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基于抓持矩阵的二指多关节手抓持规划和丝传动设计

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机械工程学报 2015年第1期51卷 17-23页

作者：马学思戴建生天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室伦敦大学国王学院自然与机械工程系

二指手的欠驱动手指,能够模仿人的拇指和中指,实现对不同物体的抓持并完成抓放的任务。针对一般物体,利用丝传动的欠驱动手能更好地模仿人的手指,从而实现两个手指对于物体的抓持,并完成抓放任务。利用抓持矩阵的方法,建立二指多关节手... 详细信息

二指手的欠驱动手指,能够模仿人的拇指和中指,实现对不同物体的抓持并完成抓放的任务。针对一般物体,利用丝传动的欠驱动手能更好地模仿人的手指,从而实现两个手指对于物体的抓持,并完成抓放任务。利用抓持矩阵的方法,建立二指多关节手对物体有摩擦接触的抓持模型,并将抓持矩阵逐步向外扩展到手指的各个关节处,进而建立扩展抓持矩阵。利用接触点处抓持矩阵确定了一类平面物体抓持规划中接触点的位置应该满足的条件,并在最小力的原则下计算物体在不同的位姿下抓持力的大小。利用上述规划的接触点进行运动学反解,进而从联动关节处的抓持矩阵提取出欠驱动手指两个耦合关节力矩信息,得出丝传动的半径设计和反向弹簧设计的原则。利用扩展抓持矩阵求得力矩分量并用之验证此法与常规求法求得的力矩是等效的,从而验证此方法的正确性并对丝传动进行位置与力的计算。

关键词：扩展抓持矩阵抓持规划欠驱动手指丝传动

自重影响下对称结构三指灵巧手的抓持规划与分析

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机器人 2007年第4期29卷 374-377,383页

作者：张延恒贠超孙汉旭贾庆轩北京航空航天大学机器人研究所北京100083 北京邮电大学自动化学院北京100876

将驱动电机置入灵巧手指内部,使得灵巧手指自重对操作性能的影响增大.文中对所设计的对称结构三指灵巧手进行了受力分析,并在此基础上建立了手指自重对灵巧手指关节力矩影响的优化目标函数,以寻求不同手掌方位角下关节的最优抓持位形.... 详细信息

将驱动电机置入灵巧手指内部,使得灵巧手指自重对操作性能的影响增大.文中对所设计的对称结构三指灵巧手进行了受力分析,并在此基础上建立了手指自重对灵巧手指关节力矩影响的优化目标函数,以寻求不同手掌方位角下关节的最优抓持位形.通过对不同手掌方位角下关节力矩的优化分析,确定了手掌方位角与手指最佳位形之间的映射关系.将优化结果应用于实际机器人系统,其运行结果表明了该分析方法的有效性.

关键词：自重灵巧手关节力矩抓持规划

虚拟装配中基于生理约束的虚拟手建模与抓持规划

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计算机集成制造系统 2009年第4期15卷 681-684页

作者：付宜利刘诚哈尔滨工业大学现代生产技术中心黑龙江哈尔滨150001 东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040

为控制虚拟手准确合理地完成虚拟零件的抓握动作,以方便快捷地实现虚拟装配仿真,在深入分析人手的解剖结构和关节运动生理约束的基础上,提出利用层次结构并借助三维虚拟现实软件EON,建立虚拟手几何模型和实现抓持控制的方法。该方法将... 详细信息

为控制虚拟手准确合理地完成虚拟零件的抓握动作,以方便快捷地实现虚拟装配仿真,在深入分析人手的解剖结构和关节运动生理约束的基础上,提出利用层次结构并借助三维虚拟现实软件EON,建立虚拟手几何模型和实现抓持控制的方法。该方法将手指简化为三关节连杆结构,采用逆向运动学方法,针对待拾取零件的位置计算出在目标位姿下各运动关节的角度值,进而利用关节插值方法,以迭代的方式实现对手部关节链上各个关节的运动控制,仿真结果验证了上述方法的可行性与实时性。

关键词：虚拟装配虚拟手生理约束建模抓持规划仿真

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对称结构三指灵巧手抓持规划

机床与液压 2007年第9期35卷 76-78页

作者：张延恒贠超孙汉旭贾庆轩北京航空航天大学机器人研究所北京100083 北京邮电大学自动化学院北京100876

抓持规划是机器人灵巧手完成预期任务所必需面临的一个重要问题。本文针对所研制的具有对称结构的三指灵巧手的抓持及运动规划问题进行了分析,确定了以关节运动灵活度作为抓持性能评价的方法来进行实际抓持位形选取,并据此建立了优化目... 详细信息

