基于多传感器的空间机器人手爪结构设计.docx

基于多传感器的空间机器人手爪结构设计.docx

《基于多传感器的空间机器人手爪结构设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于多传感器的空间机器人手爪结构设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于多传感器的空间机器人手爪结构设计

基于多传感器的空间机器人手爪结构设计

摘要

人类的空间活动己经由单纯的空间考察和研究时代进入开发利用空间资源的时代，独特的太空环境为人类提供了特定的科研场所和空间生产基地。

空间机器人不仅可以取代人去完成某些特定工作，也可以完成某些人所不能够完成的工作。

世界各空间大国均充分认识到空间机器人在未来空间活动的重要作用，都在加紧进行空间机器人的研制工作，并投以巨资加以支持，但是建造一种全自主式的智能机器人系统，而采用多传感器智能手爪系统赋予空间机器人局部自主能力的方案己得到专家们共识。

将多种传感器集成在机器人手爪上构成多传感器集成手爪系统能最有效地反映外界环境及工作对象的状态，最直接的描述工作对象及其所在的外界环境、操作工具及其所操作的对象的关系，基于多种传感器信息通过信息融合技术将这些信息合并成统一的综合信息，从而准确、全面地描述和识别环境中物体的特征，供机器人进行识别、判断、决策和规划，进而在高层次上进行控制，因此研制空间多传感器智能手爪成为空间机器人关键技术之一空间机器人智能程度的高低很大程度上平决于先进的传感器技术、多传感器集成技术以及多传感器信息融合技术。

空间机器人多传感器智能手爪的研究正式致力解决多传感器集成技术及其多传感器信息处理技术。

同时，该项目的研究是在跟踪世界先进水平，掌握国际上空间机器人多传感器智能手爪最新技术，缩短同国外先进水平差距的背景下进行的，该项成果对加速我国空间机器人的发展发挥了积极作用，并将推动我国空间机器人技术的发展。

关键词空间机器人；传感器；结构设计；三指手爪

StructuralDesignofSpaceRobotwithThreeReferstoGripperBasedonSensers

Abstract

Mankind'sspaceactivitieshavebeenpurelythroughtheeraofspaceexplorationandresearchintothedevelopmentandutilizationofspaceresourcesofthetimes,theuniqueenvironmentofspaceforhumanprovideaspecificplaceandspacescientificresearchproductionbase.Spacerobotscanreplacepeopletocompletecertainworkandtobecompletedbysomepeoplenotabletocompletethework.Theworld'sspacepowersarefullyawareofspacerobotsinthefuturetheimportantroleofspaceactivities,aresteppingupthedevelopmentofspacerobots,andvotedtohugeamountsofmoneytosupportit,buttheconstructionofafullyautonomousintelligentrobotsystemAndtheintelligentuseofmulti-sensorsystemgivesspacerobotgripperpartialautonomyoftheprogrammehasbeentheexpertsconsensus.WillbeintegratedinavarietyofsensorsonarobotgripperGripperintegratedmulti-sensorsystemcanmosteffectivelyreflecttheexternalenvironmentandtheobjectsofthestate,themostdirectdescriptionoftheobjectsoftheirworkandwheretheexternalenvironment,anditsoperationaltooloperatedbytheobjectoftheRelations,basedonavarietyofsensorinformationthroughtheintegrationofinformationtechnologywillbemergedintoaunifiedcomprehensiveinformationtoaccuratelyandcomprehensivelyidentifyanddescribethecharacteristicsofobjectsintheenvironmentforrobotrecognition,judgement,decision-makingandplanning,thenatthetopOnthecontrolandthereforemoreroomfordevelopmentofsmartsensorsGripperbecomeoneofthekeytechnologiesofspacerobotsforspacerobotssmart-levelsummarytoalargeextentthelevelinadvancedsensortechnology,multi-sensorintegrationtechnologyandmulti-sensordatafusiontechnology.SpaceRobotmulti-sensorsmartgripperofofficialeffortstosolvethemulti-sensorintegrationtechnologyanditsmulti-sensorinformationprocessingtechnology.Atthesametime,theproject'sresearchofficeintrackingtheworld'sadvancedlevel,grasptheinternationalspacerobotgripperasintelligentmulti-sensortechnologytoshortenthegapwithforeignadvancedlevelinthecontextof,theresultsofspeedingupthedevelopmentofChina'sspacerobotPlayapositiveroleinpromotingChina'sspaceandthedevelopmentofrobottechnology.

