人手抓取运动解析及姿势协同仿人手研究

发布时间：2020-05-16 12:58

【摘要】：日常生活中人手能完成各种各样纷繁复杂的任务,任务的复杂性和多样性以及人手复杂的生物学结构给人们理解和认识人手抓取运动带来困难,限制了仿人机械手的发展。在设计仿人手时,人们要求仿人手能复现人手抓取运动特征的同时,还期望仿人手的机械和控制系统能尽可能简化,具有拟人的外观。因此,为进一步理解人手的抓取运动和简化仿人手机械及控制系统,本文对人手抓取运动进行解析,通过姿势协同理论重建人手抓取运动特征,研制姿势协同仿人手,以简化仿人手的机械及控制系统,主要开展了以下研究工作:为更清晰和系统地理解人手抓取运动,从人手运动功能分析入手,逐步细化到抓取运动。以动作为基础,参照前人对人手运动姿势分类的定义,以动作目标为依据,建立了人手运动功能分层树,将动作划分为抓握和非抓握两个大类,9个小类。重点研究人手抓取功能,构建了人手抓握功能分类表,分析结果表明物体的形状、尺寸和与人手的相对位置是导致人手抓取姿势多样性的重要影响因素。在同时考虑这三个影响因素的基础上,搭建了人手抓取姿势提取平台,建立了人手容差性抓取姿势库。与两种传统的抓取姿势库相比,实验结果表明人手容差性抓取姿势库能更全面地体现人手的抓取功能性。针对建立的人手容差性抓取姿势库,对人手抓取运动进行解析。从整体上对抓取姿势库中各关节的角度分布特征进行统计学分析。建立关节运动相关性分析方法,首先对各关节与其余关节的运动相关性进行整体分析,为使分析结果更有实用价值,分别以手指为单位和关节类型为单位展开手指间相关性分析和关节间相关性分析。方差分析用于分析物体的形状、尺寸和相对位置对拇指和四指抓取姿势的影响。针对人手关节难以完全独立运动的特点,提出人手关节独立性概念并通过关节间运动相关系数、关节角度方差和信息熵对关节运动独立性进行量化分析,通过基于肌电信号的关节独立性量化验证实验验证了关节独立性量化的分析结果。针对仿人手设计要求外观和功能拟人的特点,建立了包含12项拟人性指标的仿人手拟人性评估框架,构建了基于分段函数和指标矩阵的量化评估方法。以仿人假手为例,选取了国际上较为典型的7种商业假手进行拟人性量化评估。对各指标的量化评估结果进行了相关性分析,构建了仿人手拟人性设计指标的考虑优先级。无论从量化评估结果还是拟人性设计指标的考虑优先级来看,驱动配置都是设计过程中应该优先考虑的拟人性指标。因此,根据第三章的人手抓取运动解析结果,提出了仿人手驱动配置策略,建立了分模块的驱动配置方案。为进一步简化机械和控制系统,采用姿势协同理论减少了四指驱动器数量,降低了控制维度。对姿势协同的机构设计与实现性能进行了对比评价,为驱动器和实现机构嵌入手掌奠定了基础。针对姿势协同机构尺寸大和结构分散的问题,为使姿势协同机构小型化,研制了姿势协同机构可嵌入手掌的模块间姿势协同手。在四指分模块的驱动配置方案基础上,确定了机构布置方式和具体实现机构。为进一步缩小机构的实现尺寸,对姿势协同矩阵进行了矩阵分解,将四指掌指关节(MCP)和近指关节(PIP)的运动分解为比例运动、传动链运动和差动运动,分别用滑轮机构、齿轮传动链机构和行星轮差动机构机械实现。设计了键绳驱动下掌指关节(MCP)和近指关节(PIP)分别单独驱动的手指。最后,进行了姿势协同基运动特征重建实验、抓取姿势重构实验和实物抓取实验,验证了姿势协同手的性能,实验结果表明该姿势协同手能复现人手关节运动特征,能重构Feix抓取分类表中的抓取姿势,表现出较丰富的抓取姿势多样性,采用两个姿势协同基能完成不同类型物体的抓取,降低了控制复杂性。
【图文】：

分类表

哈尔滨工业大学工学博士学位论文消综合后达到完成任务所需的要求因此，根据虚拟手指对抗力的类型抓取姿势归纳为三种基本类型，即手掌指间和指侧对抗型手掌对抗力产生于手掌和手指间，方向大体上垂直于手掌指向物体指间对抗型产生于手指指腹间，方向大体上平行于手掌由接触物体的指腹指向物体抗型的对抗力一般产生于手指指侧间，表现为手指间夹紧力，方向大体切手掌的方向 Cutkosky[28]扩展了 Napier 的强力抓取和精确抓取分类方法，将强力抓取9 类，将精确抓取划分为 7 类，在机器人领域得到了广泛应用建立的人势分层树如图 1-1 所示，可帮助人们在操作灵巧手完成任务时选择具体的根据前期人们对于抓取分类学的研究，该分层树将动作目标物体形手指(VF)考虑在内，整个分层树开始于 Napier 定义的强力抓取和精确抓作目标，再根据物体形状和虚拟手指类型向下延伸，共涵盖了 16 种不同取姿势(其中包含一项托盘类非抓握姿势)

协同运动,相互作用,序列性,手指

协同运动表现为拇指与不同数量手指相同趋势的聚拢运动(图 1-3)，相互作用协运动表现为拇指和其余用到的手指以相反的运动模式往复运动(图 1-4)，序列性式运动表现为序列性的运动模式，手指同步运动产生物体连续运动，该类运动般为简单协同运动或相互作用协同运动的组合，一般不表现出其余类型的手内作运动因此，，将人手手内操作运动归纳为如图 1-3~图 1-4 所示的 8 种运动 a) 两指收拢 b) 三指收拢 c) 挤压a)Pinch b) Dynamic tripod c) Squeeze图 1-3 简单协同运动[39]Fig. 1-3 simple synergisa) 捻 b) 拧a) Twiddle b) Rock
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP241

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