一種用于運動目標捕獲的行星輪差動式欠驅動臂

王清川，全齊全，鄧宗全，侯緒研

一種用于運動目標捕獲的行星輪差動式欠驅動臂

王清川，全齊全*，鄧宗全，侯緒研

（哈爾濱工業大學 機器人技術與系統國家重點實驗室，哈爾濱150001）

為解決運動目標捕獲過程中的碰撞問題，采用欠驅動自適應原理研制了具有碰撞能量吸收能力的機械臂。三自由度的機械臂由2個電機驅動：基關節由單個電機驅動；中關節和末關節由一個單輸入雙輸出行星輪組完成動力分配。在機械臂捕獲運動目標過程中，碰撞產生的部分沖擊能量通過欠驅動行星輪組傳遞到末關節，轉化為關節動能。依靠欠驅動機械系統完成對碰撞的響應，解決了控制系統因時延而無法怏速對碰撞迸行響應的難題。為完成對目標的抓取，基于阻抗控制提出了機械臂運動目標捕獲控制算法。運動目標捕獲實驗驗證了機械臂對碰撞的怏速響應能力及運動目標捕獲控制算法的可行性。

運動目標捕獲；欠驅動機械臂；差動驅動；行星齒輪；阻抗控制

在機械臂捕獲運動目標過程中，臂桿和目標間不可避免地發生碰撞。由于碰撞可能會造成驅動部件的損壞，機械臂需要對碰撞作出快速的反應，盡可能地減小實際碰撞對機械臂關節部件的影響。當前方遇到障礙時，全驅動剛性機械臂通常采用力-位混合控制的方式應對碰撞［1-2］。但控制系統不可避免地存在時間延遲，很難在碰撞瞬間作出反應適應目標運動。因此，與主動處理碰撞相比，利用機械式被動處理碰撞可能是一個更好的選擇。柔性機械臂采用柔性材料或串連單元組成臂桿，利用臂桿的柔彈性吸收碰撞能量，完成對碰撞的快速響應［3-5］。在機械臂運動過程中，臂桿的柔性可能會引起機械臂的振動，降低機械臂末端的控制精度以及響應速度。柔性關節臂是在關節中添加彈性單元，利用關節彈性單元吸收碰撞能量［6-8］。關節中的彈性單元會產生額外的關節轉動角度，影響機械臂的控制精度。為平衡碰撞響應和控制精度的矛盾，本文提出一種利用欠驅動剛性機械臂處理碰撞的方案。欠驅動機械臂是指自由度數大于驅動數量的一類機械臂，其關節的運動狀態受內部控制力矩和外部負載共同決定［9］。當碰撞發生時，欠驅動機械臂以機械響應的形式調整其姿態適應移動的目標。碰撞過程中，部分碰撞能量會被轉化為被動關節的動能，實現對碰撞能量的有效吸收。

目前，欠驅動機構動力傳遞方式主要可分為3類：腱驅動、連桿驅動和差動輪驅動。腱式欠驅動機構采用柔性繩索做為傳動單元［10-12］。由于柔性繩索體積小、可彎曲，腱式欠驅動機械臂結構較為緊湊，尺寸較小。欠驅動機構的傳動力受到繩索材料強度的限制，且繩索預緊力的增加會加大繩索與滑輪間的摩擦力，降低傳動效率。連桿式欠驅動機構采用剛性連桿作為傳動單元，具有傳動能力強、響應快的優點［13-15］。平面連桿機構在運動過程中存在的死點和位置干涉會限制連桿式欠驅動機械臂的工作空間。差動輪式欠驅動機構采用齒輪或同步帶輪作為傳動單元［16-17］。由于輪系可以圍繞關節軸心布置，差動輪式欠驅動機械臂的工作空間無明顯限制，可提供足夠的緩沖空間處理機械臂關節在碰撞中獲得的反向動量。而且，剛性傳動齒輪可以提高機械臂的傳動能力。在運動目標捕獲過程中，如太空垃圾的捕獲，相比其他形式的欠驅動機構，差動輪式欠驅動機構更具有優勢。

