基于人机工程学的虚拟人手的模型建立及运动学仿真

摘要

随着工业的发展,机器人得以广泛的应用。作为机器人的一重要组成部分,多指灵巧手因其具有极强的功能和通用性能完成各类复杂的作业,如化工生产、机械制造、核电维修、医疗手术等。因此,高性能的通用性灵巧手成为当今国内外的研究热点。
　　本文在分析国内外多指灵巧手的研究现状基础上,设计出了一种新型的五指灵巧手,并对其进行了正逆运动学建模,最后对其运动轨迹空间进行了仿真。首先,对人手的生理结构进行了重点分析并建立了人手的3D模型,该虚拟手具有两大创新点:一是手指和手掌的结构尺寸与人手实际统计下的平均尺寸一致;二是手指不仅能实现伸屈功能,同时也可作左右的收展运动。针对仿生人手存在尺寸过大、运动性能与人手实际运动性能差别明显这一问题,基于人机工程学,本文采用实际测量与理论分析相结合的方法得到人手的结构尺寸及运动参数,设计了可伸屈和收展的拇指、食指、中指、无名指和小指。用Pro/E软件对各手指及手掌进行了建模和装配,实现了人手自然状态、张开、正握和侧握运动仿真。其次,对虚拟人手进行了运动学分析,采用D-H矩阵变换方法,建立了虚拟五指灵巧手的正逆运动学模型,正逆运动学模型验证结果表明:以食指为代表的四指和拇指的运动学模型建立正确。最后,仿真了虚拟五指灵巧手的运动轨迹空间,仿真结果表明:虚拟五指灵巧手的运动学建模正确,灵巧手的运动轨迹空间与真实人手运动轨迹空间非常相似,能完成真实人手的一些常用动作如侧握、正握、侧捏、正捏、勾等,具有良好的运动性能。主要研究内容包括:用MATLAB软件对食指在自然状态、左展15°、右展15°等三个姿态进行了运动轨迹空间的仿真,对中指、无名指、小指等三个手指进行了自然状态下的运动轨迹空间仿真,对拇指在侧握、正握姿态下单独进行了工作空间的仿真,对五指集体进行了正握、侧握的仿真,此外,对正握、侧握状态下的拇指与食指运动轨迹空间关系也进行了仿真。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 灵巧手国内外研究现状

1.2.1 国外研究发展状况

1.2.2 国内研究发展状况

1.2.3 灵巧手发展趋势

1.3 本文研究思路及主要内容

第2章 基于人机工程学的虚拟人手3D建模

2.1 人机工程学

2.2 虚拟现实技术

2.3 人手生理结构分析

2.3.1 多指灵巧手的设计原则与方法

2.3.2 人手结构分析

2.3.3 手指数目的确定

2.3.4 手指结构形式

2.3.5 手指的相对位置与姿态

2.3.6 手指的关节运动角度范围

2.4 基于人机工程学的虚拟人手结构设计

2.4.1 食指、中指、无名指、小指的设计

2.4.2 拇指的设计

2.4.3 手掌的设计

2.4.4 虚拟人手五指的装配

2.5 本章小结

第3章 虚拟人手的运动学建模

3.1 齐次变换矩阵

3.1.1 齐次坐标

3.1.2 平移变换

3.1.3 旋转变换

3.2 Denavit-Hartenberg(D-H)变换矩阵

3.3 单指机构正向运动学分析

3.3.1 除拇指外的四指运动学模型

3.3.2 除拇运动学模型

3.3.3 虚拟人手五指正向运动学方程验证

3.4 单指机构逆向运动学分析

3.4.1 食指逆向运动学

3.4.2 拇指逆向运动学

3.4.3 虚拟人手五指逆向运动学方程验证

3.5 本章小节

第4章 虚拟人手的运动学仿真

4.1 虚拟人手各手指二维运动空间仿真

4.1.1 食指、中指、无名指、小指二维运动空间仿真

4.1.2 拇指二维运动空间仿真

4.2 虚拟人手各手指三维运动空间仿真

4.2.1 食指、中指、无名指、小指三维运动空间仿真

4.2.2 拇指三维运动空间仿真

4.3 虚拟人手五指运动空间仿真

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

硕士在读期间发表的论文