機器人多指手抓取運動學(xué)研究.pdf

1、由若干個多關(guān)節(jié)手指組成的機器人多指手相當(dāng)于多個開鏈操作臂的組合，通過各手指的協(xié)調(diào)運動，可以實現(xiàn)對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。抓取運動學(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。本文對多指手的抓取運動學(xué)進行了系統(tǒng)深入的分析與研究。 單個手指機構(gòu)是組成機器人多指手的基本單元。首先基于D-H方法建立了手指機構(gòu)的運動學(xué)正解方程和雅可比矩陣，然后對手指

2、雅可比矩陣的對偶關(guān)系進行了研究，最后為了定量分析單個手指的可操作性和運動學(xué)方程的求解精度，本文在對雅可比矩陣奇異性分析的基礎(chǔ)上，提出了一個能夠反映手指機構(gòu)綜合操作靈活性能的可操作度指標(biāo)，該指標(biāo)對于手指機構(gòu)的設(shè)計具有較好的輔助作用。 為保證抓取穩(wěn)定性，對多指手與物體的接觸構(gòu)形進行了研究。抓取是通過多個手指的聯(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動和力的傳遞關(guān)系，對物體實現(xiàn)穩(wěn)定地夾持并產(chǎn)生期望運動。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。本文以有摩擦的點接觸抓取為模型，首先對力封閉抓取問題進行了分析，給出了實現(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。 基于對任務(wù)適應(yīng)性的考慮，研究了接觸點的布局規(guī)劃問題。對于給定任務(wù)，多指手可以采取不同的接觸構(gòu)形實現(xiàn)對物體的穩(wěn)定抓取。在保證穩(wěn)定抓取的同時，

4、為使接觸構(gòu)形具有最佳的力和運動傳遞性能，本文以有摩擦的點接觸抓取模型為研究對象，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比和速度傳動比解析公式，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)性的接觸點布局評價指標(biāo)，并將其用于多指手抓取的最優(yōu)規(guī)劃，最后結(jié)合實例說明了評價指標(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對應(yīng)的關(guān)節(jié)角以及所需施加的

5、關(guān)節(jié)驅(qū)動力，抓取需要滿足接觸穩(wěn)定性的要求，本文首先通過對摩擦錐的研究，首次提出了一個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)對于手指接觸力的分配研究具有重要意義：然后在對多指手的抓取運動進行研究的基礎(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、過對手掌坐標(biāo)系與物體坐標(biāo)系的相對位姿進行優(yōu)化，進行多指手抓取的姿態(tài)規(guī)劃。數(shù)值算例驗證了該算法的合理性和有效性。針對三指手力封閉抓取，在有摩擦的點接觸模型下，通過對內(nèi)力特性的分析，本文首次綜合提出了內(nèi)力存在時的摩擦扇存在條件、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，為三指手的運動控制提供理論依據(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。仿真實例驗證了該判別方法