綜上所述，為解決運動目標捕獲過程中的碰撞問題，本文提出了一種具有碰撞能量吸收能力的行星差動輪式欠驅動機械臂。機械臂利用2個電機驅動3個關節運動，采用1個單輸入雙輸出行星輪組完成中關節和末關節的動力分配。在運動目標與機械臂的碰撞過程中，部分沖擊能量可以通過行星輪組傳遞到被動關節轉化為關節動能。在臂桿與目標發生碰撞后，欠驅動機械臂關節獲得反向動量。由于反向動量的大小與目標的質量、碰撞前目標初速度和碰撞接觸面材料等多個因素相關，且難以預先獲得，因此如何處理碰撞產生的關節反向動量成為了又一難題。Hogan［18］提出的阻抗控制方法可以通過調節機械阻抗（速度-作用力）使機械臂位置與作用力滿足理想的動態關系，常用于目標抓取和碰撞處理。針對提出的行星差動輪式欠驅動機械臂，本文基于阻抗控制方法開展了用于碰撞處理的控制器設計。根據反向動量的大小和關節位置調節輸入驅動力矩，控制機械臂關節以彈簧阻尼單元的形式處理碰撞后關節反向動量。機械臂依靠機械系統協調運動應對靠近的移動目標，實現對碰撞的快速響應，在阻抗控制的配合下完成運動目標的捕獲。

1 欠驅動機械臂工作原理

行星差動輪式欠驅動機械臂由基關節、中關節和末關節3個部分組成，如圖1所示。欠驅動機械臂通常存在抓取不穩定的問題，而且機械臂不穩定的抓取工作空間會隨著自由度數與驅動數差值的增加而擴大［8］。為了平衡工作空間和抓取穩定性的矛盾，機械臂采用2個電機驅動3個關節運動。基關節由1個電機直接驅動，構成了機械臂的全驅動部分。中關節和末關節構成了機械臂的欠驅動部分，由另外1個電機驅動，利用1個單輸入雙輸出行星輪組完成動力分配。行星輪組的傳統配置為單輸入單輸出（例如將外齒圈固定，以太陽輪作為輸入，行星架作為唯一輸出），而單輸入雙輸出行星輪組以太陽輪作為輸入，外齒圈和行星架均作為輸出。動力由太陽輪輸入并通過行星架和外齒圈分別向中關節和末關節輸出動力。當目標與中關節臂桿發生碰撞，部分碰撞能量會經由行星輪和行星架傳遞至外齒圈，轉化為末關節動能。

由于機械臂需要利用其欠驅動部分處理碰撞，在機械臂抓取動態目標過程中，機械臂預先調整姿態以保證中關節臂桿面對碰撞目標，如圖2所示。在未接觸目標前，機械臂3個關節順時針轉動。當中關節與目標發生碰撞時，由于欠驅動行星輪系中各輪組之間運動受外部負載影響，中關節會被迫逆時針運動。在碰撞過程中，一部分碰撞能量通過行星輪系傳遞到末關節。末關節在輸入驅動力矩和碰撞產生的沖擊力矩共同作用下加速運動。碰撞發生后，中關節在碰撞中獲得的反向動量在輸入驅動力矩作用下逐漸減小至零。隨后中關節開始順時針運動，與末關節和基關節一起帶動目標運動。當目標被推擠到機架上時，機械臂自動調整姿態以達到靜力學平衡，適應目標的形狀。圖2所示的運動目標抓取過程與人類手指捕獲移動的物體相類似，產生的碰撞力峰值較小，具有對目標運動狀態的自適應效果。

