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面向海生物机器捕捞的形状自适应无损抓取研究

张万里  
【摘要】:随着海参、扇贝以及海胆等海产品养殖规模的扩大,但是其捕捞方式却没有发生大的变化,传统的捕捞方式已经越来越不适应海产品养殖的发展趋势。为了探索新的海产品捕捞方式,实现海产品捕捞的机械化、无人化,本文结合国家自然科学基金重点项目-“水下机器人自主环境感知与生物目标无损抓取研究”(项目编号KY70100160005),研制了一款新型的水下欠驱动形状自适应机械手。文中针对不同形态的海生物设计了欠驱动四指抓取机构,并将模块化思想应用到抓取机构的设计中,提高了机械手组装与维护效率。设计了腱绳-扭簧组合式的手指传动方式,并完成了不同关节处扭簧的参数设计,提高了欠驱动手指的包络抓取效果,扩大了手指的作业空间。对机械手进行运动学分析并建立了动力学模型,同时针对海参、扇贝以及海胆目标的形状多样性,建立了手指的静力学模型,并针对特征尺寸分析了手爪的抓取姿态,得到手指抓取力与关节力矩之间的关系式。为了实现无损抓取,文中自主设计了一款六维力矩传感器测量抓取力信息,实现力抓取的封闭性,对传感器的弹性体做了有限元分析。对传感器进行做了标定实验,通过输入标准力,得到传感器的输出数据,使用最小二乘法对标定数据处理,得到标定矩阵,最后对传感器的误差进行了分析。机械手的控制环节是完成抓取任务的重要环节,文中结合前文分析的手指运动学以及静力学与动力学模型,对手指的抓取进行独立PD控制仿真以及基于力矩的基关节的阻抗控制。文中后面介绍了笔者之前为项目组设计的一款大包角包络抓取机械手抓,之后对本文设计的欠驱动机械手与大包角包络机械手分别进行抓取试验,分析两者的抓取性能。


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