表。Okada 手是世界上第一个真正意义上的机器人多指机械手，不仅能实现抓握动作，还可以对目标物体进行操作，功能远超同时代的机械手，如图 1.2 所示。UTAH/MIT 手则是首个使用生物电来控制手指运动的仿人多指机械手，如图 1.3 所示。

　　而后的 40 多年是现代科学技术的飞速发展期，也是多指机械手的快速成长期，驱动系统、传动系统、新型材料、新型传感器、电路技术以及控制系统等技术的更新换代，都为多指机械手的研究提供了便利，乘着东风，各国研究人员在多指机械手结构设计和控制策略方面的研究也取得了长足的进步[23].如 2000 年德国宇航中心研制的 DLR 机器人多指机械手[24]（如图 1.4 所示），2004 年英国 Shadow机器人公司研发的 Shadow 手[25]（如图 1.5 所示），前者一度被认为是世界上复杂度、智能化程度和集成化程度最高的仿人手多指机械手，后者则是产品化多指机械手的典型代表。

　　进入新世纪以来，材料、理论和技术的又一次更迭使得多指机械手越来越向高集成度、高智能化程度、高灵巧性和轻质化发展。因此，目前国内外多指机械手的研究主要集中在以下几方面：

　　1）手指结构设计以及手指的布置方式[26],包括材料、手指结构、手指数目、驱动方式、传动方式的选择等，这些内容决定了它所能达到的灵巧程度，是多指机械手系统的基础。

　　2）传感器系统[27],传感器的选择与布置对提高多指机械手的控制性能和操作精度具有极其重要的意义。

　　3）对机械手的运动学和动力学分析，亦即机械手抓取规划的研究[28].

　　4）对机械手的控制策略和控制算法的研究[29],这是现在多指机械手的主流研究方向，也是众多研究人员亟望解决的方面，唯有找到适合普适条件的控制理论，才可以真正使多指机械手推广开来。下面简要介绍多指机械手的国内外研究现状。

　　1.3.2 国外研究现状

　　在研发上，国外对多指机械手的设计与研究起步较早，因而成果也较多。现阶段，国外对多指机械手的设计与研究最有代表性的除了上文提到的日本 Okada手，美国 UTAH/MIT 手，德国的 DLR 手及英国的 Shadow 手；还有美国斯坦福大学喷气推进实验室研制的 Stanford/JPL 手[30]（如图 1.6 所示）、美国宇航局（NASA）研制的 Robonaut 手[31]（如图 1.7 所示）、加拿大多伦多大学机器人和自动化实验室及该大学计算机系统研究所研制的 PUMA/RAL 手[32]（如图 1.8 所示）等。这些机械手各有特点，在抓取速度、负载能力、传感系统、灵巧性等方面各有千秋。

　　其中，现阶段同类研究较多的是斯坦福大学的 Stanford/JPL 手，这是一种三指九关节非仿人手，易于设计、制造和控制。

　　在应用上，从本世纪初开始，欧美各国一直在使用装有多指机械手的机器人从事空间站物品搬运和装配、空间站维修等工作，现在已经取得不少成就[33].而日本，自 1969 年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前已成为世界上工业机械手应用最多的国家之一，在仿人机器人多指机械手方面不断创新，研制出了 3 代仿人机械手：Gifu-Ⅰ手、Gifu-Ⅱ手以及 Gifu-Ⅲ手[34].其中Gifu-Ⅲ手通过手掌和手指表面上分布的 859 个触觉传感器监测点，实现了手掌和手指表面的触觉控制，如图 1.9 所示。

