类人型五指手构型的优化设计.pdf

第 卷第 期哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 年 月 类人型五指手构型的优化设计樊绍巍，陈川，姜力，曾博，刘宏，邱景辉（哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨；哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨）摘 要：针对人手抓握多点接触的特点，提出了一种基于形封闭理论的五指手构型优化设计方法。首先根据抓握动作要求确定出五指手构型优化设计所需要的参数，并通过 判别函数方法判别多参数输入下五指手球形抓取和圆柱形抓取的形封闭性。其次引入范数域宽作为参数优化性能指标，采用区间迭代算法实现在满足形封闭前提下的五指手构型的可行区间最大化。最后以球形抓取为例，优化出了拇指指骨长度等 个重要参数的最佳设计结果，抓取仿真试验结果表明，优化后的参数范数域宽至少提高，显著提升了五指手稳定抓取的能力。关键词：球形抓取；圆柱形抓取；形封闭；可行区间最大化：网络出版地址：中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；收稿日期：网络出版时间：基金项目：国家 计划资助项目（）；国家自然科学基金资助项目（，）；黑龙江省博士后基金资助项目（）作者简介：樊绍巍（），男，讲师，博士通信作者：樊绍巍，：类人型五指手的构型是由手指指节的长度、指节运动关系以及手指在手掌上的位置参数决定。而构型设计的优劣决定手的抓取和操作能力。但由于其多链路特点，导致结构参数多、参数间关联性强，因此如何设计一组符合功能要求的五指手构型成为五指手设计领域一个很大的难题。目前通常的做法有以下 种：一是在设计具体机械结构的同时摸索五指手的构型，如文献中先根据设计功能要求以及动力传动组件等硬件参数建立出三维 模型，然后利用 软件完成对主要设计功能的仿真，最后根据仿真结果进一步完善构型设计参数；二是重点对某一两个相对重要的手指进行参数优化设计，如文献中利用刚体动力学对拇指抓握进行的分析以及文献中欠驱动两指抓取的平面几何学研究；三是通过研究对比人手的生理特性，如文献通过建立和分析人手的 模型来指导五指手的构型优化设计，缺点是对硬件设备要去较高，且无较强的理论基础。以上 种方法均不同程度地进行了五指手的构型优化设计，而采用基于形封闭理论的设计方法，相比之下具有优化参数全面、可维护性强以及成本低的特点，从而为五指手构型的优化设计提供了一种新的思路。五指手的抓取从功能上可分为强力抓取和精巧抓取 种，前者又可细分为球形抓取、圆柱形抓取和钩形抓取，。相对于其他抓取形式，球形抓取和圆柱形抓取所涉及的手指最多，抓取的范围也最大，功能实现也最为复杂。这两种强力抓取成功与否直接决定了五指手构型设计的合理程度。形封闭是单纯从几何结构参数的角度出发来判断抓取的结果，相对于力封闭而言条件更强，符合形封闭设计要求的假手抓取范围更大、抓取适应性更好，并被经常用来作为抓取参数优化的理论依据。五指手构型设计除了理论分析计算得到构型参数外，还受到机构设计、电机选型以及功能要求的限制。因此，本文结合上述限制条件，基于形封闭策略及参数的范数域宽对其参数进行优化，从而保证类人型的同时增加五指手的抓持稳定性。形封闭性的判定原理对于给定的参考系，抓取 可以用一组点接触来描述，即对于给定的参考系，抓取 可以用一组点接触来描述，即 ，式中：，为对应的接触点线矢量，由刚体在对应接触点的单位外法线矢量 和矢径 来表示，即 （）定义抓取 的形封闭判别函数（）为下列线性规划问题的最小值。（）（）式中可行集 下列不等式组的集合。，；，（）其中，和 是人工控制变量，分别是接触点线矢量 的个数和维数。强力抓取的形封闭性分析 模型假设在建模过程中，剔除一些对结果影响小，却大大增加算法复杂度的参数，假设如下：）被抓物体是绝对刚体，且接触面没有摩擦；）五指均为全耦合设计，且耦合比为 ；）近指节和中指节为通用指节，无名指和食指相对中指对称；）五指和被抓物体的接触点在五指的几何中心面内；）手指远指节和中指节夹角很小，忽略不计。五指手的构型简图如图 所示（图 中仅表示出了拇指的食指的参数，其余三指与食指类似）。图 五指手构型 圆柱形抓取和相对形封闭分析相对形封闭是形封闭在二维空间下的特例，此时点接触线矢量 的维数为，且同样适用于（）判别函数判别原理。图 圆柱形抓取 当假手强力抓取圆柱形物体时，被抓物体的理论截面为圆形，因此位于拇指掌面中指所在平面的圆形截面满足相对形封闭判据时，则近似认为五指手对该半径下的圆柱体抓取符合相对形封闭要求，如图，相对形封闭分析的流程图如图。哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 卷图 相对形封闭性分析流程图 具体分析过程如下：）首先计算拇指掌面中指系和被抓物体的接触点，在抓取过程中，保持指骨和掌面间的夹角 恒定不变，以指骨和掌面所围成的接触线为基准，依次计算出指骨、掌面和圆柱体的两个接触点 和；）使用（）判别函数对上述的接触点进行判别是否满足形封闭要求。）选择最优抓取稳定状态，基于上述构型当指骨长度、圆柱体半径 及夹角 满足式（）时，可实现 点抓取性封闭。但此时指骨和拇指近指节夹角过大，使得拇指几乎无转动，如图（）所示。（）（）实际抓握过程中，若满足（）（）所描述的条件，则拇指的指骨和圆柱体脱离接触，最终导致拇指近指节和中指节分别接触圆柱体，达到另一种稳定状态，如图（）所示，并由 （）（）（）（）（）（）（）（）（）确定接触点 和 的位置和转角 的值。）再次使用（）判别函数对上述的 个接触点进行自动判别，判断是否满足形封闭要求。球形抓取和形封闭球形抓取属于三维形封闭问题，所以点接触线矢量 的维数为，且同样适用于（）判别函数判别原理，其相对形封闭分析的流程图如图。（）状态（）状态 图 抓取稳定状态 图 形封闭性分析流程图 第 期 樊绍巍，等：类人型五指手构型的优化设计 结合上述假设情况使球体的最大截面和拇指掌面中指所在面重合，依次计算各个手指和球体的接触点，并使用（）判别函数进行三维形封闭性分析。稳定判别分为 时 点接触 和 时 点接触 种情形，其中 为球体直径，为手掌宽度。抓取仿真如图 所示。（）小指不接触球体（）小指接触球体图 四指和五指接触时的稳定态 其他计算过程和圆柱形抓取类似，不再赘述。五指手构型优化设计 参数优化设计性能指标如上所述，最大可行区间是在一定的抓取环境且符合抓取形封闭性的前提下，单一参数进行改变的最大区间，定义。某参数 的域宽 为其最大可行区间长度除以区间中点的绝对值，它是一个无量纲区间参数，客观的描述了不同参数的最大可行区间的相对大小。定义 个参数的范数域宽 为 （）（）值能够反映该组参数的最优程度，实验证明，若所选参数正好位于其最大可行区间中点，则该组参数的 的值越大。采用区间迭代算法找到 个给定的处于最大可行区间中点的参数，优化迭代过程如下：）令参数 保持不变，变化参数 计算最大可行区间，并将参数 置换为该区间中点，并求出参数 的无量纲区间参数；）按照以上思路求出之后 个参数的最大可行区间，并求出中间值和 值；）计算出 个参数变换完成后的 值，并重复）、）步骤，直到 个参数的 值、单个参数的最大可行区间以及值不再发生变化。图 迭代过程 图 构型参数域宽 区间最大化实例为了直观表述上述方法，现以半径为 的哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 卷球形抓取为例，选择五指手的 个参数中的 个关键参数作为优化的目标参数，分别是拇指指骨长度、通用关节近指节长度、拇指指骨和掌面之间夹角、拇指指根到中指指根之间的距离、拇指指根到食指 无名指之间的距离。其初始数值、迭代过程以及最终优化结果如图、所示。为了表述优化后手指构型的泛化能力，选取 组半径球体进行迭代实验，其优化的前后的范数域宽、及增长率 如表 所示。表 迭代试验结果 抓取半径 优化后的抓握仿真及效果如图 所示。（）基于优化参数的抓取构形仿真（）抓取示例图 优化的构型及 抓握仿真 结论本文介绍了一种基于几何形封闭理论的五指手构型优化设计方法。并给出了五指手构型设计合理性的评价标准，以及构型参数设计合理性的方法，对于类人型五指机器手具有实际操作性，结果表明：）针对抓持性物体，基于几何形封闭理论优化的五指手的抓取构型能够提升假手的抓持能力。为后继的抓取分析提供了有力的理论支撑。）范数域宽的引入，为手掌构型及手指参数的合理性提供了评价指标）最大可行区间是通过不同参数的域宽，能够判断出不同参数之间的最大可行区间的相对大小，从而在后期机械设计选型时做到有的放矢。参考文献：，：，：，：，：，：，：，：黄海，姜力，侯琳琪，等 仿人假手拇指机构的研究 哈尔滨工程大学学报，（）：，第 期 樊绍巍，等：类人型五指手构型的优化设计 ，（）：，：，：，：左炳然，钱文瀚 基于形封闭定量分析的最优抓取上海交通大学学报，（）：，（）：秦志强，赵锡芳，李泽湘 机器人多指爬取的力封闭判别 上海交通大学学报，（）：，（）：樊绍巍，刘伊威，金明河，等 类人形五指灵巧手机构的研究 哈尔滨工程大学学报，（）：，（）：，：熊有伦 点接触约束理论与机器人抓取的定性分析 中国科学，（）：，（）：哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第 卷