機(jī)器人多指手抓取運(yùn)動(dòng)學(xué)研究.pdf

1、由若干個(gè)多關(guān)節(jié)手指組成的機(jī)器人多指手相當(dāng)于多個(gè)開鏈操作臂的組合，通過各手指的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意形狀物體的抓取和精細(xì)操作，并可獲得很高的抓取穩(wěn)定性和操作靈活性，具有廣闊的應(yīng)用前景。抓取運(yùn)動(dòng)學(xué)是多指手研究與應(yīng)用中的核心問題，它為多指手協(xié)調(diào)操作與控制提供基本算法。本文對(duì)多指手的抓取運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的分析與研究。 單個(gè)手指機(jī)構(gòu)是組成機(jī)器人多指手的基本單元。首先基于D-H方法建立了手指機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程和雅可比矩陣，然后對(duì)手指

2、雅可比矩陣的對(duì)偶關(guān)系進(jìn)行了研究，最后為了定量分析單個(gè)手指的可操作性和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的求解精度，本文在對(duì)雅可比矩陣奇異性分析的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)能夠反映手指機(jī)構(gòu)綜合操作靈活性能的可操作度指標(biāo)，該指標(biāo)對(duì)于手指機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有較好的輔助作用。 為保證抓取穩(wěn)定性，對(duì)多指手與物體的接觸構(gòu)形進(jìn)行了研究。抓取是通過多個(gè)手指的聯(lián)合作用形成抵抗物體上外載荷的接觸構(gòu)形，從而在手與物體之間形成運(yùn)動(dòng)和力的傳遞關(guān)系，對(duì)物體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地夾持并產(chǎn)生期望運(yùn)動(dòng)。由于指端

3、接觸力具有單向性，手指與物體形成的接觸構(gòu)形需要滿足力封閉或形封閉條件，抓取才具有抵抗外力的能力。本文以有摩擦的點(diǎn)接觸抓取為模型，首先對(duì)力封閉抓取問題進(jìn)行了分析，給出了實(shí)現(xiàn)力封閉抓取的充要條件，然后利用矩陣的正定性和非線性規(guī)劃方法建立了力封閉抓取的通用判別算法；最后通過算例說明了該算法的應(yīng)用。 基于對(duì)任務(wù)適應(yīng)性的考慮，研究了接觸點(diǎn)的布局規(guī)劃問題。對(duì)于給定任務(wù)，多指手可以采取不同的接觸構(gòu)形實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的穩(wěn)定抓取。在保證穩(wěn)定抓取的同時(shí)，

4、為使接觸構(gòu)形具有最佳的力和運(yùn)動(dòng)傳遞性能，本文以有摩擦的點(diǎn)接觸抓取模型為研究對(duì)象，首先通過在任務(wù)空間引入力橢球和速度橢球的概念，構(gòu)建了反映抓取映射傳遞特性的力傳動(dòng)比和速度傳動(dòng)比解析公式，然后在綜合考慮傳遞性能和可操作性等要求的基礎(chǔ)上，首次提出了用于反映接觸構(gòu)形任務(wù)適應(yīng)性的接觸點(diǎn)布局評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將其用于多指手抓取的最優(yōu)規(guī)劃，最后結(jié)合實(shí)例說明了評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用于多指手最優(yōu)抓取規(guī)劃的有效性。 為確定手指在抓取物體時(shí)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角以及所需施加的

5、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力，抓取需要滿足接觸穩(wěn)定性的要求，本文首先通過對(duì)摩擦錐的研究，首次提出了一個(gè)能夠綜合反映手指與物體接觸穩(wěn)定程度的指標(biāo)，并據(jù)此分析多指手的抓取穩(wěn)定性，該指標(biāo)對(duì)于手指接觸力的分配研究具有重要意義：然后在對(duì)多指手的抓取運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了多指手的基本抓取約束和抓取的力、速度映射關(guān)系； 最后本文利用關(guān)節(jié)靈活度定義了反映多指手抓取可操作性的指標(biāo)一多指手的操作靈活度，首次以該指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了多指手抓取姿態(tài)的優(yōu)化算法，通

6、過對(duì)手掌坐標(biāo)系與物體坐標(biāo)系的相對(duì)位姿進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行多指手抓取的姿態(tài)規(guī)劃。數(shù)值算例驗(yàn)證了該算法的合理性和有效性。針對(duì)三指手力封閉抓取，在有摩擦的點(diǎn)接觸模型下，通過對(duì)內(nèi)力特性的分析，本文首次綜合提出了內(nèi)力存在時(shí)的摩擦扇存在條件、三指內(nèi)力匯交條件及內(nèi)力平衡約束條件，并據(jù)此建立了內(nèi)力存在性的通用判別算法，為三指手的運(yùn)動(dòng)控制提供理論依據(jù)。由于嚴(yán)格內(nèi)力的存在是力封閉抓取的必要條件，上述方法同樣可用于三指手抓取的力封閉性判別。仿真實(shí)例驗(yàn)證了該判別方法