机器人灵巧手设计开发与运动研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2MB 65 页 15积分

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摘要

随着科学技术的发展和社会的进步，机器人的应用越来越普及，机器人技术

已经成了现在科技兴国的一个重要发展指标。作为机器人直接作用于环境的末端

执行器，机械手的工作能力越来越得到拓展，而象征着机器人最灵活部位的灵巧

手的研究，被提到了一个新的高度，朝着仿人手活动的灵活性发展。灵巧手

(Dexterous Hand)是指有人手外形特征的、定位精度高、控制灵巧的用于仿人形

机器人的机械构造。本文针对目前灵巧手的研究热点，灵巧手的灵活抓取和操作，

对机器人灵巧手三手指的结构设计和抓取运动轨迹算法进行的了分析和研究。

基于对人手活动细节的研究，结合上海学科高地项目-智能移动读书机器人

机械灵巧手的动作需求，本文设计了包括一个手掌，三根手指，九个回转自由度，

以钢索传递动力的机器人灵巧手结构。

建立并分析了三手指灵巧手的运动学模型，得到了运动学正反解。并对灵巧

手在工作空间的速度和静力进行了分析，通过静力学研究推导出各手指关节在静

态平衡下的力矩计算方法。

对手指运动轨迹进行了分析，使用 MATLAB 软件对手指在灵巧手坐标系下

的运动轨迹和姿态进行仿真，研究了各手指间的运动轨迹关系。分析了三手指灵

巧手抓取书的动作过程，定义了三手指抓书的运动系统，设计了灵巧手抓取书本

的轨迹规划算法。

对灵巧手自主抓取规划进行了理论研究，设计了以高斯混合模型为基础的抓

取动作分类器，提出了自主抓取所需的抓取动作库的构建方法以及实现自主抓取

的模式识别分类方法。

关键词：灵巧手结构设计运动学静力学轨迹规划自主抓取规

划

ABSTRACT

With the development of science&technology and progress of society, the

application of robot is getting wider and wider, the technology of robot has become an

important developing indicator. As the implementation part of the interaction of robot

and its environment，the work ability of mechanical hand is getting widen and widen,

and the multi-fingered dexterous hand has higher requirements as the most dexterous

part, and is being developed in the orientation of human hand. Dexterous Hand is the

mechanical structure which has the human-like structure, precious grasping and

manipulation and flexible control that applied in the robot. Focused on the current

researching points of dexterous hand, the dexterous grasping and manipulation, the

mechanical design and grasping track arithmetic of three-finger dexterous hand are

analyzed and studied．

Based on the research of motion detail of human's hand and the action demand of

intelligent mobile reading robot project subjected to shanghai academic project, This

dissertation carries out a robot dexterous hand mechanical structure which includes a

palm, three fingers and nine rotation joints.

The kinematic model of three-finger dexterous hand is analyzed and established,

and the forward and inverse kinematic equations are obtained. The velocity and the

static feature have been analyzed in the workspace of the dexterous hand；meanwhile，

the force moment of each joint under the condition of static balance has been

calculated based on statics．

The finger's athletic track and stance is studied and is simulated in the

coordinates of the whole dexterous hand through the MATLAB software, the

connection among three dexterous fingers is studied. This dissertation studies the

motion of grasping book, and defines its athletic system, then works out the arithmetic

design principle of track programming.

An autonomous grasp planning method of dexterous hand is studied in theory, a

grasp motion classification model based on GMM is built, and the methods of

creating a grasp base and identification of autonomous grasp are achieved.

Key Word: Dexterous Hand，Structure Design，Kinematics，Statics,

Track programming, Autonomous Grasp Planning

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................................................................................... 1

§1.1 研究的背景及意义 .................................................................................................. 1

§1.2 国内外发展现状 ...................................................................................................... 1

§1.2.1 国外发展现状 ............................................................................................... 2

§1.2.2 国内发展现状 ............................................................................................... 5

§1.3 课题的来源及主要研究内容 .................................................................................. 6

§1.3.1 课题来源 ....................................................................................................... 6

§1.3.2 主要研究内容 ............................................................................................... 6

第二章三指灵巧手结构设计 ................................................................................................. 8

§2.1 概述 .......................................................................................................................... 8

§2.2 三指灵巧手结构设计 .............................................................................................. 8

§2.2.1 手指关节运动副的形式； ............................................................................ 8

§2.2.2 手指指数和关节数 ........................................................................................ 9

§2.2.3 手指材料 ..................................................................................................... 10

§2.3 灵巧手驱动系统设计 ............................................................................................ 10

§2.3.1 灵巧手驱动器选择 ...................................................................................... 10

§2.3.2 灵巧手传动形式 ......................................................................................... 11

