仿人型靈巧手拇指靈巧性設(shè)計(jì)方法的研究.pdf

1、多指靈巧手因其多自由度、多感知功能及良好的抓取操作性能,而受到世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。盡管如此,卻少有資料提及靈巧手拇指的設(shè)計(jì)方法。在大多數(shù)靈巧手的設(shè)計(jì)中,只是將拇指同其它手指一起做模塊化處理,并將其簡(jiǎn)單地置于其它手指的對(duì)面。而事實(shí)上,人手之所以既能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力抓取又能實(shí)現(xiàn)精確操作,并且具有很高的靈活性和適應(yīng)性,正是得益于拇指。為此,本文從仿人手和靈巧性的角度,對(duì)靈巧手拇指的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。
　　首先,運(yùn)用解剖學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)

2、的理論,對(duì)靈巧手拇指的構(gòu)型進(jìn)行了分析。從關(guān)節(jié)功能的角度,分析了人手拇指的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式,并進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。在此基礎(chǔ)上給出了15種可用于靈巧手的拇指構(gòu)型,并從方向靈活性的角度對(duì)拇指的構(gòu)型特征進(jìn)行了分析,為拇指構(gòu)型的選擇提供了初步的依據(jù)。
　　其次,從人手抓取模式出發(fā),基于剛體有限轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉定理,提出了一種有效的靈巧手拇指在手掌上布局的方法。并從靈巧性的角度,給出了相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化指標(biāo):從速度和加速度的各向同性角度出發(fā),并且兼顧到工作空間

3、大小對(duì)機(jī)器人性能的影響,提出了一個(gè)新的靈巧性指標(biāo),并基于 Monte Carlo方法給出了相應(yīng)的計(jì)算方法;從并聯(lián)機(jī)器人的角度,提出了一種多指操作靈巧性的全域度量,并給出了相應(yīng)的計(jì)算方法;從對(duì)大物體和小物體抓取能力的角度,給出了靈巧手抓取能力的度量,并給出了相應(yīng)的計(jì)算方法。
　　最后,根據(jù)上述靈巧手拇指的構(gòu)型分析和拇指在手掌上布局的靈巧性設(shè)計(jì)方法,對(duì)HIT/DLR II Hand的拇指進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的拇指具有5個(gè)關(guān)節(jié)4個(gè)自由

4、度,所有的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣傳感系統(tǒng)都集成在靈巧手結(jié)構(gòu)本體的內(nèi)部。從拇指單手指工作空間、拇指對(duì)向性的角度,對(duì)改進(jìn)前后靈巧手的性能進(jìn)行了對(duì)比分析,改進(jìn)后拇指的單手指工作空間是改進(jìn)前的1.88倍,拇指對(duì)向性指標(biāo)是改進(jìn)前的2.92倍。運(yùn)用多指操作靈巧性的全域度量對(duì)改進(jìn)后靈巧手的操作性能進(jìn)行了分析,為靈巧手的操作提供了指導(dǎo)。并針對(duì)改進(jìn)后的靈巧手進(jìn)行了 Cutkosky抓取分類學(xué)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后的靈巧手可以成功完成90％以上的 Cutk