机器人多指手抓取运动学研究

摘要

由若干个多关节手指组成的机器人多指手相当于多个开链操作臂的组合，通过各手指的协调运动，可以实现对任意形状物体的抓取和精细操作，并可获得很高的抓取稳定性和操作灵活性，具有广阔的应用前景。抓取运动学是多指手研究与应用中的核心问题，它为多指手协调操作与控制提供基本算法。本文对多指手的抓取运动学进行了系统深入的分析与研究。 单个手指机构是组成机器人多指手的基本单元。首先基于D-H方法建立了手指机构的运动学正解方程和雅可比矩阵，然后对手指雅可比矩阵的对偶关系进行了研究，最后为了定量分析单个手指的可操作性和运动学方程的求解精度，本文在对雅可比矩阵奇异性分析的基础上，提出了一个能够反映手指机构综合操作灵活性能的可操作度指标，该指标对于手指机构的设计具有较好的辅助作用。 为保证抓取稳定性，对多指手与物体的接触构形进行了研究。抓取是通过多个手指的联合作用形成抵抗物体上外载荷的接触构形，从而在手与物体之间形成运动和力的传递关系，对物体实现稳定地夹持并产生期望运动。由于指端接触力具有单向性，手指与物体形成的接触构形需要满足力封闭或形封闭条件，抓取才具有抵抗外力的能力。本文以有摩擦的点接触抓取为模型，首先对力封闭抓取问题进行了分析，给出了实现力封闭抓取的充要条件，然后利用矩阵的正定性和非线性规划方法建立了力封闭抓取的通用判别算法；最后通过算例说明了该算法的应用。 基于对任务适应性的考虑，研究了接触点的布局规划问题。对于给定任务，多指手可以采取不同的接触构形实现对物体的稳定抓取。在保证稳定抓取的同时，为使接触构形具有最佳的力和运动传递性能，本文以有摩擦的点接触抓取模型为研究对象，首先通过在任务空间引入力椭球和速度椭球的概念，构建了反映抓取映射传递特性的力传动比和速度传动比解析公式，然后在综合考虑传递性能和可操作性等要求的基础上，首次提出了用于反映接触构形任务适应性的接触点布局评价指标，并将其用于多指手抓取的最优规划，最后结合实例说明了评价指标应用于多指手最优抓取规划的有效性。 为确定手指在抓取物体时对应的关节角以及所需施加的关节驱动力，抓取需要满足接触稳定性的要求，本文首先通过对摩擦锥的研究，首次提出了一个能够综合反映手指与物体接触稳定程度的指标，并据此分析多指手的抓取稳定性，该指标对于手指接触力的分配研究具有重要意义：然后在对多指手的抓取运动进行研究的基础上，推导了多指手的基本抓取约束和抓取的力、速度映射关系； 最后本文利用关节灵活度定义了反映多指手抓取可操作性的指标一多指手的操作灵活度，首次以该指标为目标函数，构建了多指手抓取姿态的优化算法，通过对手掌坐标系与物体坐标系的相对位姿进行优化，进行多指手抓取的姿态规划。数值算例验证了该算法的合理性和有效性。针对三指手力封闭抓取，在有摩擦的点接触模型下，通过对内力特性的分析，本文首次综合提出了内力存在时的摩擦扇存在条件、三指内力汇交条件及内力平衡约束条件，并据此建立了内力存在性的通用判别算法，为三指手的运动控制提供理论依据。由于严格内力的存在是力封闭抓取的必要条件，上述方法同样可用于三指手抓取的力封闭性判别。仿真实例验证了该判别方法的正确性和应用价值。 最后，以三指9关节手为模型，对多指手抓取运动进行了仿真试验，验证了本文抓取运动学理论的正确性，为多指手的协调操作与控制提供了一种可行的研究方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2多指手及抓取运动学研究现状

1.2.1.国内外机器人多指手样机的研究综述

1.2.2形封闭抓取与力封闭抓取的研究进展

1.2.3多指手抓取规划的研究进展

1.3本文主要研究内容

第二章 手指机构运动学分析

2.1坐标变换

2.2手指机构运动学正解

2.3手指机构运动学逆解

2.4手指机构雅可比矩阵

2.5指端作用力与关节驱动力的关系

2.6手指雅可比矩阵的对偶关系分析

2.7手指可操作性的分析

2.7.1速度与力可操作性椭球

2.7.2手指可操作度

2.7.3数值算例

2.8本章小结

第三章 多指手抓取的定性分析

3.1多指手抓取概述

3.1.1抓取模式分类

3.1.2手指—物体接触模型

3.1.3多指手抓取映射

3.2多指手抓取的封闭性

3.2.1接触构形的封闭性

3.2.2力封闭抓取

3.3力封闭抓取的判别研究

3.3.1手指接触力的分解形式

3.3.2抓取的力封闭判别

3.4数值实例

3.5本章小结

第四章 多指手抓取的接触点布局规划

4.1接触点布局规划研究概述

4.2基于任务适应性的接触点布局规划

4.2.1力椭球与力传动比

4.2.2速度椭球与速度传动比

4.2.3抓取评价指标及抓取规划

4.3接触点布局规划算例

4.4本章小结

第五章 多指手的抓取稳定性与可操作性分析

5.1多指手抓取稳定度

5.2多指手抓取的力、速度映射关系

5.3多指手抓取的可操作性

5.4多指手抓取姿态规划

5.4.1抓取姿态的可操作性指标

5.4.2抓取姿态的最优规划

5.5数值实例

5.6本章小结

第六章 三指手力封闭抓取的内力存在性研究

6.1三指手力封闭抓取的内力特性

6.2摩擦扇存在条件

6.3三指内力汇交条件

6.4内力平衡约束条件及内力存在判别算法

6.5数值计算实例

6.6本章小结

第七章 多指手抓取运动学仿真

7.1三指手物理模型及抓取描述

7.2接触点位置及关节转角的确定

7.2.1完全约束状态下物体上接触点位置的确定

7.2.2非完全约束状态下物体上接触点位置的确定

7.2.3手指关节转角的确定

7.3仿真模型

7.4参数设定及仿真结果

7.5本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

发表论文清单

附录 矩阵的奇异值分解