§2.4 三指灵巧手总体结构设计 .................................................................................... 11

§2.4.1 手指设计 ..................................................................................................... 12

§2.4.2 手掌设计 ..................................................................................................... 13

§2.5 本章小结 ................................................................................................................ 14

第三章三指灵巧手运动学分析和静力学分析 ................................................................... 15

§3.1 概述 ......................................................................................................................... 15

§3.2.机器人运动学的矩阵表示 ..................................................................................... 15

§3.2.1 位姿表示 ..................................................................................................... 15

§3.2.2 位姿变换 ..................................................................................................... 16

§3.3 手指数学建模及正运动学分析 ............................................................................ 18

§3.3.1 手指数学建模 ............................................................................................. 18

§3.3.2 单手指正运动学分析 .................................................................................. 20

§3.3.3 三指位姿的正向解 ..................................................................................... 24

§3.4 单手指逆运动学分析 ............................................................................................ 26

§3.5 运动学验证 ............................................................................................................. 29

§3.6 灵巧手手指速度与静力学分析 ............................................................................ 30

§3.6.1 灵巧手的雅可比矩阵 ................................................................................. 30

§3.6.2 各手指的速度分析 ...................................................................................... 32

§3.6.2 灵巧手静力学分析 ...................................................................................... 33

§3.7 本章小结 ................................................................................................................ 34

第四章三指灵巧手抓书动作轨迹规划设计及实现 ........................................................... 35

§4.1 概述 ......................................................................................................................... 35

§4.2 机器人学轨迹规划 ................................................................................................ 35

§4.2.1 路径与轨迹 ................................................................................................. 35

§4.2.2 轨迹规划方式 ............................................................................................. 36

§4.3 灵巧手指运动轨迹规划 ........................................................................................ 37

§4.3.1 手指关节空间轨迹规划 .............................................................................. 38

§4.3.2 三次多项式和五次多项式插值 .................................................................. 38

§4.3.3 食指低次多项式插值轨迹规划 .................................................................. 40

§4.4 手指抓书动作轨迹规划 ........................................................................................ 43

§4.4.1 灵巧手抓取书本动作需求分析 ................................................................. 44

§4.4.2 抓书动作实现方案设计与算法设计 ......................................................... 46

§4.5 本章小结 ................................................................................................................ 48

第五章三指灵巧手自主抓取规划研究 ............................................................................... 49

§5.1 概述 ......................................................................................................................... 49

§5.2 灵巧手自主规划过程 ............................................................................................. 49

§5.3 灵巧手抓取动作分类 ............................................................................................. 50

§5.4 灵巧手抓取动作库构建 ......................................................................................... 52

§5.4.1 高斯混合模型分类器 ................................................................................. 52

§5.4.2 灵巧手抓取动作训练及数据库构建 ......................................................... 53

§5.5 灵巧手抓取类型识别 ............................................................................................. 54

§5.6 本章小结 ................................................................................................................ 55

第六章总结与展望 ............................................................................................................... 56

§6.1 研究总结 ................................................................................................................ 56

§6.2 研究展望 ................................................................................................................ 57

参考文献................................................................................................................................. 58

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................................................... 61

致谢....................................................................................................................................... 62