圖1 欠驅動機械臂基本方案Fig.1 Basic scheme of underactuated robotic arm

圖2 運動目標抓取過程Fig.2 Grasp movement for a moving target

2 欠驅動機械臂的機構設計

根據欠驅動機械臂基本構造及工作原理，提出了機械臂的傳動方案，如圖3所示。在機械臂全驅動部分中，基關節作為第 1個輸出單獨由1個電機直接驅動。在機械臂欠驅動部分中，中關節處的電機輸入力矩被欠驅動行星輪組分成2路，通過外齒圈和行星架分別向外輸出。由于行星架與中關節臂桿相連，一部分輸入功率經行星架傳至中關節，驅動中關節運動（第 2個輸出）；另外一部分輸入功率經外齒圈傳遞至直齒輪組。由于作用在行星輪系太陽輪和外齒圈上的驅動力矩方向相反，為獲得中關節和末關節的同向抓握效果，利用直齒輪組對傳遞至末關節的驅動力矩進行換向。由于主同步帶輪與副換向齒輪固聯，直齒輪組帶動同步帶輪組運動。驅動力經直齒輪組和同步帶輪組傳遞至末關節，驅動末關節運動（第3個輸出）。齒輪組和同步帶輪組起到了末關節輸出傳動比調節的作用。在無工作負載工況下，中關節和末關節需要實現同步運動以簡化欠驅動關節運動模型，降低控制難度，提高控制精度。一個以渦卷彈簧作為動力源的彈性環節被安裝在末關節轉軸上用于平衡末關節自重，確定自由運動狀態下關節間運動關系。中關節臂桿突出部分為機械限位擋塊，確保中關節與末關節間夾角在0°～180°范圍內變化。在無工作負載工況下，末關節臂桿在彈性環節作用下始終與機械限位保持接觸，與中關節同步運動。

圖3 欠驅動部分的傳動方案Fig.3 Transmission scheme of underactuated part

依據傳動方案，設計并研制了機械臂抓取測試平臺。測試平臺由欠驅動主臂和單關節副臂組成，如圖4所示。欠驅動主臂，即欠驅動機械臂，作為目標捕獲的主要執行部件，用于完成碰撞處理和目標抓握。單關節副臂作為抓握的輔助部件，用于完成抓取目標的幾何封閉。為提高機械臂的抓握性能，對欠驅動部分傳動比和3個關節的臂桿長度比進行優化，確定中關節電機輸入力矩和末關節輸出力矩之間的比例關系為2∶1，3個關節（基關節、中關節和末關節）臂桿的長度比為0.9∶1∶1。根據實驗用捕獲目標尺寸（直徑為250mm），確定基關節、中關節和末關節3個關節臂桿的實際長度為190 mm、215 mm、215 mm，如圖5所示。基關節驅動電機選用Maxon公司RE40-150Watt直流有刷電機，配備減速比為91∶1的行星齒輪減速器。機械臂欠驅動部分驅動電機選用Maxon公司RE40-150Watt直流有刷電機，配備減速比為43∶1的行星齒輪減速器。機械臂在豎直平面內運動時，末關節和中關節在重力作用下同步運動所需附加阻力矩為0.65 N·m，故渦卷彈簧預緊力矩確定為0.7 N·m。中關節和末關節處安裝有2 500 ppr（ppr為碼盤線數，即增量編碼器一周內發出的脈沖數）的光電編碼器用以檢測關節位置。基關節處安裝有扭矩傳感器用以檢測碰撞中基關節承受的沖擊力矩大小。副臂臂桿長度為215mm，采用Maxon公司RE25-90Watt直流有刷電機進行關節驅動。通過構建機械臂碰撞動力學模型，對被抓取目標初始動量與機械臂驅動組件所受沖擊以及關節殘余運動速度的關系進行分析，確定欠驅動主臂可捕獲目標的最大動量上限為4.5 kg·m／s。

圖4 運動目標捕獲測試平臺三維模型Fig.4 Three-dimensionalmodel of a moving target capturing test bed

圖5 運動目標捕獲測試平臺Fig.5 A test bed formoving target capturing

3 運動目標捕獲控制算法

在運動目標捕獲任務中，欠驅動主臂的控制流程分為4步，如圖6所示。圖中：θ1、θ2和θ3分別為基關節轉角、中關節轉角和末關節轉角；T1和T2分別為基關節電機輸入驅動力矩和中關節電機輸入驅動力矩。

第1步 預估目標運動軌跡，調節機械臂姿態使中關節臂桿面對運動目標。由于機械臂欠驅動部分中關節和末關節在機械臂與目標接觸前運動同步，此階段采用PID算法完成機械臂關節的位置控制。

