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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 多指灵巧手的代表性成果2

1.3 多指灵巧手的发展趋势10

1.4 多指抓取模型及抓取规划10

1.4.1 抓取静力学10

1.4.2 抓取约束和特性12

1.4.3 抓取规划13

1.5 多指手控制综述16

1.5.1 手指的控制17

1.5.2 多指控制20

1.6 小结22

参考文献22

第2章 仿人多指手的机电一体化设计29

2.1 HIT/DLR Ⅰ手概况29

2.2 机构和驱动系统的集成化设计31

2.2.1 基关节单元31

2.2.2 手指单元31

2.3 传感系统的设计33

2.3.1 关节力矩传感器33

2.3.2 电机位置传感器33

2.3.3 关节位置传感器34

2.3.4 六维指尖力／力矩传感器34

2.3.5 温度传感器35

2.4 电气系统的集成化设计35

2.5 控制系统硬件的设计37

2.5.1 微处理器系统37

2.5.2 高速串行通信系统38

2.6 控制系统软件的设计38

2.7 HIT/DLR Ⅰ手的外观设计40

2.7.1 外包装设计40

2.7.2 机构的优化设计42

2.8 手腕的设计42

2.9 HIT/DLR Ⅱ手的机电一体化设计43

2.9.1 HIT/DLR Ⅱ五指手概述43

2.9.2 HIT/DLR Ⅱ手的机构和驱动44

2.9.3 HIT/DLR Ⅱ手的控制系统硬件47

2.9.4 手掌构形的拟人化设计51

2.10 小结57

参考文献57

第3章 仿人多指手的传感技术59

3.1 机器人的外部传感59

3.1.1 视觉传感器59

3.1.2 测距传感器59

3.1.3 接近觉传感器61

3.1.4 触觉传感器62

3.1.5 力／力矩传感器62

3.2 机器人的内部传感63

3.2.1 规定位置的检测63

3.2.2 位置感知64

3.2.3 速度和角速度的检测67

3.2.4 加速度的检测67

3.3 HIT/DLR手的关节位置和速度检测67

3.3.1 原理67

3.3.2 电机位置和速度的计算68

3.3.3 关节位置的检测68

3.4 微型五维指尖力／力矩传感器69

3.4.1 多维力传感器研究概述69

3.4.2 微型五维力传感器的弹性体设计72

3.4.3 微型五维力传感器的信号处理电路74

3.5 基于MEMS的微型六维指尖力／力矩传感器75

3.5.1 全平面的弹性体结构75

3.5.2 基于MEMS的薄膜电阻应变计78

3.5.3 基于DSP的传感器信号处理电路和微处理器电路82

3.6 微型六维力／力矩传感器的静态解耦84

3.6.1 基于最小二乘的静态解耦84

3.6.2 基于人工神经网络（ANN）的静态解耦85

3.6.3 静态解耦实验86

3.7 指尖触觉传感器89

3.7.1 压阻式触觉传感器的原理89

3.7.2 触觉传感器的本体结构设计90

3.8 小结91

参考文献91

第4章 仿人多指手的驱动技术93

4.1 机器人灵巧手驱动技术概述93

4.1.1 驱动器93

4.1.2 传动系统94

4.2 微型直线驱动器95

4.2.1 直线驱动技术概况95

4.2.2 微型直线驱动器的原理和组成96

4.2.3 微型直线驱动器的电路98

4.2.4 微型直线驱动器的数学模型100

4.2.5 微型直线驱动器的滑模位置控制器设计102

4.2.6 微型直线驱动器的位置控制106

4.3 HIT/DLR Ⅱ手的内置式驱动系统109

4.3.1 基于DSP/FPGA的驱动控制电路109

4.3.2 相电流检测电路110

4.3.3 电源系统112

4.4 小结113

参考文献113

第5章 仿人多指手的运动学和动力学115

5.1 手指运动学115

5.1.1 位置运动学115

5.1.2 微分运动学118

5.2 手指静力学119