KeywordsSpaceRobot；Sensors；StructuralDesign；threereferstogripper

不要删除行尾的分节符，此行不会被打印

摘要

Abstract

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。

在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。

打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

建造一种全自主、自身健全并具有近似人类智能水平和灵活操作能力的机器人系统，就目前技术而言还很不现实，如何满足现阶段空间任务要求能够完成空间操作和太空移动的机器人的需要，空间机器人界经过认真分析找出了新的出路，即利用先进的遥操作系统，建造具有一定自主能力的机器人，充分利用现阶段可行的技术并结合人的高智能，构成一种人机交互系统，即所谓的智能遥操作技术（intelligentteleoperation），是当前的最佳选择[1]。

目前，国外一些技术先进的国家已研制出多种手爪系统，而采用多传感器智能手爪系统赋予空间机器人局部自主能力的尤以德国ROTEX计划，日本ETS-VII为代表，下面就德国、日本空间机器人计划中多传感器智能手爪进行简要介绍，从中可以了解国外空间机器人多传感器智能手爪的发展状况和发展趋势[2]。

1.2国内外研究现状

1.2.1德国ROTEX计划中多传感器智能手爪系统概况

德国参加欧洲宇航局空间实验的主要项目为“人参与的自由飞行”（MTFFManTendedFreeFlyer），该项目的主导思想是宇航员只须每隔半年去照看空间机器人室，而其余的时间，通过监控自主方式进行工作。

就整个欧洲来说，1985年以前，并没有任何有关空间机器人方面的研究经验，所以1985年德国宇航院提出了一项研究计划ROTEX（RobotTechnologyExPeriment），对空间机器人作探索性实验[3]。

这是自动化领域在空间进行的首次实验，并于1993年搭载美国哥伦比亚航天飞机成功地完成了一系列空间作业。

ROTEX计划的主要技术之一是成功地采用了多传感器智能手爪系统实现机器人的局部自主。

ROTEX计划的主体特征：

一个工作范围为l

的六自由度机器人安装在空间舱某处，其末端装有多传感器集成的智能手爪；

作业任务：

包括机械结构件装配，电子插头的联接和分开以及浮游物体的捕捉；

操作模式：

主要包括自动地面预编程和再编程，利用立体电视监控器的宇航员太空摇操作，利用预测计算机图形的地面遥操作以及遥远传感器编程[4]。

ROTEX计划的主要目标：

在机器人的加速运动规划的关节控制模式；

检验DLR的基于传感器六维控制球在零重力情形下的应用；

检验一个复杂的具有强大人机接口能力的多传感器机器人系统的功能。

ROTEX计划中多传感器智能手爪的重要特征是多传感器集成。

手爪配置的传感器属于新一代的DLR机器人传感器，这些传感器是基于所有模拟处理和数字运算操作均在各个传感器至少在手爪腕部完成的概念下研制的，这意味着传感器的电子部件SMD化，传感器的预处理、预放大、数字补偿等都集成在手爪本体内，它是一个高度集成化、智能化的传感器系统，可以说是目前世界上最复杂的一个手爪。

ROTEX计划中的智能机器人手爪为单自由度、平行双指型手爪，其上的传感器配置如下：

9个激光测距传感器，其中一个中距离扫描测距传感器，其测距范围为3~35cm，其余8个短距离测距传感器的测距范围为0~3cm，它们均等地安装在两个手指指尖部位；

2个为

个感应单元的二进制触觉阵列传感器；

一个基于应变片测量的刚性六自由度力/力矩传感器；

一个微型CCD摄像机；

手指驱动器，即驱动手爪开合的步进电机，尽管它不是传感器，但在整个系统数据传输中，它也被作为传感器处理。

该手爪采用先进的通讯结构，从整个手爪引出的线只有4条，其中两条为电源线，两条为各种传感器的信息输出线，采用375K波特率的串行通讯总线完成这种通讯，最终将提高到10M波特率的通讯频率，该手爪安装在一个工作空间为l