第2步 當目標與中關節臂桿接觸，即碰撞發生時，機械臂以機械響應的形式完成與目標的協調運動。

第3步 監視末關節速度，完成碰撞檢測，進行控制模式切換。為處理機械臂中關節在碰撞中獲得的反向動量，采用基于位置反饋的阻抗控制方法完成對機械臂中關節的運動控制。在反向動量處理過程中，機械臂通過調節中關節運動速度與驅動力矩之間的動態關系模擬彈簧阻尼單元運動，如圖7所示。圖中和分別為基關節虛擬剛度和虛擬阻尼和分別為中關節虛擬剛度和虛擬阻尼。為縮短反向動量處理時間，降低中關節反彈角度，基關節需要配合中關節運動。將機械臂欠驅動部分以彈簧阻尼單元的形式引入到基關節控制中，基于力（中關節虛擬驅動力矩）反饋的阻抗控制方法，完成此階段機械臂基關節運動控制。

圖6 運動目標捕獲控制策略Fig.6 Control strategy for capturing amoving target

圖7 反向動量處理過程中的機械臂模型Fig.7 Robotic arm model for reverse momentum processing

第4步 隨著機械臂中關節反向動量的減小，驅動力矩逐漸減小直到無法維持末關節正向運動。當末關節開始反向旋轉時，切換控制模式，進行目標的抓取。抓取過程中，中關節電機和基關節電機保持恒力矩輸入。機械臂的最終抓取姿態依靠欠驅動自適應原理自動完成姿態調節。

由于機械臂欠驅動部分是一個非線性耦合系統，無法采用小偏差法線性化。在機械臂中關節運動控制中，采用計算力矩法在控制回路中引入非線性補償，使中關節動力學模型簡化為更易于控制的線性定常系統。建立如下機械臂系統動力學方程：

式（2）等價于一個解耦的線性定常系統，其控制結構框圖如圖8所示。

為獲得期望軌跡，在機械臂中關節運動控制器的基礎上引入阻抗控制方法，搭建機械臂中關節碰撞運動控制器。構建如下中關節虛擬彈簧阻尼模型：式中和分別為中關節虛擬債量和虛擬驅動力矩；θ2ref和分別為中關節參考位置和參考速度。

期望加速度求解的控制結構框圖如圖 9所示。

圖8 中關節動力學解耦控制框圖Fig.8 Decoupling control block diagram of median joint dynam ic model

圖9 中關節期望加速度求解控制框圖Fig.9 Control block diagram of desired acceleration solution ofmedian joint

基于力反饋的阻抗控制方法，將中關節虛擬驅動力矩引入到基關節模型中，構建機械臂基關節協調運動控制器。建立如下基關節位置與中關節虛擬驅動力矩的動態關系：

對式（5）變換得基關節位置修正量Δθ1為

修正量與軌跡規劃產生的參考位置θ1ref相減得到基關節位置控制量，即

將θ1d引入基關節內環的位置控制器，完成機械臂基關節的運動控制。控制結構框圖如圖10所示。圖中：KI為積分調節系數；KP為比例調節系數。

圖10 基關節協調運動控制框圖Fig.10 Control block diagram for coordinate movement of base joint

綜上所述，所設計的控制器可以控制機械臂關節以彈簧阻尼單元的形式處理碰撞產生的反向動量。在運動目標捕獲過程中，依靠機械系統響應碰撞，再通過控制系統完成目標的主動抓取。

4 運動目標捕獲實驗

采用本文提出的機械臂中關節動力學解耦控制方法，開展了軌跡跟蹤實驗。為了保證期望軌跡的平滑，采用機械臂實際運動軌跡作為期望軌跡。中關節電機輸入恒定力矩，記錄中關節運動軌跡。將記錄的中關節軌跡引入到軌跡跟蹤實驗中作為控制期望軌跡，如圖11（a）所示。

實驗中保持基關節位置固定不動，控制機械臂中關節跟蹤軌跡運動。為了驗證控制方法對欠驅動關節運動的解耦效果，實驗中不引入中關節位置誤差反饋。實驗結果如圖11所示，中關節實際運動軌跡與期望軌跡基本吻合，而且末關節實際運動軌跡也與理想軌跡（動力學模型推導出與中關節期望軌跡對應的末關節運動軌跡）吻合。由于沒有引入誤差反饋，實際軌跡與期望軌跡存在一定偏差。實驗中，中關節在末關節運動的同時依舊可以完成對期望軌跡的跟蹤。實驗結果說明，采用計算力矩法引入非線性補償實現了欠驅動系統的解耦和線性化。

