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DLR／HIT仿人机器人灵巧手的设计 DLR/HIT仿人机器人灵巧手的设计★ 口刘伊威口金明河 摘要:基于对人手结构度功能的分析,提出了仿人机器人灵巧手的设计依据,并以此为目标设计了DLR/HIT仿人 机器人灵巧手.DLR/HIT手具有与人手相似的自由度配置,共有13个自由度,具有4个相同结构的手指,每个手指具有3个 自由度,拇指另有一个张开/闭合的自由度,包括位置,力/力矩,温度等多种感知功能以及高速实时控制器的设计,这些功 能赋予了DLR/HIT手更强的操作能力.通过抓握仿真,证明DLR/HIT手能够在一定范围内实现人手的抓握操作. 关键词:仿人夏巧手手指抓握传感器 中图分类号:TP241文献标识码:A文章编号:1000—4998(2006)11—0032—04 人手具有的复杂结构使其能够完成对不同尺寸, 不同形状物体的抓握操作,研制出与人手功能相似的 灵巧手是众多科研工作者的目标.对人手结构,功能的 研究,将对灵巧手的设计起到重要的指导作用.近年 来,相继诞生了一些很有代表性的灵巧手,比如上世纪 80年代的Stanford/JPL手,Utah/M.I.T手,90年代的 DLR手以及NASA手等.本文首先分析了人手的结构, 功能及其运动特点,提出了仿人灵巧手的设计依据,并 设计了DLR/HIT仿人机器人灵巧手,如图1所示.通 过抓握仿真,DLR/HIT能够完成部分人手的操作任 务. ★863计划资助项目(编号:2002AA742032) 口仿人灵巧手的设计准则 (1)人手的结构及其功能人手的5个手指,共有 21个自由度【.除拇指外4指具有相同的结构,仅在几 何尺寸上有一定的差别.每个手指有3个关节,4个自由 度:接近手掌的关节被称为MP关节(MetacarpalPhal— angea1)或基关节,它具有侧摆方向±15.,俯仰方向 120.的运动范围;末端的两个关节分别被称为PIP关 节(ProximalInterphalangea1)或中间指节,DIP关节 (DistalInterphalangea1)或末端指节,它们的运动范围 均为90..拇指的机构更为复杂,具有5个自由度,在实 现与其余4指相同运动能力的同时,还能实现拇指的张 开/闭合运动. Bekey等根据人手的日常操作,总结出了人手6种 具有代表性的抓握模式,见图2t1.由此可以总结出人 手的3个抓握特点:拇指相对其余手指的运动,是人手 非常重要的运动方式,特别是对于通过指尖完成的精 细操作,拇指与其余手指间的可闭合空问对于提高人 手的操作能力具有非常大的影响;借助手指基关节的 两自由度运动,能够实现拇指与其余4指的闭合;人手 的另一个抓握特点是小手指相对其余4指,在抓握过程 中只起到一定的辅助作用,不作为主要的施力手指. PIP关节和DIP关节参照人手的驱动方式,这两个关 节具有一定的运动耦合性,在自由状态下,很难实现单 独一个指节的弯曲. 7张洁,高亮,李培根.多Agent技术在先进制造中的应用【M】. 北京:科学出版社,2004. 8徐宗本,张讲社,郑林计算智能中的仿生学:理论与算法 【M】.北京:科学出版社,2004. 金 2006/11 (编辑功成) 作者单位:东北大学机械工程与自动化学院 邮政编码:沈阳?110004 收稿日期:2006-ff--7月 机械制造44卷第507期a 关节,肌腱和肌肉等构成了人手的基本框架,由神 经赋予人手的感知能力,冗余自由度的存在以及功能 强大的大脑等赋予人手更强的操作能力. (2)基于抓握理论的灵巧手手指数的确定根据 抓握理论的研究,对于一定的接触模型,需要不同的接 触点数目才能满足力封闭条件.对于无摩擦点接触, Reulaux,Somov和Lakshminarayana等分别证明了在二 维和三维情况下,实现力封闭抓取的最少手指数目分 别是4和7.而Mishra,Schwartz和Shafir~1的研究表明,6 (或12)个手指是实现二维(或三维)不规则物体力封闭 抓取的充分条件.Markwnscoff,Ni和Papadimitriouf4进 一 步证明了在无摩擦情况下,4和7个手指是二维和三 维力封闭抓取的充分条件.更为重要的是,他们证明在 有摩擦情况下,3个和4个手指是二维和三维力封闭抓 取的充分条件.这个结果被普遍认可,目前研究力封闭 算法主要针对3手指(平面抓取)和4手指(空间抓取). 对于一些特殊形状的物体(如有相互平行的表面,球体 等),2(或3)手指可以实现平面(或空间)的力封闭抓 取,这是上述情况的特例.而在实际操作中,接触多为 有摩擦类型,所以4指是灵巧手完成3维抓取操作的最 少手指数. (3)仿人灵巧手的设计依据基于对人手结构,功 能的分析以及抓握理论的研究成果,本文提出以下3点 仿人灵巧手的设计依