空间在轨维护用五指灵巧手抓取方案研究

发布时间：2017-08-11 09:11

  本文关键词：空间在轨维护用五指灵巧手抓取方案研究

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【摘要】：我国将建造长期运行的空间站。为了完成危险环境下空间站在轨维护任务,需要研究能够识别目标物体、自主规划抓取方案的具有五指灵巧手的机器人。这类智能机器人与宇航员的组合将产生巨大效益。论文以自主研发的灵巧手为研究对象,并使用视觉传感器采集环境各项参数(包括深度信息),开展相关的基本研究,内容如下:(1)利用深度信息在开源点云库(PCL)下建立环境3D数字点云模型。结合点云库中的VFH描述子以及区域生长分割等基础理论,提出复杂环境中目标物体识别算法并进行实验验证。(2)通过采样一致性匹配算法映射出目标物体的完整3D点云模型。根据力封闭的抓取规则,提出二指、三指抓取算法,求解出相应的抓取参数,即抓取向量和抓取点。至此已经提取出与目标物体有关的抓取参数。(3)运用D-H参数法建立灵巧手手指的运动学模型,采用虚功原理法建立手指的静力学模型以及运用拉格朗日法建立其动力学模型。解决灵巧手到达期望位置、输出期望力矩和速度等控制方面的问题。(4)将目标物体的抓取参数和灵巧手运动学、静力学以及动力学的模型结合在一起,在OPEN INVENTOR(OIV)中建立包含灵巧手与抓取目标物体的虚拟系统。提出计算灵巧手指尖与目标物体之间虚拟力的方法。改进稳定抓取条件,使其适用于虚拟抓取。最终在虚拟系统中实施抓取实验仿真,验证所提算法的正确性。通过以上研究,实现了对环境中抓取目标物体的识别与定位;完成了从局部视图到完整3D点云模型的映射和抓取参数的提取;运用运动学与动力学模型在虚拟系统中实现了灵巧手对导入目标物体的抓取。
【关键词】：点云模型 物体识别 采样一致性匹配算法 抓取参数 动力学模型 虚拟系统
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V467;TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 论文的研究背景、目的及意义13-15
• 1.1.1 研究背景13-14
• 1.1.2 研究目的以及意义14-15
• 1.2 灵巧手抓取技术的研究现状分析15-22
• 1.2.1 抓取技术的国外研究现状15-21
• 1.2.2 抓取技术的国内研究现状21-22
• 1.2.3 抓取技术中的物体识别22
• 1.2.4 抓取技术中的虚拟仿真22
• 1.3 论文的研究内容、结构以及创新点22-25
• 1.3.1 论文的主要研究内容与结构22-24
• 1.3.2 论文创新点24-25
• 第二章 基于PCL的灵巧手抓取目标物体识别以及定位25-34
• 2.1 点云模型获取25-26
• 2.2 区域生长分割26-28
• 2.3 VFH描述子计算28-30
• 2.4 3D物体识别与环境自适应算法30
• 2.5 实验验证30-32
• 2.6 本章小结32-34
• 第三章 灵巧手对目标物体的抓取参数求解34-43
• 3.1 建立完整 3D点云模型34-35
• 3.2 目标映射35-37
• 3.3 二力平衡抓取参数求解算法37-38
• 3.4 三力平衡抓取参数求解算法38-42
• 3.4.1 三力平衡抓取参数求解算法推导38-40
• 3.4.2 算法证明与点云模型验证40-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 灵巧手运动学和动力学分析43-64
• 4.1 灵巧手运动学43-50
• 4.1.1 D-H参数法43-44
• 4.1.2 正运动学模型的建立44-47
• 4.1.3 逆运动学求解47-48
• 4.1.4 中指工作空间数值法求解48-50
• 4.2 灵巧手中指速度与静力学分析50-57
• 4.2.1 串联机构间的速度传递50-51
• 4.2.2 灵巧手中指各结构的速度51-54
• 4.2.3 灵巧手中指的雅可比矩阵和奇异性54-56
• 4.2.4 灵巧手的静力学56-57
• 4.3 灵巧手动力学分析57-63
• 4.3.1 牛顿-欧拉方法与拉格朗日方法的对比58-59
• 4.3.2 中指动力学模型建立59-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 灵巧手单指位置控制64-69
• 5.1 动力学模型修正64-66
• 5.2 位置控制66-68
• 5.3 本章小结68-69
• 第六章 基于Open Inventor的虚拟灵巧手抓取仿真69-79
• 6.1 虚拟灵巧手建模69-70
• 6.2 碰撞检测70
• 6.3 虚拟力计算70-72
• 6.4 稳定抓取条件72-73
• 6.5 虚拟环境中的抓取技术73
• 6.6 验证和分析73-77
• 6.6.1 虚拟力的验证和分析73-75
• 6.6.2 抓取的验证与分析75-77
• 6.7 本章小结77-79
• 第七章 论文总结与展望79-81
• 7.1 论文总结79-80
• 7.2 论文展望80-81
• 参考文献81-87
• 致谢87-88
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文88-89
• 附录89-102

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本文编号：655276