5.3 多指操作运动学119

5.3.1 物体运动学121

5.3.2 手掌运动学121

5.3.3 接触运动学121

5.3.4 通用形式的多指操作运动学123

5.4 平面抓取时多指操作运动学的计算实例124

5.4.1 虚拟指节124

5.4.2 封闭的运动链125

5.4.3 运动学计算128

5.5 手指动力学131

5.5.1 应用迭代的Newton-Euler算法求解手指连杆动力学132

5.5.2 腱传动系统的动力学133

5.5.3 基关节动力学134

5.5.4 手指动力学方程134

5.6 小结135

参考文献135

第6章 仿人多指手的抓取规划137

6.1 抓取模型的数学描述137

6.1.1 最佳抓取平面137

6.1.2 抓取模型的构建137

6.2 E-ANFIS模型的框架及建模140

6.2.1 自适应神经模糊推理系统140

6.2.2 前件专家系统结构及知识表示形式141

6.2.3 E-ANFIS模型的结构142

6.3 基于E-ANFIS的抓取模型的构建144

6.4 一种四指力封闭抓取算法146

6.4.1 力封闭算法的通用性证明146

6.4.2 力封闭算法的描述149

6.5 多指手的抓取规划实验150

6.5.1 E-ANFIS模型的训练151

6.5.2 灵巧手抓取操作的流程153

6.5.3 模型重构实验及结果154

6.5.4 四指力封闭算法的实验结果156

6.6 小结158

参考文献158

第7章 多指抓取的力规划和控制系统结构160

7.1 多指抓取力规划概述160

7.2 基于线性约束梯度流的多指力优化算法161

7.3 改进的线性约束梯度流力优化算法165

7.3.1 理论依据165

7.3.2 改进的线性约束梯度流算法166

7.3.3 初值的给定方法168

7.4 抓取力优化的计算实例169

7.5 灵巧操作控制系统173

7.5.1 多指手控制结构综述173

7.5.2 模块化的灵巧操作控制系统174

7.5.3 模块化的灵巧操作控制系统的组成174

7.6 自主抓取策略177

7.6.1 时间驱动的自主抓取策略177

7.6.2 时间-事件混合驱动的自主抓取策略178

7.7 柔顺运动规划器179

7.7.1 混合外力控制179

7.7.2 混合外力控制器的设计180

7.7.3 混合外力控制器的性能分析和改进181

7.7.4 混合外力控制器的仿真183

7.8 小结185

参考文献185

第8章 仿人多指手的手指控制187

8.1 HIT/DLR手的空间变换187

8.2 关节位置控制189

8.2.1 摩擦力及其补偿189

8.2.2 具有摩擦力补偿的关节位置PID控制算法190

8.2.3 关节位置控制系统193

8.2.4 关节位置控制实验194

8.3 关节的冲击控制和力矩控制198

8.3.1 冲击控制和力控制方法的综述198

8.3.2 基于事件的并行位置／力矩控制200

8.4 关节的阻抗控制202

8.4.1 基于位置的关节阻抗控制系统及实验202

8.4.2 目标阻尼对阻抗控制系统过渡过程的影响203

8.5 手指的笛卡儿位置控制205

8.6 手指的笛卡儿阻抗控制207

8.6.1 坐标变换208

8.6.2 手指的笛卡儿阻抗控制算法209

8.6.3 手指的笛卡儿阻抗控制实验210

8.7 小结213

参考文献213

第9章 仿人多指手的遥操作216

9.1 多指手遥操作技术概述216

9.1.1 临场感遥操作技术217

9.1.2 时延遥操作技术219

9.2 具有临场感的多指手遥操作226

9.2.1 临场感多指手遥操作系统的体系结构226

9.2.2 具有临场感的多指手遥操作系统设计228

9.2.3 临场感多指手遥操作实验231

9.3 基于虚拟现实的时延遥操作234

9.3.1 基于虚拟现实的时延遥操作概况234

9.3.2 基于虚拟现实的时延遥操作系统设计236

9.3.3 基于虚拟现实的时延遥操作实验240

9.4 小结242

参考文献243