抓持规划是机器人灵巧手完成预期任务所必需面临的一个重要问题。本文针对所研制的具有对称结构的三指灵巧手的抓持及运动规划问题进行了分析,确定了以关节运动灵活度作为抓持性能评价的方法来进行实际抓持位形选取,并据此建立了优化目标函数,实现了三指手抓取不同半径物体的通用运动规划方法,并在此基础上进行了抓持运动规划实验,证明了该方法的有效性。

关键词：灵巧手抓持规划灵活度

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灵巧手抓持规划的虚拟仿真方法

微计算机信息 2005年第9S期21卷 170-172页

作者：王莹北京航空航天大学机器人研究所

本文介绍在虚拟环境中,通过仿真分析的手段来研究机器人灵巧手抓持规划方案的方法。研究中以人的经验为指导,根据手、物的形状及尺寸等相对关系初步给出定性的抓持方案,以此为基础在虚拟环境中对机器人灵巧手的抓持过程进行仿真分析,判... 详细信息

本文介绍在虚拟环境中,通过仿真分析的手段来研究机器人灵巧手抓持规划方案的方法。研究中以人的经验为指导,根据手、物的形状及尺寸等相对关系初步给出定性的抓持方案,以此为基础在虚拟环境中对机器人灵巧手的抓持过程进行仿真分析,判定所给出的抓持规划是否能实现在虚拟环境中的稳定抓持。然后在可行方案的基础上进一步对灵巧手的抓持点位置及抓持姿态进行优化,最终可得到机器人灵巧手对于特定被抓持物的较令人满意的抓持规划方案。

关键词：虚拟仿真灵巧手抓持规划

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基于FPA多指灵巧手抓持规划研究

基于FPA多指灵巧手抓持规划研究

作者：方伟浙江工业大学

学位级别：硕士

随着科技的飞速发展和人工智能技术的广泛应用,智能机器人正在潜移默化的影响着人们的日常生活。作为机器人与周围环境交互的末端执行器引起了人们的广泛关注。多指灵巧手模拟人手的结构和功能,克服了传统末端执行器结构简单、自由度少... 详细信息

随着科技的飞速发展和人工智能技术的广泛应用,智能机器人正在潜移默化的影响着人们的日常生活。作为机器人与周围环境交互的末端执行器引起了人们的广泛关注。多指灵巧手模拟人手的结构和功能,克服了传统末端执行器结构简单、自由度少及适应性差等缺点,它良好的灵巧性和适应性为机器人的应用起到了推动作用,同时合理的抓持规划使得灵巧手能够稳定灵活的抓取不同形状的物体,具有很好的研究意义。机器人延伸到医疗康复、服务娱乐、农业等领域,新型灵巧手体现了较高的应用价值。本文基于FPA研制的多指手进行抓持规划研究,主要的研究工作如下:(1)简述柔性驱动器(FPA)的工作原理和弯曲关节的动态特性。提出了具有3关节、3自由度的拟人手指;采用模块化的设计方案,把5根同样的手指装配在拟人手掌上,构成多指灵巧手的本体结构;从仿生学的角度合理布局并优化灵巧手的结构参数;从目标物体模型和抓取任务等方面考虑,初步制定多指手的抓持规划总体方案。(2)通过机器视觉对目标物体建模,更加直观有效的了解被抓取物体。在相同的环境中,选取常见的一组物体采集图像;采用图像处理的方法得到目标物体的几何形状、基本位姿等特征作为抓持模式规划的参数。(3)综合目标物体的特征参数和抓取任务要求,研究灵巧手抓持规划的实现过程。根据已知信息建立抓取模式知识库,进行抓持模式规划;采用基于L-M算法优化的BP神经网络设计抓取模式规划器,仿真结果表明抓持模式规划器具有良好的分类特性。在抓持内力存在的条件下,结合摩擦锥约束条件,从几何角度建立基于稳定性的接触力规划,找到最佳的抓取内力汇交点,结合力封闭三角形计算对应的抓持内力和操作力。(4)采用D-H法建立多指灵巧手的运动学方程,基于运动学对手指进行位置跟踪实验,位置跟踪响应时间低于0.5s,角度跟踪最大误差为0.34?;提出抓持规划的最终方案,根据研制的传感系统等硬件搭建实验平台对一组物体进行抓取操作,实验结果表明灵巧手经过抓取规划能够稳定的抓取目标物体。