的六自由度机器人上，全部实验在航天飞机的空间实验舱进行。

1.2.2日本ETS_VII计划中的多传感器智能手爪系统概况

ETS-VII（TheEngineeringTestSatellite）计划由日本宇宙开发事业团（NASDA）承担，主要研制一种自由飞行服务系统—技术实验卫星VII型机器人，预计在太空完成燃料加注，更换电池等卫星服务工作，也要完成目标星的捕捉和固定等任务[5]。

为了能使空间机器人在轨道上完成精密复杂的作业，MITI（MinistryofInternationalRoboticTradeandIndustry）正在研制一种多传感器智能手爪ARH（AdvancedRoboticHand）参与ETS-VII空间机器人飞行实验。

该智能手爪的研制基于以下两个出发点：

一为通用性和遥控末端能力是空间使用单一机器人完成多项任务的前提，下一代空间机器人要求具有多自由度，灵活的手爪；二为基于传感器控制的局部自主能够克服从地面到空间的时间延迟和通讯能力缺乏造成的遥操作的困难，手爪的感知功能和智能是提高自主的关键[6]。

1.ARH空间实验简述

ARH空间实验的目标为：

I）验证多自由度多传感器智能手爪对于灵活轨道服务的潜力；II）开发和测试空间机器人关键的机电部件；III）精密装配；VI）材料样本的采集；V）浮游物体的捕捉；VI）ARH与ERA之间的物料传递。

ARH的操作模式：

I）借助数据通讯卫星COMET从地面遥控操作；II）自主操作；III）遥控与自主混合操作。

2.ARH系统

多传感器智能手爪安装在长约40cm的5自由微型手臂的末端，手爪具有更换功能，即手爪在轨道上通过编程控制即可以与微型手臂脱开，又可以与手臂联接。

实验目标物体如插头、螺栓、装配物体等安装在工作台上。

工作台上有手爪锁紧装置，用以发射时固定手臂和手爪，该装置还用于手爪的更换平台。

见图1-1[7]所示。

3．多传感器智能手爪

日本学者认为多自由度多指手爪缺乏机械的可靠性和实用性，并且存在着抓取稳固性和控制复杂性的问题，在空间手爪必须可靠地抓取和作业，不能出差错，在微处理器防辐射能力有限的情况下，很难可靠地控制多自由度。

多手指手爪。

从这点出发，研制了一种使用简单、可靠的机械机构称为半灵活性（Semi-dexterous）三指手爪，见图1-2所示。

图1-1ARH系统图1-2ETS_VII多传感器智能手爪

该手爪共配置五种传感器，具体如下：

3个测距传感器，安装在手爪的外壳上，主要用于接近工作台控制，也用于始终面对工作台的姿态控制；

一个CCD眼在手上（Hand-in-eye）摄像机，主要用于目标物体的测定、微细定位及监视；

握力传感器，通过握力反馈控制执行三指抓取目标物体。

一方面通过监视握力传感器为地面操纵者确定抓取状态提供帮助，另一方面可以准确地确定三个手指抓取物体接触点的位置；

一个六自由度力／力矩传感器，主要用于微型手臂的力控制，也用于基于任务知识库通过模型匹配技术（Pattern-matchingtechnique）监视空间任务的执行情况；

