欠驱动索杆桁架式机械手爪及其模糊控制方法研究

With the increase of space activitys and space exploration, various space robot hands are necessary for the orbit service and maintenance of spacecrafts, and grasp of uncooperation objects. In this project, a kind of cable-strut truss underactuation robot hand is proposed, which has the ability of shape adaption. The robot hand is constructed by several four-linkage mechanisms driven by cables, which can be used as large scale robot hands in space by using the modular structures.Underactuated mechanism is beneficial to lower the mechanism weight, reduce structural complexity and energy consumption due to has less actuators. It is not required to know accuracy special position and geometric shape of target object, because of its adaption ability. The underactuated mechanism has wide application prospect in space environment. At present, the research on dynamic coupling and singular of the underactuation mechanism, controllability and control method of system is still immature. The critical theoretical issues and technical difficulties of the underactuation mechanism are eager to be solved. Thus following research works will be investigated in this project: Innovative design of underactuation hand, Kinematic and dynamic modeling and analysis, Controllability and control strategy, Manufacture and experiment of underacturation robot hand prototype. The main aims of this project are to make a breakthrough progress in creative design and control method of underactuation mechanism, and provide theoretical basis and technical achievements for practical application of novel underactuation robot hands.

随着太空活动和空间探测任务的增加，对航天器进行在轨服务与维护、捕获非合作目标等任务需求越来越迫切，需要应用各种空间机械手爪。本项目提出一种具有形状自适应的索杆桁架式欠驱动机械手爪，该手爪由若干个绳驱动四杆机构联接而成，采用模块化结构，可扩展为大尺度空间用机械手爪。欠驱动机构减少了驱动装置，有利于减轻机构重量、降低结构复杂度、减少能耗，对目标物体形状具有良好的自适应能力，在捕获时不要求感知目标物体的精确空间位置和几何形状，具有广阔的空间应用前景。目前围绕欠驱动机构的动力学耦合与奇异、系统可控性与控制方法等方面的研究尚不成熟，还存在着重要的理论问题和技术难点,因此本项目将围绕欠驱动机械手爪的创新设计、运动学及动力学建模与分析、可控性与控制方法、样机研制与实验等方面开展研究工作。本项目旨在欠驱动机械手爪的创新设计与控制方法方面取得突破性进展，为新型空间机械手爪的实际应用提供理论依据与技术成果。

自适应欠驱动机械手爪可用于捕获空间非合作目标、清理太空垃圾、摧毁敌方卫星等任务，与全驱动机械手相比具有驱动组件数量少、质量轻、结构简单等优点，需要突破自适应欠驱动机械手爪构型创新设计、自适应特性分析、控制方法、系统集成等理论与技术。.本项目设计了一种具有形状自适应的欠驱动索杆桁架式机械手爪，建立了多自由度欠驱动索杆桁架式机械手的通用动静力学模型，分析了欠驱动机械手的形状自适应性、力的自适应性机理；建立了多自由度欠驱动索杆桁架式机械手的刚柔耦合非线性动力学模型，分析了欠驱动机械手动力学耦合与奇异机理。.分析了欠驱动索杆桁架机构的平衡点分布及其可控性，进行了Type-2模糊控制方法研究，并设计了囊括输入力不确定性的用以实现最优抓持力控制策略的Type-2控制器并进行了仿真验证。揭示了系统参数对系统可控性与机械手运动控制策略的影响机理。.研制了2套欠驱动索杆桁架式机械手原理样机。其中，2013-2014年度设计并研制了一种具有5-DOF的欠驱动机械手指原理样机（1号机），2015-2016年度设计并研制了由3-DOF机械手指构成的两指对称式欠驱动机械手（2号机）。通过实验验证了欠驱动机械手动静力学模型与控制方法的正确性，验证了配置关节摩擦阻尼实现欠驱动机械手运动控制的有效性。在欠驱动机构的设计、绳轮式传动系统等效、动力学模型建立、控制方法等方面形成理论与技术成果。.具体研究成果如下：研制了2套欠驱动索杆桁架式机械手爪原理样机，搭建配套控制系统1套；建立了多自由度欠驱动索杆桁架机构刚柔耦合非线性动力学模型；针对绳轮传动式欠驱动机械手，形成了动态控制方法及相关控制算法；现已发表学术论文22篇，其中SCI检索论文8篇，EI检索论文11篇，学位论文3篇。共申请国家发明专利3项。对照项目任务书，已超额完成项目预期研究任务。.在项目执行周期内培养硕士研究生4人、博士研究生2人，已毕业硕士研究生3人。