第一章绪论

§1.1 研究的背景及意义

机器人技术是现代科学与技术的交叉和综合体现，先进机器人的发展代表着

国家综合科技实力和水平。在当代工业中，机器人指能自动执行任务的人造机器

装置[1]，用以取代或协助人类工作，它们能够精确的执行各种各样的任务和操作，

并且无需人们工作时所需的安全措施和舒适的工作条件。机器人技术作为二十一

世纪非常重要的技术，与网路技术、通信技术、基因技术、虚拟现实技术等一样，

属于高新技术。机器人学科覆盖许多不同领域，它涉及的学科有材料科学、控制

技术、传感器技术、计算机技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、仿生学等

等很多学科[2]。灵巧手作为机器人最拟人化的执行机构，在机器人研究领域受到

了高度的关注，在全世界的研究最为广泛。

机器人灵巧手是通过工程的方法来实现人手功能的，随着灵巧手应用领域的

扩大，灵巧手可替代人手完成一些复杂的任务，把人从有毒、有害、高温或危险

的作业环境中解放出来，实现远程控制。传统普通机器人的末端夹持装置存在缺

乏灵活性，抓取精度低，稳定性、可靠性和通用性差、缺少精确的力控制等缺点,

已远远不能满足柔性生产线上各种灵巧及精细操作任务的要求。灵巧手作为机器

人末端操作器，具有多自由度、多运动链协调的特点，可在不同的环境下对不同

物体完成复杂的操作任务。比如，灵巧手可以在太空航天器的舱外、核电站、化

工厂等危险、恶劣的工作环境下从事探测、取样、装配、修理等作业；可以应用

于战场探雷和排雷这类危险的工作；另外大量的重复动作可以让灵巧手准确地复

现，可以有效地克服人手的抖动，增强稳定性。灵巧手是我国正在发展中的智能

太空机器人的关键技术部件之一，对太空机器人的工作能力具有重要的意义，灵

巧手还在精密机械、军事、工业、医疗器械等领域都有着广泛的应用前景。

§1.2 国内外发展现状

目前，多指灵巧手的研究已经成为了机器人技术研究的热点。多指灵巧手在

航空航天、核工业、深海探险、医疗以及家庭服务等多种非结构化环境中具有广

泛的应用前景，因而研究多指灵巧手具有深远的意义。虽然现在灵巧手不论在机

械结构还是控制方面都还不是很成熟，但可以预见的是，具有力觉、触觉、视觉

机器人灵巧手设计开发与运动研究

和温度感知能力的灵巧手将在恶劣的空间环境、危险的核工业环境和高级服务机

器人等领域发挥重要作用。目前除了在航空领域方面，世界上大多数的灵巧手都

处于研究阶段。其研究主要集中在以下几个方面：

1) 灵巧手结构设计的研究。这是一个传统的研究方向。虽然已经有多种灵巧手

被设计制造出来，但是，新型的手指结构仍然在不断的出现。目前灵巧手的关节

全部是回转关节，一般由腱传动、齿轮传动和连杆运动等将动力传递到手指的各

关节。

2) 灵巧手抓取机理的研究。主要研究如何实现最合理的抓取位置和抓取姿态，

以及规划抓取点，保证抓取过程中，各个手指如何协调运动和不发生相互干涉。

还有抓取的稳定性和可靠性分析，如何构造力封闭和几何封闭的抓取，以及软手

指的抓取机理的研究等等。

3)灵巧手的运动学和动力学的研究。灵巧手的单个手指相当于关节式机器人操作

机，它们的运动学和动力学有许多相似之处，而在尺寸、应用场合、运动传递方

式等多方面的不同，使它们又各具特点，因此，手指的运动学和动力学需要进行

专门研究，而由多个手指组合而成的多指灵巧手更需要加以深入研究。

4) 灵巧手控制的研究。灵巧手的自由度比较多，一般为 9至16 个或者更多，每

一个自由度都需要进行控制和驱动才能实现灵巧手的运动要求，以完成抓取和精

细操作。怎么对于这些自由度同时进行控制、完成一系列的运动控制仍是一个研

究方向。

5) 灵巧手多传感器信息融合。给灵巧手系统装上各种传感器，采集这些传感器

的信息，利用处理器进行智能判断，规划抓取模式，实现灵巧手的智能抓取。

§1.2.1 国外发展现状

国外对机器人灵巧手的研究时间较早，进入 20 世纪 80 年代后，机器人技术

得到了飞速发展，应用领域的不断扩大，很多国家都加强了机器人灵巧手的开发，

取得了许多有较高应用价值的成果，相继有一批著名的灵巧手问世。

Barrett Hand 是由 Barrett Technology In 开发的手部[3][4]，于 1999 年开始出

售，其特点为质量很轻（1.18kg）,而且能够实现高速运动。它由 3根手指构成，

其中 1根手指有两个自由度，其他 2根手指各有 3个自由度（图 1-1），用 4个

无刷直流电机驱动共计 8个自由度。借助于一种特殊的离合器机构 Torque

Switch(图1-2)，一个电机能够控制同一根手指末端的 2个自由度。图 1-2 给出了

Torque Switch 的动作原理。在图 1-3 中，电机的动力同时传递给手指的末端和根

部两根杆件。当末端杆件与环境接触时，电机无法继续旋转，被制动。当根部杆

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摘要随着科学技术的发展和社会的进步，机器人的应用越来越普及，机器人技术已经成了现在科技兴国的一个重要发展指标。作为机器人直接作用于环境的末端执行器，机械手的工作能力越来越得到拓展，而象征着机器人最灵活部位的灵巧手的研究，被提到了一个新的高度，朝着仿人手活动的灵活性发展。灵巧手(DexterousHand)是指有人手外形特征的、定位精度高、控制灵巧的用于仿人形机器人的机械构造。本文针对目前灵巧手的研究热点，灵巧手的灵活抓取和操作，对机器人灵巧手三手指的结构设计和抓取运动轨迹算法进行的了分析和研究。基于对人手活动细节的研究，结合上海学科高地项目-智能移动读书机器人机械灵巧手的动作需求，本文设计了包...

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