【摘要】：日常生活中人手能完成各種各樣紛繁復(fù)雜的任務(wù),任務(wù)的復(fù)雜性和多樣性以及人手復(fù)雜的生物學(xué)結(jié)構(gòu)給人們理解和認(rèn)識人手抓取運(yùn)動帶來困難,限制了仿人機(jī)械手的發(fā)展。在設(shè)計(jì)仿人手時(shí),人們要求仿人手能復(fù)現(xiàn)人手抓取運(yùn)動特征的同時(shí),還期望仿人手的機(jī)械和控制系統(tǒng)能盡可能簡化,具有擬人的外觀。因此,為進(jìn)一步理解人手的抓取運(yùn)動和簡化仿人手機(jī)械及控制系統(tǒng),本文對人手抓取運(yùn)動進(jìn)行解析,通過姿勢協(xié)同理論重建人手抓取運(yùn)動特征,研制姿勢協(xié)同仿人手,以簡化仿人手的機(jī)械及控制系統(tǒng),主要開展了以下研究工作:為更清晰和系統(tǒng)地理解人手抓取運(yùn)動,從人手運(yùn)動功能分析入手,逐步細(xì)化到抓取運(yùn)動。以動作為基礎(chǔ),參照前人對人手運(yùn)動姿勢分類的定義,以動作目標(biāo)為依據(jù),建立了人手運(yùn)動功能分層樹,將動作劃分為抓握和非抓握兩個(gè)大類,9個(gè)小類。重點(diǎn)研究人手抓取功能,構(gòu)建了人手抓握功能分類表,分析結(jié)果表明物體的形狀、尺寸和與人手的相對位置是導(dǎo)致人手抓取姿勢多樣性的重要影響因素。在同時(shí)考慮這三個(gè)影響因素的基礎(chǔ)上,搭建了人手抓取姿勢提取平臺,建立了人手容差性抓取姿勢庫。與兩種傳統(tǒng)的抓取姿勢庫相比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明人手容差性抓取姿勢庫能更全面地體現(xiàn)人手的抓取功能性。針對建立的人手容差性抓取姿勢庫,對人手抓取運(yùn)動進(jìn)行解析。從整體上對抓取姿勢庫中各關(guān)節(jié)的角度分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。建立關(guān)節(jié)運(yùn)動相關(guān)性分析方法,首先對各關(guān)節(jié)與其余關(guān)節(jié)的運(yùn)動相關(guān)性進(jìn)行整體分析,為使分析結(jié)果更有實(shí)用價(jià)值,分別以手指為單位和關(guān)節(jié)類型為單位展開手指間相關(guān)性分析和關(guān)節(jié)間相關(guān)性分析。方差分析用于分析物體的形狀、尺寸和相對位置對拇指和四指抓取姿勢的影響。針對人手關(guān)節(jié)難以完全獨(dú)立運(yùn)動的特點(diǎn),提出人手關(guān)節(jié)獨(dú)立性概念并通過關(guān)節(jié)間運(yùn)動相關(guān)系數(shù)、關(guān)節(jié)角度方差和信息熵對關(guān)節(jié)運(yùn)動獨(dú)立性進(jìn)行量化分析,通過基于肌電信號的關(guān)節(jié)獨(dú)立性量化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了關(guān)節(jié)獨(dú)立性量化的分析結(jié)果。針對仿人手設(shè)計(jì)要求外觀和功能擬人的特點(diǎn),建立了包含12項(xiàng)擬人性指標(biāo)的仿人手?jǐn)M人性評估框架,構(gòu)建了基于分段函數(shù)和指標(biāo)矩陣的量化評估方法。以仿人假手為例,選取了國際上較為典型的7種商業(yè)假手進(jìn)行擬人性量化評估。對各指標(biāo)的量化評估結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析,構(gòu)建了仿人手?jǐn)M人性設(shè)計(jì)指標(biāo)的考慮優(yōu)先級。無論從量化評估結(jié)果還是擬人性設(shè)計(jì)指標(biāo)的考慮優(yōu)先級來看,驅(qū)動配置都是設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該優(yōu)先考慮的擬人性指標(biāo)。因此,根據(jù)第三章的人手抓取運(yùn)動解析結(jié)果,提出了仿人手驅(qū)動配置策略,建立了分模塊的驅(qū)動配置方案。為進(jìn)一步簡化機(jī)械和控制系統(tǒng),采用姿勢協(xié)同理論減少了四指驅(qū)動器數(shù)量,降低了控制維度。對姿勢協(xié)同的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)性能進(jìn)行了對比評價(jià),為驅(qū)動器和實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)嵌入手掌奠定了基礎(chǔ)。