一个柔顺力／力矩传感器，该传感器比六自由度力／力矩传感器更敏感，用于监视微细作业的执行。

该手爪包含了用于空间遥控机器人微细作业所需的传感器、机构和控制等多项技术，单使用传感器融合技术，为空间机器人在空间完成多种任务奠定了基础[8]。

1.2.3哈尔滨工业大学多传感器集成手爪系统

该手爪系统由手爪机械模块和电路模块组成。

共集成了14个传感器，该系统同空间机器人克服了实验综合平台中气浮机械臂作用空间的限制。

其它作业如自动抓取、物体捕捉、电路板拔插等由多传感器集成手爪与PUMA562机器人组成的实验系统完成。

手爪本体外观如图1-3所示。

1.多传感器系统集成及控制技术，包括机器人传感器、多传感器集成及信息融合技术等研究；

2.基于Internet网络机器人遥操作技术，研究多操作者多机器人遥操作，包括人机交互界面、机器人协调作业、系统稳定性、安全性等方面的研究；

3.Hapticinterface及临场感技术，研究信息感知设备、临场感、虚拟人机交互以及虚拟传感器信息融合技术；

4.自重构模块化机器人技术，研究机构、控制及自重构算法。

具体如下：

图1-3多传感器集成手爪本体的外观图及各模块的位置

9个测距传感器组成测距传感器组，其中1个为长距离扫描／测距传感器，8个指尖短距离传感器。

2个触觉传感器，位于两个手指内指面。

1个六自由度力／力矩传感器。

2个滑觉传感器。

1个带有过载保护功能及自动锁紧机构的柔顺RCC装置。

1.3本文选题的意义及主要内容

1.3.1选题的意义

人类的空间活动己经由单纯的空间考察和研究时代进入开发利用空间资源的时代，独特的太空环境为人类提供了特定的科研场所和空间生产基地。

空间机器人不仅可以取代人去完成某些特定工作，也可以完成某些人所不能够完成的工作。

世界各空间大国均充分认识到空间机器人在未来空间活动的重要作用，都在加紧进行空间机器人的研制工作，并投以巨资加以支持，但是建造一种全自主式的智能机器人系统，而采用多传感器智能手爪系统赋予空间机器人局部自主能力的方案己得到专家们共识[9]。

将多种传感器集成在机器人手爪上构成多传感器集成手爪系统能最有效地反映外界环境及工作对象的状态，最直接的描述工作对象及其所在的外界环境、操作工具及其所操作的对象的关系，基于多种传感器信息通过信息融合技术将这些信息合并成统一的综合信息，从而准确、全面地描述和识别环境中物体的特征，供机器人进行识别、判断、决策和规划，进而在高层次上进行控制，因此研制空间多传感器智能手爪成为空间机器人关键技术之一，空间机器人智能程度的高低很大程度上取决于先进的传感器技术、多传感器集成技术以及多传感器信息融合技术。

空间机器人多传感器智能手爪的研究正是致力解决多传感器集成技术及其多传感器信息处理技术。

同时，该项目的研究是在跟踪世界先进水平，掌握国际上空间机器人多传感器智能手爪最新技术，缩短同国外先进水平差距的背景下进行的，该项成果对加速我国空间机器人的发展发挥了积极作用，并将推动我国空间机器人技术的发展[10]。

1.3.2本文的主要内容

空间智能机器人多传感器集成手爪系统是一项工程实际意义很强的基础研究课题，研究内容主要包括：

在兼顾体积小、重量轻、操作灵活、并能集成多种传感器的基础上选取手爪执行机构。

结合多传感器集成技术中传感器选择原则，基于具体任务合理选择传感器配置。

传感器的配置包括：

传感器种类的选择；传感器数量的确定；各传感器的安装位置。

机器人手爪所需传感器的结构设计。

第2章多传感器集成三指手爪的机械设计

2.1三指手爪系统的组成

多传感器手爪系统是基于模块化思想设计的，由手爪机械模块（包括传感器模块）和电路模块组成。

本设计仅对机械部分和传感器部分进行研究，本章和下一章将分述这两部分的研制过程。

2.2三指手爪本体机械模块组成

手爪本体高250mm，最大外径为176mm，重量小于2.5公斤。

多传感器集成手爪系统的机械模块主要由以下部分构成：

1．三指末端执行器模块

2．六维柔性力／力矩传感器模块

六维柔性腕力传感器与刚性腕力传感器都是利用测量弹性体在力／力矩的作用下产生的变形量来计算力／力矩的，它们之间的根本区别就在于弹性体变形量的大小，由此决定了其他诸如传感装置、结构等方面的差别。

刚性腕力传感器由于起步早，弹性体的变形很微小，因此其设计大同小异，己经比较成熟。

柔性腕力传感器弹性体变形大，加之应用环境往往各不相同，因而设计往往比较复杂。

3．短距离激光测距传感器模块

4．长距离激光测距（含扫描）传感器模块

5．阵列式触觉传感器模块

6．六维刚性力／力矩传感器模块

六维刚性力／力矩传感器有多种形式，如简式结构、马尔提斯十字梁（MaltessCross）结构、径向三横梁结构、八角环等，本项目中考虑到空间的要求，即在该传感器的可利用空间中要安装一些处理电路，因此选取马尔提斯十字梁结构。