　　1.3.3 国内研究现状

　　国内对于工业机械手的研究与开发，始于上世纪 70 年代，起步较晚，导致一开始落后于人。但从第七个五年计划（1986~1990 年）开始，工业进程的快速推进使各界人士逐渐认识到了工业机器人的重要性，因而开始为相关项目投入大量的人力和资金，我国的机械手也是从这个阶段开始飞速发展，在众多学者及科研人员的参与下，研究开发并制造了一系列的工业机器人和工业机械手[35].其中，北京航空航天大学机器人研究所在 1993 年成功研制出了我国第一个三指机器人手，BUAA-Ⅰ手（也称为 BH-1 手），此后在 BH-1 的经验基础上，又研制出了改进型 BH 系列 BUAA-Ⅱ手（BH-2）、BUAA-Ⅲ手（BH-3）两种型号的 3 指 9 自由度机械手[36]和 BUAA-Ⅳ（BH-4）型号的仿人 4 指机械手[37],三指和四指 BH 手分别如图 1.10 和图 1.11 所示。

　　除了 BH 系列机械手，现阶段国内在多指机械手的研究上，以哈尔滨工业大学研究的具有多种感知功能的仿人机器人 HIT 系列灵巧手[38]（如图 1.12 所示）和DLR/HIT 系列灵巧手（如图 1.13 所示）最具代表性[39].

　　现阶段，随着生活、生产方式的变化，人们也对机械手提出了更高的要求，这些要求也代表着机械手未来的发展方向，主要包括以下四点：

　　1）智能化，智能化程度决定了机械手抓取目标物体时的自适应能力，智能化程度越高，机械手自行判断目标情况并进行抓取的能力越强。

　　2）模块化，模块化的机械手相比于整体化的机械手更易于安装、调试、检查和维修。此外使用不同的模块组合，可以使同一机械手具备不同的功能，极大地扩展机械手的应用范围，提高其应用价值。

　　3）新材料，新型材料不仅可以减轻机械构件的重量，降低制作成本，延长使用寿命，而且一般是可回收降解的，不会污染环境。

　　4）高重复精度，机械手的重复精度一般指抓取动作进行多次重复后，各手指到达相同指定位置的精确程度，重复精度越高，机械手控制越不易出现异常情况。

　　1.4 本文研究内容及创新点说明

　　根据课题要求和对现有的多指机械手分析，本文设计了一款三指机械手，设计内容包括机械结构和控制系统。该三指机械手主要包括 3 个连杆传动的手指以及手掌内的 4 电机驱动系统和手指运动控制系统，外部设有配套控制箱。其工作原理在于：通过与每个手指基关节连接的驱动电机控制手指俯仰运动，将力和运动传递给各手指的连杆和凸轮，连杆推动手指弯曲接触目标物体或拉动手指伸展离开目标物体。通过与传动齿轮相连的第 4 个驱动电机使同一侧的两个手指在平面内摆动，配合手指俯仰运动，增大机械手抓取范围。使用手指上的压力传感器信息判断手指抓取状态，进而指导手指运动，完成抓取任务。当出现异常状态，控制系统就会使驱动电机停止转动，避免破坏目标物体或损害机械手。

　　针对目前装配类工业机械手存在的抓取功能单一、灵活性差、环境适应能力差等问题，本文的创新表现在以下三个方面：

　　1. 机械手机械结构技术创新：首先，设计模块化的机械手手指、驱动系统、手掌和手腕，便于安装与拆卸，针对不同应用场景可以自行选择合适的臂手组合方式，保证了机械手便携性、可扩展性。其次，使用刚性的连杆传动方式，保证手指灵活性，降低控制难度。最后，通过欠驱动模式，减少驱动电机数目，以减小整个结构的体积，同时使用直流无刷电机，保证驱动力足够大。

　　2. 机械手抓取任务设计技术创新：首先通过机械手指运动学建模和分析，获取手指运动轨迹。然后，对单手指进行静力学分析，获得驱动力和手指关节输出力之间的关系。最后对抓取任务进行分类，对不同目标选择不同的抓取方式，确保三指机械手安全有效地抓取工件，并提出机械手灵巧性指标和稳定性指标来定量评判抓取任务的执行质量。