針對姿勢協(xié)同機(jī)構(gòu)尺寸大和結(jié)構(gòu)分散的問題,為使姿勢協(xié)同機(jī)構(gòu)小型化,研制了姿勢協(xié)同機(jī)構(gòu)可嵌入手掌的模塊間姿勢協(xié)同手。在四指分模塊的驅(qū)動配置方案基礎(chǔ)上,確定了機(jī)構(gòu)布置方式和具體實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。為進(jìn)一步縮小機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)尺寸,對姿勢協(xié)同矩陣進(jìn)行了矩陣分解,將四指掌指關(guān)節(jié)(MCP)和近指關(guān)節(jié)(PIP)的運(yùn)動分解為比例運(yùn)動、傳動鏈運(yùn)動和差動運(yùn)動,分別用滑輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動鏈機(jī)構(gòu)和行星輪差動機(jī)構(gòu)機(jī)械實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)了鍵繩驅(qū)動下掌指關(guān)節(jié)(MCP)和近指關(guān)節(jié)(PIP)分別單獨(dú)驅(qū)動的手指。最后,進(jìn)行了姿勢協(xié)同基運(yùn)動特征重建實(shí)驗(yàn)、抓取姿勢重構(gòu)實(shí)驗(yàn)和實(shí)物抓取實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了姿勢協(xié)同手的性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該姿勢協(xié)同手能復(fù)現(xiàn)人手關(guān)節(jié)運(yùn)動特征,能重構(gòu)Feix抓取分類表中的抓取姿勢,表現(xiàn)出較豐富的抓取姿勢多樣性,采用兩個(gè)姿勢協(xié)同基能完成不同類型物體的抓取,降低了控制復(fù)雜性。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文消綜合后達(dá)到完成任務(wù)所需的要求 因此，根據(jù)虛擬手指對抗力的類型抓取姿勢歸納為三種基本類型，即手掌 指間和指側(cè)對抗型 手掌對抗力產(chǎn)生于手掌和手指間，方向大體上垂直于手掌指向物體 指間對抗型產(chǎn)生于手指指腹間，方向大體上平行于手掌由接觸物體的指腹指向物體抗型的對抗力一般產(chǎn)生于手指指側(cè)間，表現(xiàn)為手指間夾緊力，方向大體切手掌的方向 Cutkosky[28]擴(kuò)展了 Napier 的強(qiáng)力抓取和精確抓取分類方法，將強(qiáng)力抓取9 類，將精確抓取劃分為 7 類，在機(jī)器人領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 建立的人勢分層樹如圖 1-1 所示，可幫助人們在操作靈巧手完成任務(wù)時(shí)選擇具體的 根據(jù)前期人們對于抓取分類學(xué)的研究，該分層樹將動作目標(biāo) 物體形手指(VF)考慮在內(nèi)，整個(gè)分層樹開始于 Napier 定義的強(qiáng)力抓取和精確抓作目標(biāo)，再根據(jù)物體形狀和虛擬手指類型向下延伸，共涵蓋了 16 種不同取姿勢(其中包含一項(xiàng)托盤類非抓握姿勢)

協(xié)同運(yùn)動表現(xiàn)為拇指與不同數(shù)量手指相同趨勢的聚攏運(yùn)動(圖 1-3)，相互作用協(xié)運(yùn)動表現(xiàn)為拇指和其余用到的手指以相反的運(yùn)動模式往復(fù)運(yùn)動(圖 1-4)，序列性式運(yùn)動表現(xiàn)為序列性的運(yùn)動模式，手指同步運(yùn)動產(chǎn)生物體連續(xù)運(yùn)動，該類運(yùn)動般為簡單協(xié)同運(yùn)動或相互作用協(xié)同運(yùn)動的組合，一般不表現(xiàn)出其余類型的手內(nèi)作運(yùn)動 因此，，將人手手內(nèi)操作運(yùn)動歸納為如圖 1-3~圖 1-4 所示的 8 種運(yùn)動 a) 兩指收攏 b) 三指收攏 c) 擠壓a)Pinch b) Dynamic tripod c) Squeeze圖 1-3 簡單協(xié)同運(yùn)動[39]Fig. 1-3 simple synergisa) 捻 b) 擰a) Twiddle b) Rock
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP241

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本文編號：2666769