7．摄像机模块

图2-1给出了多传感器集成手爪本体的外观图及各模块的位置。

图2-1多传感器集成手爪本体的外观图

多传感器手爪本体包含了七个模块，而阵列式触觉传感器模块，短距离激光测距传感器模块各由两个子模块构成，安装在平移手指末端执行器上；感应触觉传感器模块由一个子模块组成，安装在旋转手指末端执行器上；长距离激光测距传感器和摄像机模块安装在三指手爪的中环上。

由于采用了模块化设计原则，各模块间易于拆装。

多传感器集成手爪本体各模块间装配关系见图2-1所示。

同时多传感器集成手爪中大部分传感器是基于模拟及数字信号处理操作在每个传感器或至少在手爪本体内部完成的思想研制的，因此其机械上的装配还包含了传感器信号处理电路板的安装。

2.3手指部件的设计

2.3.1设计原则

手指部分的设计是指三指手爪区别于两指手爪和多指手爪的最重要之处，本文所设计的三指手爪采用一指平动，两指转动的形式，是为了保证在手爪的动作易于控制的前提下，尽量增加手爪的灵活性。

手爪将应用在空间站的工作中，因此手爪的设计必须小而轻。

2.3.2电机的选取

根据设计意图，三个手指中一个为平动，两个为转动，设计采用三组电机和减速器的配合完成此项工作。

其中两个电机对称的放在手爪模块的两侧，通过减速器直接带动两个手爪转动；另一个电机通过减速器带动丝杠转动，由丝杠螺母副的运动实现手指的平动。

电机的选用不仅要满足设计任务中抓取力的要求，还要符合手爪外形尺寸的要求，本文选用德国Maxon[11]公司生产的A2522系列936型直流电机，与步进电机相比，直流电机有如下优点：

1．调速范围广，且易于平滑调节；

2．过载起动、制动转矩大；

3．易于控制，控制装置的可靠性高；

4．调速时的能量损耗较小。

936型直流电机的外观如图2-2所示，它的主要参数如下：

图2-2电机外观简图

几何尺寸：

电机本体：

输出轴：

性能参数：

额定电压：

15V

额定功率：

5W

最大转速：

13600r/m

额定转矩：

4N

m

减速器选用与之配套的Maxon公司生产的GP系列134188型减速器，它的外观图如2-3所示，它的主要参数如下：

图2-3减速器的外观简图

几何尺寸：

减速器本体：

性能参数：

减速比：

1014：

1

手指的转矩=电机转矩

减速比=4

1014=4056mN/m=4.056N

m，而设计要求的最大抓取力为50牛，转矩=力

力臂=50

0.07=3.5N

m，因而满足设计要求。

2.3.3齿轮的设计

本设计中的齿轮不担任加速或减速的作用，而只起到传递运动的作用，故选用了两个齿数一样的齿轮，因为传递的力很小，齿轮的大小与电机的大小相似即可。

选取的齿轮参数如下：

分度圆直径

=27mm

模数m=1.5

齿数z=18

齿顶圆直径

齿根圆直径

2.3.4其他零件的设计

各零件的摆放要考虑空间安排合理且方案可行，见图2-4所示。

本文采用一个“几”字形的电机支架来固定与旋转手指相连的减速器、电机。

电机的支架两侧与外壳底部的接触部分凹进去是为了节省空间。

该手爪工作力较小，因而可以使用减速器输出轴直接带动手指旋转。

与丝杠相连的减速器、电机的固定采用一块竖起来的钢板。

三个减速器、电机与齿轮的连接使用了紧定螺钉，因为该装置承受的力较小，用此种形式可以减轻重量并节省空间。

平动的手指由丝杠提供运动的动力，同时加两根钢棒起到

图2-4三指部件剖视图

导向作用。

钢棒和丝杠两端用两个支架固定，以增加刚度。

连接手指部件各个部分的支撑体选用4-5mm的钢板，并在不必要存在的部分采用镂空的形式，尽量减小系统的重量。

三指部件中底板与侧板的联接使用了四个小的突起，同时具有联接和定心的作用。

三指部件与柔性传感器相连的部分做出一个圆筒形，以增加手指与柔性传感器的接触面积，提高柔性传感器的灵敏度[12]。

整个三指部件为不对称结构，为使之表达的更清楚，没有从中间剖开，而是采用了如装配图所示的剖视方法，并增加了许多局部剖。

2.4Pro/engineer