　　3. 机械手控制系统技术创新：采用力/位置混合控制，通过实时监测三个驱动电机的电流和转动角度以及每个手指关节所受的压力，在柔顺空间分别进行位置控制和力控制，根据设定阈值在两种控制状态之间进行切换，从而实现所需的柔性，使机械手准确稳定地抓取目标。

　　1.5 论文组织及结构安排

　　针对前文分析的内容，本文采用的研究方法及技术路线如图 1.14 所示。

　　全文共分为六章，各章的内容安排如下：

　　第 1 章为绪论。主要论述了课题的研究背景及意义、多指机械手的发展历史和国内外的研究现状，简要介绍了一些具有代表性的多指机械手，并对本文主要研究内容、创新的地方及本文组织结构安排进行了说明。

　　第 2 章为三指机械手的总体结构设计。首先，介绍并分析了本文的设计需求参数，确认了手指结构形式，并参考现有的机械手模型对多指机械手的设计元素进行分析和确认。其次，在对比现有传动方式的前提下，结合实际，设计一种以连杆传动为基础的手指结构，并确认了机械手的驱动形式。最后，设计了机械手的手掌结构和腕部结构等，建立了完整的机械手模型，并进行了与现有多指机械手的对比。

　　第 3 章为单手指的运动学建模与分析。首先，分别建立了两类手指的运动学模型；其次，对两类手指模型进行了对应的分析和仿真；最后，在此基础上，对单手指的静力学问题进行了研究与分析。

　　第 4 章为三指机械手的抓取任务设计。对三指机械手的抓取任务进行分类，将机械手的复杂作业分为精细抓取和包络抓取两类，并在此基础上详细阐述了三指机械手完成抓取任务的稳定性和灵巧性的含义和指标。

　　第 5 章为三指机械手的控制系统设计和实验验证。主要设计了三指机械手的控制系统，包括对机械手控制算法的研究和改进、控制方案的设计、控制系统硬件电路设计、软件程序及控制界面的设计。然后，制作了三指机械手整体样机，并将样机与控制系统联调，通过相应的抓取实验验证了机械手结构和控制系统的性能。实验结果表明：该三指机械手不仅满足设计参数，且能较好地实现包络抓取和精细抓取，稳定性和灵巧性符合使用要求。

　　第 6 章为全文的总结与展望。总结了全文并提出了本文所设计机械手后续的研究方向与思路。

　　第 2 章 三指机械手总体结构设计
　　2.1 机械手设计指标分析
　　2.1.1 设计指标及分析
　　2.1.2 手指结构分析
　　2.2 多指机械手结构设计元素
　　2.2.1 手指数目
　　2.2.2 手指关节运动副型式
　　2.2.3 手指相对位置
　　2.2.4 手指关节尺寸和转动角范围
　　2.2.5 传感器选用与布置

　　2.3 手指传动方式
　　2.3.1 现有手指传动方式
　　2.3.2 手指连杆传动方式
　　2.4 驱动方式和驱动电机选取
　　2.5 机械手总体结构设计
　　2.5.1 手指结构设计
　　2.5.2 手掌结构设计
　　2.5.3 手腕结构设计
　　2.5.4 三指机械手总体结构设计
　　2.5.5 机械手模型对比分析
　　2.6 本章小结

　　第 3 章 单手指运动学建模分析与静力学分析
　　3.1 A 类手指运动学分析
　　3.1.1 A 类手指 D-H 建模
　　3.1.2 A 类手指运动学模型正解
　　3.1.3 A 类手指运动轨迹分析
　　3.2 B 类手指运动学分析
　　3.2.1 B 类手指 D-H 建模
　　3.3.2 B 类手指运动学模型正解
　　3.2.3 B 类手指运动轨迹分析
　　3.3 单手指静力学分析
　　3.3.1 A 类手指静力学分析
　　3.3.2 B 类手指静力学分析
　　3.4 本章小结

