欠驅(qū)動(dòng)擬人手的設(shè)計(jì)及抓握操作理論與方法研究.pdf

1、人體解剖學(xué)和肌骨系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)功能學(xué)研究表明，雖然人手具有眾多的活動(dòng)關(guān)節(jié)，然而關(guān)節(jié)之間存在固有的協(xié)同運(yùn)動(dòng)特性。如何用工程科學(xué)的方法復(fù)現(xiàn)人手運(yùn)動(dòng)規(guī)律是當(dāng)前機(jī)器人學(xué)研究的難題之一。本文圍繞欠驅(qū)動(dòng)擬人手的設(shè)計(jì)、功能評(píng)價(jià)等問題開展系統(tǒng)深入的研究。主要?jiǎng)?chuàng)新性研究工作如下：
　　人手高維運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)械重構(gòu)方法。采集人手的日常抓握運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并分析了人手的運(yùn)動(dòng)特征。人手運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，手指內(nèi)關(guān)節(jié)間存在主次運(yùn)動(dòng)機(jī)制，拇指與其余四指運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)性差，其

2、余四指的運(yùn)動(dòng)存在顯著的協(xié)同特征。根據(jù)人手指的主次運(yùn)動(dòng)分治規(guī)律，提出了復(fù)現(xiàn)人手指主次運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)計(jì)原理?；谔岢龅脑O(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)并制造了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)置的欠驅(qū)動(dòng)擬人手樣機(jī)。該擬人手只需4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)16個(gè)關(guān)節(jié)，能夠復(fù)現(xiàn)人手自然的抓握功能。抓握實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了提出的擬人手設(shè)計(jì)方法的有效性。
　　欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械自適應(yīng)特性定量評(píng)價(jià)。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有獨(dú)特的機(jī)械自適應(yīng)特性而被廣泛使用，然而尚缺乏對(duì)機(jī)械自適應(yīng)性的定量評(píng)價(jià)方法。針對(duì)這一問題，定義了描

3、述機(jī)械自適應(yīng)性的度量指標(biāo)，從效果和代價(jià)兩方面對(duì)機(jī)械自適應(yīng)特性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。通過分析欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手實(shí)施典型抓取行為過程中運(yùn)動(dòng)與力的演化過程，揭示了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械自適應(yīng)特性的外在條件和內(nèi)在成因。利用提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析比較了擬人手的三種典型柔性欠驅(qū)動(dòng)擬人手機(jī)構(gòu)的機(jī)械自適應(yīng)能力，結(jié)果表明采用主次運(yùn)動(dòng)分治原理設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)間柔性耦合機(jī)構(gòu)具有最優(yōu)的形狀自適應(yīng)能力。
　　自適應(yīng)包絡(luò)抓握的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)欠驅(qū)動(dòng)抓握過程分析研究，發(fā)現(xiàn)了欠

4、驅(qū)動(dòng)手抓握過程中存在運(yùn)動(dòng)收斂的行為，揭示了機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)欠驅(qū)動(dòng)手抓握行為特點(diǎn)的影響規(guī)律。提出了基于抓握過程的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)分步設(shè)計(jì)方法，解決了欠驅(qū)動(dòng)手指在自適應(yīng)抓握過程中難以施加足夠大抓握力的難題，為避免手指自適應(yīng)抓握過程中發(fā)生擠出行為提供了有效的解決方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分析和設(shè)計(jì)方法的有效性。
　　欠驅(qū)動(dòng)擬人手靈巧操作能力的分析評(píng)價(jià)方法。通過對(duì)手-物體系統(tǒng)可動(dòng)性和接觸力的綜合分析，揭示了欠驅(qū)動(dòng)手與全驅(qū)型手在靈巧操作上的本質(zhì)區(qū)別。發(fā)展