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人手抓持识别与灵巧手的抓持规划* GRASP IDENTIFICATION OF HUMAN HANDS AND GRASP PLANNING OF DEXTEROUS HANDS 李继婷，张玉茹，张启先 北京航空航天大学机器人研究所 摘要 本文研究灵巧手采用指尖抓持方式时的抓持规划方法。在相同的操作环境和操作对象下，由人手决定抓持接触点的位置， 利用人手运动测量装置测量人手抓持位置，通过一定的映射关系将其转换为灵巧手的抓持位置及其掌系的位姿，再根据灵巧 手自身的结构通过运动学反解确定其抓持位形。 关键词：抓持规划，人手运动识别，灵巧手 Key words: Grasp planning, identification of human hand motion, Dexterous hand 0 前言 灵巧手的主要功能是抓持和操作物体，抓持是操作的基础。灵巧手在什么位置以及采用什么方式抓持 物体，是抓持规划必须解决的问题。抓持规划的理想目标是实现自主规划，这需要对抓持任务、被抓持物 体形状、灵巧手等诸多抓持因素进行建模。然而，在影响抓持规划的众多因素中，有些很难用准确的数学 模型描述，如抓持任务、某些形状复杂的物体、预抓持位形和不同抓持类型间的过渡。另一方面，从应用 的角度看，要实现对任意物体的抓取，对每一种被操作的物体都建立数学模型显然是不切实际的。为了有 效地解决灵巧手的抓持规划问题，目前一些研究者采用了一种新的向人手学习的主从操作策略，核心思想 是将人纳入控制系统回路，由人作规划，由灵巧手实施运动，从而使人的智能与机器人的机械运动能力有 效结合。例如，美国国家航空航天局（NASA ）所属 JPL 实验室通过手上佩带式运动测量装置，将人手关 节的运动映射成灵巧手关节的运动[1] 。NASA 的Johnson 空间中心通过在小臂处测量人手运动的肌电信号 进行人手与灵巧手之间的运动映射[2] 。德国宇航研究中心 （DLR ）的机器人与系统动力学研究所采用数据 手套进行运动映射[3]。 就灵巧手的抓持规划而言，实现主从操作的关键问题之一是如何将人手的抓持转换为灵巧手的抓持， 较多的研究者就此进行了研究 [1-9] 。人手与灵巧手之间的运动映射可以在关节空间和直角空间进行，运 动映射空间的选择应取决于抓持类型。对于指端抓持，物体与手指仅在指端接触，主要用于操作物体或对 物体位姿进行微小精确调整，因而确定指端相对于物体的位置是一个重要因素，而关节位置可看成指端位 置的函数，由指端位置决定。因此对于指端抓持而言，测量指端位置、进行直角空间映射是合理的选择。 1实现主从操作的另一个关键是人手运动识别。目前的研究大多通过人手佩带主操作装置或数据手套来 测量人手关节运动，建立人手或主操作装置的运动学模型，然后将其映射为灵巧手关节的运动，或是建立 人手关节角与其指尖抓持位置的关系，再将其映射为灵巧手的运动。佩带主操作装置使人手的运动受到限 制，灵活性减弱，同时因灵巧手与人手的差别，关节之间的运动映射精度不高。数据手套对人手的运动限 制较少，但映射精度不高的问题更为突出。测量人手的肌电信号以获取运动参数的思路，虽然可以克服手 指运动受限制的问题,但准确、可靠地提取人手运动参数是一个正待解决的难题。 本文研究指端抓持，研究对象为仿人灵巧手，在相同的操作环境和操作对象下，由人手决定抓持物体 时的接触点，灵巧手通过调整其手掌的位姿，使其指端分别在上述接触点抓持物体，从而保证抓持稳定。 我们采用的测量系统能够直接测量人手抓持位置，利用灵巧手与人手相似的特点，借鉴人手的抓持经验， 建立从人手到灵巧手的映射关系，以此确定灵巧手抓持相同物体时的指端位置和手掌位姿，通过对灵巧手 *国家自然科学基金）和国家教育部博士点基金（2000000605 ）资助项目 1 手掌位姿的规划，实现最优的抓持位形。 1 人手抓持识别 为了提高人手运动测量系统的精度，一个重要的手段是采用尽量简单的测量系统和直接的测量手段， 这样既可以简化运动映射关系，又可以降低系统的成本。我们采用由美国 Pohelmus 公司生产的空间位置 跟踪仪 FASTRAK ，它包含一个发射器和四个接收器，并都已分别定义了各自的坐标系，在其有效工作范 围内可测量接收器相对于发射器的空间位置