　　第 4 章 三指机械手抓取任务设计
　　4.1 三指机械手的主要任务
　　4.2 三指机械手抓取任务分类
　　4.2.1 精细抓取
　　4.2.2 包络抓取
　　4.3 机械手抓取性能分析
　　4.3.1 抓取稳定性指标
　　4.3.2 抓取灵巧性指标
　　4.4 本章小结

　　第 5 章 三指机械手控制系统设计与实现
　　5.1 机械手柔顺控制算法
　　5.1.1 柔顺控制算法分类
　　5.1.2 力/位置混合控制算法
　　5.2 控制系统硬件设计
　　5.2.1 控制系统总体设计
　　5.2.2 信号采集及处理电路
　　5.2.3 电机驱动电路
　　5.2.4 通信电路

　　5.3 控制系统软件设计
　　5.3.1 软件控制方案设计
　　5.3.2 主程序
　　5.3.3 信号采集与处理
　　5.3.4 通信程序
　　5.4 机械手控制实验
　　5.4.1 机械手设计参数验证实验
　　5.4.2 机械手抓取稳定性实验
　　5.4.3 机械手抓取灵巧性实验
　　5.4.4 实验结果与分析
　　5.5 本章小结

　　第 6 章 总结与展望

　　6.1 全文总结

　　本文的目的在于根据参数设计一款适用于工业生产中零件装配过程的三指机械手，设计内容包括机械手的结构设计和控制系统设计。机械设计首先需要进行理论分析，使其符合运动学和力学要求，而后进行抓取规划，确认机械手的抓取任务；其次研究三指机械手的控制算法，以力/位置混合控制算法为基础，设计三指机械手控制系统的软硬件，通过压力传感器和电机实时负载电流反馈力信息，通过编码器反馈姿势位置信息，对三指机械手实现柔性控制。论文主要完成了以下几个方面的工作：

　　1. 完成了三指机械手机械结构部分关键元素的分析与设计，包括手指数目、手指运动副形式、手指布置位置、关节尺寸和运动范围、传感器选用和布置、传动系统、驱动系统、手指、手掌和手腕的结构设计。

　　2. 通过机械手手指的关节参数，建立了手指的 D-H 模型，完成了机械手单手指的运动学建模，并进行了运动轨迹分析和静力学分析3. 完成了三指机械手的任务分析和抓取性能分析，对三指机械手的抓取任务进行分类，并在分类的基础上，提出了机械手抓取稳定性和灵巧性的定义和指标。

　　4. 完成了三指机械手电机驱动电路、信号采集与处理电路、通信电路，实现了 PC 机、触摸屏和蓝牙客户端与控制板之间的通信。

　　5. 编写了三指机械手下位机电机驱动程序、信号采集与处理程序、通信程序，实现了通过 PC 机、触摸屏和蓝牙客户端控制三指机械手手指运动和抓取。

　　6. 进行了三指机械手验证实验，分别验证了三指机械手的设计参数、稳定性指标和灵巧性指标。

　　6.2 展望

　　本文设计的三指机械手对相关课题的研究具有一定价值及意义，但由于本人能力及客观条件的原因，在研究工作中仍然存在许多不足，需要进一步的完善和补充：

　　1. 本文在设计机械结构时，使用了理论上的最优结构参数，但实际制作精度与理论之间存在差距，后期优化结构时需将使用环境，目标物体材质等因素皆考虑在内，而不仅仅是设计参数。

　　2. 本文中用于抓取实验的目标物体基本为刚性材料，缺少弹性材料作为对比，虽然在指节上使用了橡胶垫片用以加强机械手柔性，但相对而言，数据较为单薄，如能扩大针对柔性体的样本设计量，实验结果会更有说服力。

　　3. 由于实验条件的限制，本文设计的机械手应力检测是通过压力传感器反馈的信号，缺少专业仪器进行复测，在之后的研究中可在机械手抓持过程中使用应力检测装置，实时检测各指节的压力，并与传感器反馈结果对比，进行校正补偿。

