類人型五指靈巧手的設(shè)計(jì)及抓取規(guī)劃的研究.pdf

1、作為類人型機(jī)器人系統(tǒng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有類人功能的機(jī)器人靈巧手是提高機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行能力和智能水平的重要組成部分。如何設(shè)計(jì)外形和操作能力都類似人形的機(jī)器人多指靈巧手，并使其能夠?qū)λ|及的任意形狀物體都具有精確抓取能力一直是多指靈巧手研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文結(jié)合國家“863”計(jì)劃的主題項(xiàng)目“新一代五指仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抓取操作的研究”研制外形和操作能力都具有國際先進(jìn)水平的類人型機(jī)器人五指靈巧手。
　　本課題將設(shè)計(jì)重點(diǎn)集中在如何在現(xiàn)有

2、的商業(yè)化器件基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出指尖輸出力大、集成度高、互換性強(qiáng)、外形尺寸同人手接近的且具有商業(yè)化價(jià)值的靈巧手。HIT/DLR Hand II靈巧手由5個(gè)手指及1個(gè)獨(dú)立手掌構(gòu)成，每個(gè)手指具有4個(gè)關(guān)節(jié)和3個(gè)自由度。靈巧手手指可被拆分為手指基關(guān)節(jié)單元和手指單元兩個(gè)模塊化部分，每個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)器、傳感器和電氣系統(tǒng)都采用內(nèi)置式的設(shè)計(jì)方式。本設(shè)計(jì)采用新型的微型驅(qū)動(dòng)器、同步齒形帶結(jié)合諧波減速器的傳動(dòng)方式及手指末端關(guān)節(jié)的鋼絲耦合機(jī)構(gòu)以保證靈巧手的外形尺

3、寸同人手相仿。集成式的設(shè)計(jì)思想不但體現(xiàn)在傳感器同本體結(jié)構(gòu)的有效集成，還融入到靈巧手的外觀設(shè)計(jì)之中。靈巧手的多傳感器系統(tǒng)使其具備豐富的感知能力，其內(nèi)部集成的傳感器（力/力矩傳感器、位置傳感器、溫度傳感器及觸覺傳感器）在保證測量精度和穩(wěn)定性的同時(shí)，并不增加靈巧手的外形尺寸。同樣在靈巧手的外觀設(shè)計(jì)上，外骨架零件與包裝件集成化的設(shè)計(jì)思想不但有效地克服上一代手的包裝件單獨(dú)設(shè)計(jì)帶來的裝配復(fù)雜等問題，更重要的是它能夠保證靈巧手的手指外形尺寸并未因?yàn)轭?/p>

4、人型的外觀設(shè)計(jì)而增大，從而實(shí)現(xiàn)靈巧手結(jié)構(gòu)功能仿人型與外形仿人型的完美結(jié)合。
　　人手的超強(qiáng)操作能力并不僅僅是因?yàn)?個(gè)手指具有較大的操作空間，而是由于人類手掌和對(duì)放的拇指具有隨不同形狀的物體自適應(yīng)調(diào)節(jié)其構(gòu)形的能力?；诖?，利用解剖學(xué)領(lǐng)域?qū)θ耸终迫齻€(gè)拱形的定義，優(yōu)化設(shè)計(jì)一種類人型的弧面手掌；結(jié)合靈巧手手指的操作空間，利用拇指同其它手指間的交截性能指數(shù)對(duì)拇指在手掌中的位姿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于上述手掌構(gòu)形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合手指運(yùn)動(dòng)空間對(duì)多指靈

5、巧手的抓持空間進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，并構(gòu)建兩指閉鏈抓持的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上基于幾何的方法描述手指指尖位置同物體質(zhì)心的映射關(guān)系，并給出各指尖位置在全局坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。
　　智能機(jī)器人系統(tǒng)的操作空間具有不確定性。對(duì)于多指靈巧手而言，對(duì)未知的抓取操作首先要利用視覺或激光掃描等技術(shù)使其已知化，然后再利用相應(yīng)的算法估算出抓取物體的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的穩(wěn)定抓取。本文以有摩擦的點(diǎn)接觸抓取模型為研究對(duì)象，首先定義靈巧手的最佳抓握平面，然后

6、基于該平面結(jié)合靈巧手的抓取任務(wù)，利用超橢圓方程構(gòu)建抓取對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在此數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，提出一個(gè)基于專家系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(E-ANFIS)用于操作物體模型重構(gòu)的模型。該模型在操作物體的位置和姿態(tài)確定的情況下，不需要任何視覺輔助，僅僅利用五指靈巧手同物體接觸點(diǎn)的位置關(guān)系就可以自動(dòng)重構(gòu)出抓握物體的數(shù)學(xué)模型。利用專家規(guī)則對(duì)操作對(duì)象的邊緣進(jìn)行線型和非線性的分類，能夠有效提高模型的精度，縮短在線估算時(shí)間。利用HIT臂/手系統(tǒng)結(jié)合虛擬

7、現(xiàn)實(shí)技術(shù)采集的數(shù)據(jù)訓(xùn)練E-ANFIS模型后表現(xiàn)出較好的收斂性。同時(shí)進(jìn)行的仿真和實(shí)際的抓取實(shí)驗(yàn)表明，仿真結(jié)果同實(shí)測結(jié)果吻合較好，且表現(xiàn)出一定的泛化能力。
　　當(dāng)抓取模型精確已知后，下一步就是如何確定滿足力封閉性能的抓取點(diǎn)。針對(duì)HIT/DLR Hand II靈巧手步態(tài)操作的需求，提出一個(gè)基于平面抓取的四指力封閉算法。該算法的最大特點(diǎn)是，在大拇指同其他三指的接觸點(diǎn)構(gòu)建的力封閉抓取中，三個(gè)手指中的任何一個(gè)手指都可單獨(dú)脫離接觸點(diǎn)，而接觸構(gòu)型

8、仍可滿足力的封閉性。
　　最后，構(gòu)建一個(gè)機(jī)器人臂/手抓取操作實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及虛擬仿真操作環(huán)境?；谠摲抡姝h(huán)境采集的模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)，用于訓(xùn)練E-ANFIS模型的模糊規(guī)則。為了驗(yàn)證靈巧手本體機(jī)構(gòu)的靈巧度及控制精度，采用基于抗積分飽和PID控制算法對(duì)手指關(guān)節(jié)位置及指尖笛卡爾空間的位置進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)。利用基于位置的阻抗控制算法對(duì)手指進(jìn)行自由空間和約束空間的柔順性試驗(yàn)。基于上述構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)行模型重構(gòu)實(shí)驗(yàn)及力封閉抓取實(shí)驗(yàn)，用來驗(yàn)證E-ANFIS模型的重