圖11 計算力矩法軌跡跟蹤曲線Fig.11 Trajectory tracking curves of computed torquemethod

使用中關節碰撞運動控制器開展了機械臂中關節碰撞實驗。實驗中，研究人員推動物體運動，使物體以3種不同的運動速度與機械臂中關節臂桿碰撞。與軌跡跟蹤實驗相同，碰撞控制實驗中基關節保持固定位置不動。

在3次碰撞中，機械臂中關節獲得不同的反向動量。控制器根據反向動量的大小以及機械臂中關節位置完成了對反向動量的處理。實驗中，機械臂中關節在獲得反向動量后的運動與彈簧阻尼單元類似，如圖12所示，與提出的控制構想相符。

采用基關節協調運動控制方法，開展基關節碰撞運動控制實驗。實驗中，物體以3種不同的運動速度與機械臂中關節臂桿碰撞。機械臂欠驅動部分采用的控制方法與機械臂中關節碰撞控制實驗相同。

圖12 中關節碰撞后運動Fig.12 Movement ofmedian joint after collision

圖13 基關節碰撞后運動Fig.13 Movement of base joint after collision

如圖13所示，在3次碰撞中，控制器根據中關節運動控制過程中產生的虛擬驅動力矩，控制基關節完成協調運動。與提出的控制構想相同，基關節的運動加速了中關節的碰撞恢復過程，減小了中關節對碰撞反向動量的處理時間。

采用提出的中關節和基關節碰撞運動控制方法，利用機械臂運動目標捕獲測試平臺開展運動目標捕獲實驗。實驗中，運動目標的捕獲過程通過高速攝像機進行記錄，如圖14所示。捕獲實驗0ms時刻，物體在研究人員推動下向機械臂運動，并于400ms時刻與機械臂中關節臂桿發生碰撞。410ms時刻碰撞結束，機械臂中關節獲得反向動量開始運動。對中關節碼盤的檢測數據進行分析，發現中關節轉速在2ms內由0變化為5 rad／s，即碰撞實際持續時間應為2ms。由于高速攝像機的拍攝間隔為10ms，故記410ms時刻碰撞結束。碰撞過程中，部分沖擊能量通過行星輪組傳遞到末關節轉化為關節動能。通過檢測末關節轉速完成控制模式切換，進行沖擊動量處理。同樣提取電機電流的檢測數據進行分析，發現控制器于415ms時刻（延遲約10 ms）開始進行機械臂中關節的碰撞運動控制。機械臂中關節反向動量處理過程持續235ms（415～650ms）。控制器于480ms時刻（延遲約65ms）開始進行機械臂基關節的協調運動控制。捕獲流程5～9記錄了碰撞后機械臂運動過程，此過程與圖6中所示的理論運動過程相同，說明本文設計的控制器可以按提出的控制構想控制機械臂運動。此外，分析傳感器檢測數據，發現控制系統存在延時。本文提出的欠驅動機械臂依靠機械系統完成了對碰撞的快速響應。通過判斷末關節轉速方向，切換控制模式，機械臂于650ms時刻開始進行目標抓握。抓握過程中，單關節副臂驅動電機保持恒定力矩輸入。1 400ms時刻抓握結束，由于機械臂具有欠驅動自適應特性，機械臂開始緩慢地調節抓握姿態。2100ms時刻機械臂停止運動，運動目標捕獲結束。捕獲實驗說明，提出的欠驅動機械臂具備碰撞能量吸收能力，可以適應目標運動狀態，對碰撞做出快速響應。利用所設計的控制器，機械臂系統可以完成運動目標的捕獲。

圖14 運動目標的捕獲實驗Fig.14 Capturing experiment for amoving target

5 結 論

1）本文提出了一種用于運動目標捕獲的行星差動輪式欠驅動機械臂，其具有碰撞能量吸收能力，采用機械響應的方式應對碰撞。運動目標與機械臂發生碰撞時，沖擊能量通過行星輪組轉化為末關節動能，從而降低了對機械臂關節的沖擊。