　　4. 由于实验条件的限制，在实际实验时无法获得各接触点的详细位置信息，故本文提出的抓取稳定性指标和抓取灵巧性指标只能在理论上进行估计，无法用于实际计算，后期可以在此基础上提取更多的信息进行计算，根据这两个指标定性分析每次抓取任务的质量。

　　5. 本文设计的机械手控制系统是基于力/位置混合控制算法的，但是由于客观原因，没有在算法上进行更深层次的改进，后期研究工作中可以在算法方面进行优化，进一步提高控制的柔顺性。

　　参考文献
　　[1] 卜夺夺。 仿人机器人欠驱动灵巧手研究[D]. 杭州： 杭州电子科技大学， 2012.
　　[2] 骆敏舟， 方健， 赵江海。 工业机器人的技术发展及其应用[J]. 机械制造与自动化， 2015, 44（01）： 1-4.
　　[3] Bullock I M, Feix T, Dollar A M. Workspace shape and characteristics for humantwo- and three-fingered precision manipulation[J]. IEEE Transactions onBiomedical Engineering, 2015, 62（9）： 2196-2207.
　　[4] 张蕾， 韦攀东， 李鹏飞， 等。 采用神经网络算法的多指机械手织物抓取规划[J].纺织学报， 2017, 38（01）： 132-139.
　　[5] 欧洋， 高祯， 李连强。 工业机械手结构设计分析[J]. 工业控制计算机， 2017,30（06）： 81-82.
　　[6] Lin Haoting, Chiang Maohsiung. The integration of the image sensor with a 3-DOFpneumatic parallel manipulator[J]. Sensors, 2016, 16（7）： 1026.
　　[7] 刘伊威， 赵京东。 机器人灵巧手的研究与发展[J]. 机械传动， 2009, 33（04）：126-129+139.
　　[8] 孟庆鑫， 贾灵， 王立权， 等。 三指灵巧手的结构优化设计[J]. 应用科技， 2003,30（11）： 1-4.
　　[9] Natarajan E, Solihin M I, Chong J H. Grasp stability analysis of an isotropic directdriven three-finger soft robot hand[J]. International Journal on Advanced Science,Engineering and Information Technology, 2017, 7（5）： 1627-1631.
　　[10] Chaudhary H, Panwar V, Prasad R, et al. Adaptive neuro fuzzy based hybridforce/position control for an industrial robot manipulator[J]. Journal of IntelligentManufacturing, 2016, 27（6）： 1299-1308.
　　[11] Mnyusiwalla H, Vulliez P, Gazeau J P, et al. A new dexterous hand based onbio-inspired finger design for inside-hand manipulation[J]. IEEE Transactions onSystems Man & Cybernetics Systems, 2017, 46（6）： 809-817.
　　[12] 强恒存， 沈惠平， 张有斌， 等。 一种双手爪摆动机械手传动机构及优化设计[J].常州大学学报（自然科学版）， 2017, 29（04）： 50-56.
　　[13] Chen Zhijun, Gao Feng, Pan Yang. Novel door-opening method for six-leggedrobots based on only force sensing[J]. Mechanism and Machine Theory, 2017（5）：1227-1238.
　　[14] 周海波， 张忠党， 刘振忠， 等。 捡拾机器人机械手运动学分析与仿真[J]. 机床与液压， 2018, 46（23）： 23-28+34.
　　[15] 秦超， 梁喜凤， 路杰， 等。 七自由度番茄收获机械手的轨迹规划与仿真[J]. 浙江大学学报（工学版）， 2018, 52（07）： 1260-1266+1274.
　　[16] 戴学丰， 孙立宁， 刘品宽， 等。 柔性臂机器人控制算法综述[J]. 电机与控制学报， 2002（02）： 158-161.
　　[17] He Wei, Yan Zichen, Sun Yongkun, et al. Neural-learning-based control for aconstrained robotic manipulator with flexible joints[J]. IEEE Transactions onNeural Networks and Learning Systems, 2018, 29（12）： 5993-6003.
　　[18] Zou Tian, Ni Fenglei, Guo Chuangqiang, et al. Design of real-time and opencontrol system for Chinese space manipulator joint based on RTX[C]// IEEEInternational Conference on Robotics & Biomimetics. Zhuhai: IEEE, 2015:2629-2634.
　　[19] Wang Tianmiao, Tao Yong. Research status and industrialization developmentstrategy of Chinese industrial robot[J]. Journal of mechanical engineering, 2014,50（9）： 1-13.
　　[20] 宁致远。 典型机械手臂研究现状综述[J]. 信息记录材料， 2018, 19（03）： 4-5.
　　[21] Okada T. Computer control of multijointed finger system for preciseobject-handling[J]. IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics, 1982,12（3）： 289-299.
