末端执行器是机器人与环境发生交互作用的最重要部件。传统的末端执行器存在结构简单、自由度少及适应性差等缺点,严重影响了机器人的发展与应用。机器人多指灵巧手是一种模拟人手结构、功能及尺寸,具有多自由度、多关节的新型末端执行器,具有良好的灵活性和适应性,为机器人的应用起到了积极推动作用,具有很好的研究意义与应用价值。20世纪90年代后,一般功能的工业机器人的应用趋于饱和,机器人的应用逐渐延伸至农业、医疗康复、服务娱乐等领域中,其抓取目标往往是一些脆、嫩或有生命体的对象,因此,要求机器人多指灵巧手具有很好的柔性。本文总结了现有灵巧手存在柔性差、结构复杂、难以控制等缺点,并在此基础上提出了一种新型的气动驱动多指灵巧手,命名ZJUT多指灵巧手,其具有良好的被动柔性,同时在某些方面弥补了现有灵巧手的不足。主要完成的研究工作如下:(1)提出了采用FPA直接驱动,模拟人手指侧摆运动的侧摆关节。从静力学角度,以弹性力学为基础,对驱动元件FPA自由端进行力平衡分析,建立了侧摆关节的静态模型;根据热力学第一定律,结合关节的动力学方程,建立了关节的动态模型;实验研究了侧摆关节的静动态特性,验证了数学模型的正确性,分析了理论与实际曲线误差存在的原因;采用了串联双闭环控制方法,对关节的转角及输出力矩进行了控制研究,结果表明:期望角度为15°时,关节转角闭环动态响应时间约为0.3s,稳态相对偏差小于0.65%;期望输出力矩为188Nmm时,闭环输出力矩动态响应约为0.3s,稳态相对偏差小于1.5%;侧摆关节可控性高,满足多指灵巧手关节设计要求。(2)提出了具有4个关节、4个自由度的拟人手指;采用模块化设计方案,将5个完全相同的手指装配在拟人手掌上,构成ZJUT多指灵巧手的本体结构;采用仿生学的优化方法确定了灵巧手的结构参数及整手的布局方案,通过仿真实验验证了该手的抓持能力;研制了ZJUT灵巧手的传感系统;总结了ZJUT灵巧手的特色之处。(3)采用D-H法建立ZJUT灵巧手手指的运动学方程;分析得出手指的逆运动学存在冗余解问题;提出一种改进的自适应遗传算法IAGA,仿真实验表明:该算法收敛速度快,鲁棒性强,能够有效的解决手指的逆运动学求解问题;对手指进行了位置跟踪实验,实验结果表明:对于不同的目标位置,指尖位置跟踪动态响应时间小于0.5s,位置最大误差为1.12mm。(4)基于微分运动学理论,建立了ZJUT灵巧手手指的静力学模型,完成了手指静力跟踪的半闭环控制实验,验证ZJUT灵巧手手指输出力便于控制的特点;分析了ZJUT灵巧手具有良好被动柔性的特点;基于指尖五维力传感器,提出了一种模糊自适应指尖力动态跟踪控制策略,完成了手指指尖力动态跟踪实验,结果表明:该控制策略能够在未知环境下,实现对手指指尖力快速、精确的动态跟踪,响应时间约为1s,跟踪误差稳定在±0.15N范围内。(5)定义了ZJUT灵巧手手掌最佳抓取姿态;提出了基于ANFIS的抓取模型辨识方法,仿真结果表明:该方法能够很好的对目标物体进行模型辨识,同时具有很好的辨识精度和收敛性;提出了一种目标物体规则化等价方法,大大提高了模型辨识效率;介绍了基于线性约束梯度流抓取力优化方法;提出了一种多指灵巧手通用抓取规划方案;最后,完成了ZJUT灵巧手的抓取规划综合实验,结果表明:ZJUT灵巧手能够对典型形状的未知目标物体进行模型辨识,根据目标物体的模型,选择合理的参与抓取手指数量及抓取点位置,对目标物体实施稳定抓取,并能够完成抓取力的优化。本文研究的新型气动多指灵巧手,采用课题组自主研发的气动柔性驱动器FPA直接驱动,具有结构简单,便于控制,易于小型化等特点,具有良好的被动柔性,同时不缺乏刚度。适合应用在一些柔性要求相对较高,对响应速度要求相对较低的场合,如农业采摘机器人,手指康复机器人等。