2）為了處理機械臂關節在碰撞中獲得的反向動量，基于阻抗控制方法，設計了機械臂碰撞運動控制器。

3）實驗結果表明，所設計的機械臂具備對碰撞的快速響應能力，可有效完成運動目標的捕獲。所設計的控制器可依據關節速度和位置反饋，完成沖擊動量的處理。

（References）

［1］周軍，丁希侖.基于遺傳算法的雙臂機器人模糊力／位混合控制［J］.機器人，2008，30（4）：318-325.

ZHOU J，DING X L.Fuzzy hybrid force／position control of dual-arm robot based on genetic algorithm［J］.Robot，2008，30（4）：318-325（in Chinese）.

［2］RAIBERTM，CRAIG J.Hybrid position／force control ofmanipulators［J］.ASME Journal of Dynamic Systems，1981，102（2）：126-133.

［3］董楸煌，陳力.柔性空間機械臂捕獲衛星過程的魯棒鎮定與自適應抑振復合控制［J］.機器人，2014，36（3）：342-348.

DONG Q H，CHEN L.Composite control of robust stabilization and adaptive vibration suppression of flexible spacemanipulator capturing a satellite［J］.Robot，2014，36（3）：342-348（in Chinese）.

［4］NISHIDA S I，KAWAMOTO S.Strategy for capturing of a tumbling space debris［J］.Acta Astronautica，2011，68（1）：113-120.

［5］GARCIA A，FELIU V.Force control of a single-link flexible robot based on a collision detectionmechanism［J］.IEEE Proceedings-Control Theory and Applications，2000，147（6）：588-595.

［6］WOLF S，EIBERGER O，HIRZINGER G.The DLR FSJ：Energy based design of a variable stiffness joint［C］∥Proceedings of 28 th International Conference on Robotics and Automation. Piscataway，NJ：IEEE Press，2011：5082-5089.

［7］CHU C Y，XU J Y，LAN C C.Design and control of a robotic wristwith two collocated axes of compliant actuation［C］∥Proceedings of 31 th International Conference on Robotics and Automation.Piscataway，NJ：IEEE Press，2014：6156-6161.

［8］LAFERRIèRE P，PAYEUR P，TOLEDO T.Instrumented comp liantwrist for dexterous robotic interaction［C］∥Proceedings of 12 th International Symposium on Robotic and Sensors Environments.Piscataway，NJ：IEEE Press，2014：66-71.

［9］BIRGLEN L，LALIBERTéT，GOSSELINN C.Underactuated robotic hands［M］.Berlin：Springer，2008：1-2.

［10］ZECCA M，CAPPIELLO G，SEBASTIANIF，et al.Experimental analysis of the proprioceptive and exteroceptive sensors of an underactuated prosthetic hand［C］∥8 th International Conference on Rehabilitation Robotics（ICORR 2003）.Berlin：Springer，2004：233-242.

［11］TAKAKIT，OMATA T.High-performance anthropomorphic robot hand with grasping-force-magnification mechanism［J］.IEEE／ASME Transactions on Mechatronics，2011，16（3）：583-591.

［12］DALLEY S A，W ISTE T E，W ITHROW T J，et al.Design of a multifunctional anthropomorphic prosthetic hand with extrinsic actuation［J］.IEEE／ASME Transactions on Mechatronics，2009，14（6）：699-706.

［13］LALIBERTTéT，BIRGLEN L，GOSSELIN C.Underactuation in robotic grasping hands［J］.Machine Intelligence and Robotic Control，2002，4（3）：496-501.

［14］史士財，高曉輝，姜力，等.欠驅動自適應機器人手的研制［J］.機器人，2004，26（6）：496-501.

SH IS C，GAO X H，JIANG L，et al.Development of the underactuated self-adaptive robotic hand［J］.Robot，2004，26（6）：496-501（in Chinese）.

［15］MONTAMBAULT S，GOSSELIN C M.Analysis of underactuated mechanical grippers［J］.Journal of Mechanical Design，2001，123（3）：367-374.