　　[22] Speeter T H. Modal state position controller for the Utah/MIT dextrous hand[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1990, 6（2）： 274-277.
　　[23] 于楚泓。 多指灵巧机械手机构的开发现状与趋势研究[J]. 科技展望， 2017,27（04）： 47.
　　[24] Liu Hong, Butterfass J, Knoch S, et al. A new control strategy for DLR'smultisensory articulated hand[J]. IEEE Control Systems Magazine, 1999, 19（2）：47-54.
　　[25] 邱鹏飞， 宋蕴璞， 何东伟， 等。 Shadow 仿人灵巧手的有效操作空间分析[J]. 机电一体化， 2018, 24（01）： 22-27.
　　[26] 高鹏。 三指灵巧手结构设计与控制实验[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2007.
　　[27] 肖英奎， 李永强， 谢龙， 等。 新型具有力感知的柔性果蔬采摘机械手研究[J].农机化研究， 2017, 39（10）： 133-136.
　　[28] Zhu Yukai, Qiao Jianzhong, Zhang Youmin, et al. High-precision trajectorytracking control for space manipulator with neutral uncertainty and deadzonenonlinearity[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2018, 99: 1-9.
　　[29] 毛润， 高宏力， 宋兴国。 基于模糊补偿的 RBF 神经网络机械手控制[J]. 西南交通大学学报， 2018, 53 （03）： 638-645.
　　[30] Mason M T, Kenneth S J. Robot hands and the mechanics of manipulation[J].Proceedings of the IEEE, 1987, 75（8）： 1134-1134.
　　[31] Lovchik C S, Diftler M A . The robonaut hand: a dextrous robot hand forspace[C]// IEEE International Conference on Robotics and Automation. Detroit:IEEE, 1999, 2: 907-912.
　　[32] 陈宁， 焦恩璋。 PUMA 机械手逆运动方程求解新方法[J]. 南京林业大学学报（自然科学版）， 2003, 27（04）： 23-26.
　　[33] 李成， 梁斌。 空间机器人的遥操作[J]. 宇航学报， 2001, 22（1）： 95-98.
　　[34] Mouri T, Endo T, Kawasaki H. Review of Gifu hand and its application[J].Mechanics based design of structures and machines, 2011, 39（2）： 210-228.
　　[35] 郭洪武。 浅析机械手的应用与发展趋势[J]. 中国西部科技， 2012, 11（10）： 3+12.
　　[36] Li Jiting, Zhang Yuru, Su Wenkui, et al. Grasp planning and implementation fordexterous hands by human demonstration[J]. Chinese Journal of MechanicalEngineering（English Edition）， 2004, 17: 232-235.
　　[37] Zhang Yuru, Han Z, Zhang Huoxiang, et al. Design and control of the BUAAfour-fingered hand[C]// International Conference on Robotics and Automation.Seoul, South Korea: IEEE, 2001, 3: 2517-2522.
　　[38] 刘义军， 刘伊威。 HIT 机器人灵巧手手指及其阻抗控制的研究[J]. 机械制造，2008, 46（07）： 5-8.
　　[39] Liu Hong, Meusel P, Hirzinger G, et al. The modular multisensory DLR-HIT-Hand:hardware and software architecture[J]. IEEE/ASME Transactions on mechatronics,2008, 13（4）： 461-469.
　　[40] 欧洋， 高祯， 李连强。 工业机械手结构设计分析[J]. 工业控制计算机， 2017,30（06）： 81-82.
　　[41] Markenscoff X, Ni Luqun, Papadimitriou C H. The geometry of grasping[J]. TheInternational Journal of Robotics Research, 1990, 9（1）： 61-74.
　　[42] Cutkosky M R, Howe R D. Human grasp choice and robotic grasp analysis[J].Dextrous Robot Hands, 1990: 5-31.
　　[43] 施建。 连杆驱动式 9 自由度 3 指灵巧手的结构设计与性能研究[D]. 秦皇岛： 燕山大学， 2003.
　　[44] 孙恒， 陈作模， 葛文杰。 机械原理（第七版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2009:7-14.
　　[45] Asfour T, Dillmann R, Vahrenkamp N, et al. The Karlsruhe ARMAR humanoidrobot family[J]. Humanoid Robotics: A Reference, 2019: 337-368.