关键词：多指灵巧手气动柔性驱动器FPA 位置跟踪接触力规划抓持规划

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仿生软体机械手的运动学建模与抓持规划

仿生软体机械手的运动学建模与抓持规划

作者：许宗贵浙江工业大学

学位级别：硕士

作为软体机器人领域的一个分支,软体机械手正在迅速发展,并凭借良好的主被动适应性、安全性以及复杂环境适应性等性能优势,得到了广泛的关注及研究。最近这些年出现了大量关于软体机械手的最新研究成果。目前,软体机械手的研究仍处于起... 详细信息

作为软体机器人领域的一个分支,软体机械手正在迅速发展,并凭借良好的主被动适应性、安全性以及复杂环境适应性等性能优势,得到了广泛的关注及研究。最近这些年出现了大量关于软体机械手的最新研究成果。目前,软体机械手的研究仍处于起步阶段,在柔性材料、仿生结构、逆运动学及抓持规划等方面仍面临诸多挑战,因此开展相关的研究具有重要意义。本文主要工作目的是在软体机械手用于抓持、抓取物体时,对手指和整个软体手提供一种较为可靠且简洁的数学理论模型。本文研究内容如下(1)仿造章鱼腕足的生理结构,设计制作出两种刚度可调节的仿生软体手指,一种是能在任意方向弯曲的三腔驱动手指,另一种是只能在一个方向上弯曲的两腔驱动手指。基于仿生软体手指的结构,建立了软体手指的静态模型。仿真分析了气腔的气压值对软体手指静态特性的影响,并进行了硅胶试样拉伸实验和静态模型实验,验证了静态模型的正确性。(2)根据弹簧简化模型和弯曲几何构型,建立了弹簧模型伸长量与软体手指弯曲几何参数(弯曲方向φ,弯曲角度θ,弯曲半径R)的映射关系。并在此基础上建立了输入气压与软体手指末端点分布和手指姿态之间的关系。此外,还建立了软体手指的逆运动学模型,即对于指定手指末端点或者姿态的情况下所对应需要的输入各腔的气压。另外,分析软体手指与被抓持物体的接触类型为软指接触,然后建立了在这种接触类型的情况下的抓持规划算法。(3)最后,搭建适用于仿生软体机械手的实验平台,分别开展两种类型的手指进行单腔弯曲实验、多腔耦合弯曲实验和软体手的抓持实验,实际结果与理论模型相一致,验证了本文的弯曲、工作区间和逆运动学的有效性和准确性。本文提出了一套简明的数值分析方法,适用于分析软体手指的弯曲、工作区间、位姿和逆运动学模型。本文的研究成果为进一步研究仿生软体机械手的精确抓持控制提供理论基础。

关键词：软体驱动器仿生手运动学抓持规划

果实采摘机器人三指灵巧手结构设计与抓持规划研究

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果实采摘机器人三指灵巧手结构设计与抓持规划研究

作者：蒲应俊西北农林科技大学

学位级别：硕士

果实采摘是农业生产的重要环节,具有季节性强、劳动强度大、需要适时采收的特点,目前都以人工采摘为主,并随着人口老龄化以及农业劳动力转移使得有效劳动力缺乏的问题日益突出,而果实采摘机器人能有效地改善这一状况。末端执行器作为果... 详细信息

