提出了一种基于气囊结构的腱驱灵巧手,具有驱动简单、质量轻、柔性等优点。介绍了灵巧手腱绳驱动的手指结构和气囊驱动的根关节结构;建立了灵巧手指的运动学模型并求得运动空间,推导了指尖的运动学模型;分析了增加气囊驱动结构后手指的侧摆力、侧摆力矩和侧摆角度,进行了三维运动仿真;搭建实验平台,对灵巧手进行了性能测试,通过各类物体的抓取实验,验证了研制的基于气囊结构的腱驱动灵巧手设计的有效性。

抓持规划是灵巧手主从抓持的核心问题。到目前为止,对于如何评价主从映射的好坏还缺乏相应的理论根据。本文利用灵巧手特征点集的概念,对仿人五指灵巧手的主从映射关系进行了详细的讨论,求得了主从运动过程中关节角的最优映射系数。为了满足实时控制的要求,利用黄金分割算法完成了程序的开发。结果表明,该方法完全满足实际控制的要求。

气动人工肌肉是一种新型的柔顺性驱动器,但由于采用硅胶等非线性材料而存在明显的迟滞现象,并且其滞环参数随着负载的不同而变化。本文基于广义Prandtl-Ishlinskii迟滞模型,引入气动肌肉的负载参数,建立了计及动态负载的迟滞模型Load-dependent generalized Prandtl-Ishlinskii(LGPI)。在0~100N的负载范围内进行实验,验证了该模型能较好地描述气动肌肉在动态负载作用下的不对称迟滞特性,其滞环回路位置误差最大不超过1mm。将LGPI模型的逆作为PID控制的前馈环节,以控制气动肌肉驱动的机械单指灵巧手手指,在不同负载下进行角度跟踪实验。与无前馈的PID控制实验结果对比分析表明,增加基于LGPI模型的前馈环节能提高控制系统的响应速度和控制精度。

参考人手的结构特征,设计了一种三指灵巧手,手指采用模块化设计,各手指结构相同。手指各主动关节均由直流伺服电机驱动,通过锥齿轮和钢丝绳传动机构传动,直流伺服电机和传动机构均配置在手指内部。采用D-H法建立手指坐标系,推导出运动学正、逆解,为灵巧手控制和抓取规划的研究奠定基础。运用仿真软件A D A M S对灵巧手抓持球体过程进行仿真分析,结果表明三指灵巧手在其工作空间内能够实现对物体的精确抓取。

设计的气动人工肌肉驱动的灵巧手控制系统，由数据手套完成远端到临近点的主从控制，由分布式二级控制系统完成临近点到接触点的自主控制。两种控制方式相融合，既提高了抓取效率，又保证了抓取的柔性，对灵巧手的智能控制方法的研究有一定的参考价值。

针对气动人工肌肉推广应用的问题，提出了一种轻小型气动人工肌肉的制作方案，并对其不同压力下的力学性能进行了试验和测试。试验结果表明，该气动人工肌肉具有高收缩率和大输出力的特性。基于该气动人工肌肉的运动特性，设计了一款欠驱动的多自由度灵巧手，并进行了多项抓取实验，验证了其多种状况下的工作能力。基于气动人工肌肉的灵巧手具有适应性强和抓取力大的特点，对气动人工肌肉的应用和机器人末端执行器的开发具有参考价值。