　　[46] Speeter T H. Control of the Utah/MIT dextrous hand: hardware and softwarehierarchy[J]. Journal of Robotic Systems, 1990, 7（5）： 759-790.
　　[47] 宗光华， 刘海波， 程君实， 等译。 机器人技术手册[M]. 北京： 科学出版社， 1996:778-779.
　　[48] 蔡自兴。 机器人学[M]. 北京： 清华大学出版社， 2000: 189-202.
　　[49] 卜夺夺， 周建军， 马天文。 腱传动仿人手指机构的设计与分析[J]. 机电工程，2012, 29（03）： 286-289.
　　[50] Zhao Jieliang, Wu Jianing, Yan Shaoze, et al. Dynamic modeling and motionprecision analysis of spacecraft manipulator with harmonic drive considering thealternate thermal field in orbit[J]. Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 2015, 229（1）： 135-148.
　　[51] 夏春风， 王明娣， 钟康民。 基于蜗杆蜗轮与曲柄连杆传动的机械手内抓取装置[J]. 机械传动， 2016, 40（09）： 184-186.
　　[52] Kaluarachchi M M, Ho J H, Yahya S. Design of a single motor, tendon drivenredundant manipulator with reduced driving joint torques[J]. Mechanics BasedDesign of Structures & Machines, 2018, 46（5）： 591-614.
　　[53] 祁广利， 张浩， 闫永志， 等。 直接驱动机器人关节的 DSP 控制[J]. 机床与液压，2008, 08: 258-260.
　　[54] 张文增， 马献德， 黄源文， 等。 末端强力抓取的欠驱动拟人机器人手[J]. 清华大学学报（自然科学版）， 2009, 49（02）： 194-197.
　　[55] Carignan C R, Howard R D. A skew-axis design for a 4-joint revolutewrist[C]//Proceedings 2002 IEEE International Conference on Robotics andAutomation （Cat. No. 02CH37292）。 Washington, DC: IEEE, 2002, 4: 3636-3642.[56] Park I W, Lee B J, Cho S H, et al. Laser-based kinematic calibration of robotmanipulator using differential kinematics[J]. IEEE/ASME Transactions onMechatronics, 2012, 17（6）： 1059-1067.
　　[57] 朱建新， 杨成云。 一种新型水下作业机械手的研究[J]. 机械工程师， 2004, （02）：55-57.
　　[58] 周芳芳， 樊晓平， 叶榛。 D-H 参数表生成三维机器人模型仿真系统[J]. 系统仿真学报， 2006, 18（4）： 947-950.
　　[59] Xin Guiyang, Deng Hua, Zhong Guoliang. Closed-form dynamics of a 3-DOFspatial parallel manipulator by combining the Lagrangian formulation with thevirtual work principle[J]. Nonlinear Dynamics, 2016, 86（2）： 1329-1347.
　　[60] 陈玉， 夏发银。 三指灵巧手静力学分析与抓取仿真研究[J]. 湖北工程学院学报，2016, 36（03）： 75-80.
　　[61] Kurazume R, Hasegawa T. A new index of serial-link manipulator performancecombining dynamic manipulability and manipulating force ellipsoids[J]. IEEETransactions on Robotics, 2006, 22（5）：1022-1028.
　　[62] Yoshikawa T. Manipulability of robotic mechanisms[J]. The international journalof Robotics Research, 1985, 4（2）： 3-9.
　　[63] Xu Qingsong. Robust impedance control of a compliant microgripper forhigh-speed position/force regulation[J]. IEEE transactions on industrial electronics,2015, 62（2）： 1201-1209.
　　[64] 刘国华， 袁秋杰。 基于位置阻抗的机器人接触碰撞控制研究[J]. 机械设计，2016, 33（12）： 63-67.
　　[65] Wu Qingcong, Wang Xingsong, Chen Bai, et al. Development and hybridforce/position control of a compliant rescue manipulator[J]. Mechatronics, 2017, 46:143-153.
　　[66] Ju Mingshaung, Lin C C K, Lin Donghuang,et al. A rehabilitation robot withforce-position hybrid fuzzy controller: hybrid fuzzy control of rehabilitationrobot[J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,2005, 13（3）： 349-358.
　　[67] 孙海波。 六自由度机械手臂的力/位混合控制[D]. 沈阳： 沈阳工业大学， 2017.
　　[68] 王志。 基于 DSP 的机械手末端柔顺系统设计[D]. 马鞍山： 安徽工程大学， 2016.

