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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2022年第3期55卷 221-229页

作者：戴建生安伟王瑞钦李磊天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300072 伦敦国王学院自然科学数学科学工程科学学院伦敦WC2R 2LS

三指手能够模仿人手的大拇指、食指和中指的姿态,从而实现仿人手的动作.变胞手掌的引入,更加提升了机械手的工作空间以及抓取可适应性.着眼于对手掌的仿生设计,基于可重构虎克铰链副(rT铰链副),设计出一款新型的仿人变胞手,使机械手可... 详细信息

三指手能够模仿人手的大拇指、食指和中指的姿态,从而实现仿人手的动作.变胞手掌的引入,更加提升了机械手的工作空间以及抓取可适应性.着眼于对手掌的仿生设计,基于可重构虎克铰链副(rT铰链副),设计出一款新型的仿人变胞手,使机械手可以部分模拟出人手的真实动作,从而增强机械手在空间中的抓取能力.将含有rT铰链副的六杆机构作为机械手的手掌,基于rT铰链副的可重构特性,使机械手的手掌在rT铰链副的不同构态下呈现出不同的运动方式,变胞手的手掌操作平面与Oxy平面的倾角以及手掌工作空间的大小也可以呈现不同的变化.因为当手指长度固定时,若要获得最大操作空间,机械手手掌的半径与物体半径有近似正比例对应关系,因此机械手掌半径的较大变化有利于提高机械手的抓取灵活性.此外,此机械手掌在非奇异构型下的单自由度特性也有利于机械手的控制,提高其工作稳定性.运用旋量系分解与基于公共约束和冗余约束的活动度扩展准则分析了该手掌在其工作空间内两个奇异位姿及其过渡姿态的活动度,并计算了新型变胞手在不同工作模式下手掌的工作空间大小及手掌工作平面位置,同时给出了手指操作平面倾角的变化与手掌半径的变化,展示了采用此变胞机构作为手掌的机械手的优异性能.

关键词：可重构虎克铰链副变胞手机械手工作空间活动度

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基于可重构虎克铰链副的新型仿人变胞手的设计与分析

基于可重构虎克铰链副的新型仿人变胞手的设计与分析

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作者：安伟天津大学

学位级别：硕士

三指机械手能够模仿人手的大拇指、食指和中指的姿态,从而实现仿人手的动作。传统机械手的手掌为刚性,只有手指可动,变胞手掌的引入增加了机械手掌的活动度,从而提升机械手的工作空间以及抓取能力。本文着眼于对手掌的仿生设计,基于可... 详细信息

三指机械手能够模仿人手的大拇指、食指和中指的姿态,从而实现仿人手的动作。传统机械手的手掌为刚性,只有手指可动,变胞手掌的引入增加了机械手掌的活动度,从而提升机械手的工作空间以及抓取能力。本文着眼于对手掌的仿生设计,基于可重构虎克铰链副(r T铰链副)设计出一款新型的仿人变胞手。将含有r T铰链副的六杆机构作为机械手的手掌,基于r T铰链副的可重构特性,使机械手的手掌在r T铰链副的不同构态下呈现出不同的运动方式。本文主要的研究内容如下:(1)通过观察人手真实动作,将人手掌作为工作平面在其上添加运动副以获得新型的变胞机构。通过对新型手掌机构的分析,给出了变胞手掌在不同构态下的运动方式,并给出变胞手掌在不同工作模式下的驱动关节。(2)分析了变胞手掌的位置模型和速度模型,为计算灵巧手的操作矩阵奠定基础。对新型变胞手手指操作平面,手掌工作空间,手掌操作平面在空间中位姿以及变胞手掌的半径变化等参数进行了分析,证明了此变胞手对于不同尺寸物体的抓取灵活性。(3)针对传统结构手指和非传统结构手指的不同,探究了安装传统结构手指和非传统结构手指的变胞手在手指工作空间上的提升,并探究了在使用两类手指时的变胞手手指工作空间的交叠情况。(4)基于刚性手指的有摩擦接触模型,给出了机械手抓取物体时的抓持矩阵计算方法。在此基础上,探究了满足稳定抓持条件的被抓持物体的工作空间、尺寸及位姿参数。对特定尺寸的被抓持物体在空间中的位姿进行了分析。通过以上分析揭示了此变胞手相对于传统灵巧手和前代变胞手在抓取适应能力上的提升,展示了采用仿人变胞机构作为灵巧手手掌的优越性。也探究了手指结构对变胞手抓持性能的影响。本文的创新点在于仿人手掌设计出一款新型的变胞手,首次对手掌进行了仿生,本文的工作为新型变胞手的设计、变胞手的手指结构的选取提供了新思路。

关键词：可重构虎克铰链副仿人灵巧手变胞手工作空间数学模型

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TJU/KCL变胞四指灵巧手运动学建模与控制系统搭建

TJU/KCL变胞四指灵巧手运动学建模与控制系统搭建

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作者：高志广天津大学

学位级别：硕士

目前灵巧手的发展主要集中在控制系统智能化方面，对多指领灵巧手新构型的研究相对较少，同时服务机器人的兴起也对多指灵巧手提出新的要求。本文研究的TJU/KCL变胞四指灵巧手是一种与其他任何多指灵巧手有着本质不同的新型多指灵巧手... 详细信息

目前灵巧手的发展主要集中在控制系统智能化方面，对多指领灵巧手新构型的研究相对较少，同时服务机器人的兴起也对多指灵巧手提出新的要求。本文研究的TJU/KCL变胞四指灵巧手是一种与其他任何多指灵巧手有着本质不同的新型多指灵巧手，通过引入一个可重构的手掌来增加其灵活性和对不同操作任务的适应性，但同时也增加了其运动学分析的难度。作为一种新型的变胞多指灵巧手，目前对其的分析研究还处于初步阶段，基于此事实，本文主要开展的工作和取得的成果主要包括以下几个方面：（1）分别采用几何法和约束方程法对可重构手掌进行几何约束分析，包括正向几何约束分析和逆向几何约束分析;采用矢量法对可重构手掌进行速度约束分析，在此基础上，进一步研究手掌构成奇异的数学条件，并获取了手掌的全部奇异构型，包括串联奇异构型、并联奇异构型和混联奇异构型。（2）针对TJU/KCL变胞四指灵巧手，提出一种基于手掌约束的运动学建模方法，该方法对混联机构的运动学分析具有指导意义。在逆向运动学建模时，首先选取手掌支链相对简单的手指进行分析，然后利用手掌本身的约束，再对其他支链复杂的手指进行分析，大大简化了逆向运动学的求解过程，并得到形式简洁的解析解。（3）研究TJU/KCL变胞手的手掌工作空间和引入可重构手掌后增广的手指工作空间，展示引入可重构手掌的意义与优势。（4）建立TJU/KCL变胞手的抓持映射，推导出TJU/KCL变胞手基于运动学的抓持约束方程。（5）成功搭建TJU/KCL变胞手的控制系统，包括硬件电路设计和运动控制程序编写，最终实现位置控制。本文为TJU/KCL变胞四指灵巧手的后续工作奠定了良好基础，对其后续的发展、完善与应用具有重要意义。

关键词：变胞手可重构手掌运动学工作空间控制系统

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