［16］張文增，馬獻德，黃源文，等.末端強力抓取的欠驅動擬人機器人手［J］.清華大學學報（自然科學版），2009，49（2）：194-197.

ZHANGW Z，MA X D，HUANG Y W，et al.Underactuated humanoid robot hand with end power grasping［J］.Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2009，49（2）：194-197（in Chinese）.

［17］KOGANEZAWA K，ISHIZUKA Y.Novel mechanism of artificial finger using double planetary gear system［C］∥Proceedings of 20 th International Conference on Intelligent Robots and Systems.Piscataway，NJ：IEEE Press，2008：3184-3191.

［18］HOGAN N.Impedance control：An approach to manipulation：Part 1-3［J］.Journal of Dynam ic Systems Measurement＆Control，1984，107（1）：304-313.

Tel.：0451-86413857

E-mail：quanqiquan＠hit.edu.cn

鄧宗全 男，碩士，教授，博士生導師。主要研究方向：月面移動及轉移技術、月面采樣技術、空間折展機構及航天器連接與分離技術。

侯緒研 男，博士，講師。主要研究方向：無人自主星球鉆取采樣技術。

Differential p lanetary gears based underactuated arm for capturing m oving target

WANG Qingchuan，QUAN Qiquan*，DENG Zongquan，HOU Xuyan

（State Key Laboratory of Robotics and System，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

A novel underactuated robotic arm was proposed formoving target capturing，which has the capability of collision energy absorption.The proposed underactuated three-degree-of-freedom robotic arm has base joint，median joint and distal joint，and three joints are driven by two actuators.The base joint is driven by a single motor.The median joint and the distal joint employ a set of one-input-dual-output planetary gears to distribute power.Upon the occurrence of a collision in the process of capturing a moving target，part of the collision energy can be transmitted to the distal joint through the planetary gears as kinetic energy.Even though the time delay exists in the control system，the underactuated joints can also move cooperatively with the collided target through themechanical passive response.Moreover，the impedance-based control algorithm of the underactuated robotic arm is presented for capturing the target after the collision.Capture experiment for moving targetwas carried out to confirm desirable characteristics of the proposed arm and feasibility of the control strategy.

moving target capturing；underactuated robotic arm；differential drive；planetary gears；impedance control

2015-10-13；Accep ted：2015-11-06；Pub lished online：2015-12-08 16：23

s：National Natural Science Foundation of China（61403106）；Program of Introducing Talents of Discipline to Universities（B07018）；Heilongjiang Postdoctoral Grant（LBH-Z11168）；China Postdoctoral Science Foundation（2012M520722）；Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars of Ministry of Education of China

TP242

A

1001-5965（2016）10-2198-08

王清川 男，博士研究生。主要研究方向：環境自適應機構及控制技術。

E-mail：sjw413645＠126.com

全齊全 男，博士，講師。主要研究方向：空間機構在軌及地面測試技術。

http：∥bhxb.buaa.edu.cn jbuaa＠buaa.edu.cn

DO I：10.13700／j.bh.1001-5965.2015.0660

2015-10-13；錄用日期：2015-11-06；網絡出版時間：2015-12-08 16：23

www.cnki.net／kcms／detail／11.2625.V.20151208.1623.007.htm l

國家自然科學基金（61403106）；高等學校學科創新引智計劃（B07018）；黑龍江省博士后基金（LBH-Z11168）；中國博士后科學基金（2012M520722）；教育部留學回國人員科研啟動基金

*通訊作者：Tel.：0451-86413857 E-mail：quanqiquan＠hit.edu.cn

王清川，全齊全，鄧宗全，等.一種用于運動目標捕獲的行星輪差動式欠驅動臂［J］.北京航空航天大學學報，2016，42（10）：2198-2205.WANG Q C，QUAN Q Q，DENG Z Q，et al.Differential planetary gears based underactuated arm for capturing moving target［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2016，42（10）：2198-2205（in Chinese）.

URL：www.cnki.net／kcms／detail／11.2625.V.20151208.1623.007.htm l

*Corresponding author.Tel.：0451-86413857 E-mail：quanqiquan＠hit.edu.cn