致谢

　　早樱化春泥，新雀鸣高山。在这春夏之交，昨日还是晴空万里，今日便有暴雨倾盆，打落得一树新叶，洗出翠碧。如这研究生生涯一般，倏忽灿烂，倏忽寂落。居山望远，傍水思深，在这临水山巅，感慨万千，往事如走马，来者似流云，独是心怀畅。

　　首先，本课题和论文是在刘进江高工和罗萍副教授两位导师的亲切关怀和详细指导下完成的，其中负责校内指导的罗萍老师用心尤甚，在罗老师的带领下我才能下定决心去参加各项比赛和项目，并取得一定成果。罗老师如春风和睦，待人以礼，治学严谨，其克慎的作风修养令我受益匪浅。桃李不言下自成蹊，在论文即将付梓之际，谨向两位老师表示最诚挚的谢意和尊敬。

　　其次，在本课题的研究工作中，还得到了实验室另外两位老师吕霞付教授和陈勇教授的认真指导和倾力帮助，他们一丝不苟，严于律己的态度尤其让我衷心钦佩，在此向两位老师表示最衷心的感谢。

　　还要感谢三年来朝夕相处的智能仪器仪表及工业自动化与测试技术创新团队的师兄师姐（陈建、吴明明、程亚男、刘源等）和师弟师妹（王乾永、任春旺、卿政、林政、沈斌斌、刘冲等）对我学术研究和日常工作的认真指导和热情帮助。感谢我的同窗好友（康健、胡光宝、房昊、程啟忠、刘志强、沈奇翔、李绍举、王平山、王凯莉等）和室友（高岐、高奇峰）对我学习和生活的关心、支持与包容，感谢他们在我攻读硕士学位期间给我带来的欢乐！

　　春有嘉树，风起思晖。衷心感谢父母多年来的养育和支持，他们无私的给予和正直的言传身教，造就了今天的我。愿在有生之年，以寸草之心，报得三春晖。

　　最后，也衷心感谢参与论文评审和答辩的所有专家和教授！祝你们工作顺利，身体健康！

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