果实采摘是农业生产的重要环节,具有季节性强、劳动强度大、需要适时采收的特点,目前都以人工采摘为主,并随着人口老龄化以及农业劳动力转移使得有效劳动力缺乏的问题日益突出,而果实采摘机器人能有效地改善这一状况。末端执行器作为果实采摘机器人完成采摘作业的重要部分,被认为是果实采摘机器人的核心部件之一。目前国内外所研制出的果实采摘机器人末端执行器基本上都是针对某一特定果实的采摘而设计,使得末端执行器使用效率低、通用性差,并且结构笨拙、自重较大。本文针对以上果实采摘机器人末端执行器存在的问题,通过分析人手采摘果实的抓持特性,再结合当前灵巧手技术的发展,提出并设计一种果实采摘机器人三指灵巧手,并在此基础上对该三指灵巧手的抓持规划进行分析研究。具体研究工作包括以下几个方面:1)完成功能分析与方案设计。分析末端执行器的功能及方案,结合前人实验研究总结出典型果实的物理参数及力学参数,提出该末端执行器的总体方案,为后续末端执行器的结构设计奠定基础。2)完成果实采摘三指灵巧手结构设计。根据三指灵巧手总体结构与布局,以人手结构形式及各指节比例参数为依据,对单手指进行具体结构设计;根据手指布局方案设计手掌结构,利用Catia软件进行零件三维建模,再利用装配模块对整个三指灵巧手进行装配,然后将手指三维模型导入Adams软件进行仿真分析,进一步检验中间指节和末端指节耦合设计的正确性。3)完成果实采摘三指灵巧手运动分析。采用D-H法对所设计的手指建立运动学模型,对其正逆运动学进行分析,求出手指关节的雅克比矩阵,再进一步对手掌的运动学进行分析,为后续进行抓持规划奠定理论基础。4)完成果实采摘三指灵巧手抓持规划分析。通过分析人手采摘果实的特性来构建三指灵巧手采摘果实的抓持模型,首先建立手指接触模型,选择最佳抓持平面,再对三指灵巧手抓持的力封闭和形封闭进行定性分析。分析三指灵巧手的抓持规划方法和临近点的选择,在关节空间和笛卡尔空间对三指灵巧手抓持规划进行分析并作对比,最后对三指灵巧手抓持果实的位形进行仿真。本文的主要创新之处在于将三指灵巧手技术应用到果实采摘机器人末端执行器的设计中,提出使得末端执行器重量更轻、节省空间、操作更加灵活的新思路,能有效提高末端执行器的通用性、灵巧性及使用效率。

关键词：果实采摘机器人三指灵巧手抓持规划

软体机械手的目标识别方法与抓持规划策略研究

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软体机械手的目标识别方法与抓持规划策略研究

作者：刘龙天津大学

学位级别：硕士

软体机械手在深海探索、医疗服务、家庭服务等非结构环境中具有广阔的应用前景,而目标识别和抓持规划对于软体机械手实现成功抓持具有决定性的作用,是众多应用场景中必不可少的重要环节。为实现更准确的物体识别和更高效的抓持,本文设... 详细信息

软体机械手在深海探索、医疗服务、家庭服务等非结构环境中具有广阔的应用前景,而目标识别和抓持规划对于软体机械手实现成功抓持具有决定性的作用,是众多应用场景中必不可少的重要环节。为实现更准确的物体识别和更高效的抓持,本文设计并制造了一种具有接触力和弯曲感知功能的软体机械手,提出了一种视触信息融合的物体识别方法,研究了软体机械手的抓持规划策略。全文取得的研究成果如下:1.软体机械手的设计制造及视觉与触觉感知系统的搭建。选择薄膜压力传感器和弯曲传感器作为触觉传感器,设计并制造了一种具有接触力和弯曲感知功能的软体机械手。在此基础上,搭建了触觉感知系统和视觉感知系统,可获取物体的触觉序列、RGB图像和深度图像,为软体机械手目标识别方法和抓持规划策略的研究提供了硬件平台。2.视触信息融合的物体识别方法。借助SSD和Faster RCNN算法,构建了两种目标检测模型并进行训练。基于软体机械手及其触觉感知系统,研究了触觉特征的提取方法,利用机器学习算法对触觉特征进行分类,实现了物体触觉识别。基于多模式数据融合理论,在决策层上结合目标检测模型与多个触觉分类器,提出了一种视触信息融合的物体识别方法,识别准确率达到98.7%,比仅使用视觉或触觉时提高了9.94%。3.软体机械手的抓持规划策略。针对物体放置在平面上的抓持场景,借助相机标定原理和点云匹配算法,研究物体的视觉定位和位姿估计方法,借鉴人手抓持方式,生成软体机械手的抓持方式,提出了一种基于物体几何中心及可行抓持方式的抓持规划策略,解决了不同形状物体的抓持问题,并通过实验验证了其可行性和有效性。本文研究成果对突破软体机械手感知与识别、抓持规划等基础理论以及推进软体机械手的实际应用均具有重要意义。

关键词：软体机械手目标识别触觉识别视觉触觉融合抓持规划