【摘要】：日常生活中人手能完成各種各樣紛繁復(fù)雜的任務(wù),任務(wù)的復(fù)雜性和多樣性以及人手復(fù)雜的生物學(xué)結(jié)構(gòu)給人們理解和認(rèn)識(shí)人手抓取運(yùn)動(dòng)帶來困難,限制了仿人機(jī)械手的發(fā)展。在設(shè)計(jì)仿人手時(shí),人們要求仿人手能復(fù)現(xiàn)人手抓取運(yùn)動(dòng)特征的同時(shí),還期望仿人手的機(jī)械和控制系統(tǒng)能盡可能簡(jiǎn)化,具有擬人的外觀。因此,為進(jìn)一步理解人手的抓取運(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)化仿人手機(jī)械及控制系統(tǒng),本文對(duì)人手抓取運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解析,通過姿勢(shì)協(xié)同理論重建人手抓取運(yùn)動(dòng)特征,研制姿勢(shì)協(xié)同仿人手,以簡(jiǎn)化仿人手的機(jī)械及控制系統(tǒng),主要開展了以下研究工作:為更清晰和系統(tǒng)地理解人手抓取運(yùn)動(dòng),從人手運(yùn)動(dòng)功能分析入手,逐步細(xì)化到抓取運(yùn)動(dòng)。以動(dòng)作為基礎(chǔ),參照前人對(duì)人手運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)分類的定義,以動(dòng)作目標(biāo)為依據(jù),建立了人手運(yùn)動(dòng)功能分層樹,將動(dòng)作劃分為抓握和非抓握兩個(gè)大類,9個(gè)小類。重點(diǎn)研究人手抓取功能,構(gòu)建了人手抓握功能分類表,分析結(jié)果表明物體的形狀、尺寸和與人手的相對(duì)位置是導(dǎo)致人手抓取姿勢(shì)多樣性的重要影響因素。在同時(shí)考慮這三個(gè)影響因素的基礎(chǔ)上,搭建了人手抓取姿勢(shì)提取平臺(tái),建立了人手容差性抓取姿勢(shì)庫(kù)。與兩種傳統(tǒng)的抓取姿勢(shì)庫(kù)相比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明人手容差性抓取姿勢(shì)庫(kù)能更全面地體現(xiàn)人手的抓取功能性。針對(duì)建立的人手容差性抓取姿勢(shì)庫(kù),對(duì)人手抓取運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解析。從整體上對(duì)抓取姿勢(shì)庫(kù)中各關(guān)節(jié)的角度分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。建立關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相關(guān)性分析方法,首先對(duì)各關(guān)節(jié)與其余關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相關(guān)性進(jìn)行整體分析,為使分析結(jié)果更有實(shí)用價(jià)值,分別以手指為單位和關(guān)節(jié)類型為單位展開手指間相關(guān)性分析和關(guān)節(jié)間相關(guān)性分析。方差分析用于分析物體的形狀、尺寸和相對(duì)位置對(duì)拇指和四指抓取姿勢(shì)的影響。針對(duì)人手關(guān)節(jié)難以完全獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),提出人手關(guān)節(jié)獨(dú)立性概念并通過關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)相關(guān)系數(shù)、關(guān)節(jié)角度方差和信息熵對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)獨(dú)立性進(jìn)行量化分析,通過基于肌電信號(hào)的關(guān)節(jié)獨(dú)立性量化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了關(guān)節(jié)獨(dú)立性量化的分析結(jié)果。針對(duì)仿人手設(shè)計(jì)要求外觀和功能擬人的特點(diǎn),建立了包含12項(xiàng)擬人性指標(biāo)的仿人手?jǐn)M人性評(píng)估框架,構(gòu)建了基于分段函數(shù)和指標(biāo)矩陣的量化評(píng)估方法。以仿人假手為例,選取了國(guó)際上較為典型的7種商業(yè)假手進(jìn)行擬人性量化評(píng)估。對(duì)各指標(biāo)的量化評(píng)估結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析,構(gòu)建了仿人手?jǐn)M人性設(shè)計(jì)指標(biāo)的考慮優(yōu)先級(jí)。無論從量化評(píng)估結(jié)果還是擬人性設(shè)計(jì)指標(biāo)的考慮優(yōu)先級(jí)來看,驅(qū)動(dòng)配置都是設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該優(yōu)先考慮的擬人性指標(biāo)。因此,根據(jù)第三章的人手抓取運(yùn)動(dòng)解析結(jié)果,提出了仿人手驅(qū)動(dòng)配置策略,建立了分模塊的驅(qū)動(dòng)配置方案。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化機(jī)械和控制系統(tǒng),采用姿勢(shì)協(xié)同理論減少了四指驅(qū)動(dòng)器數(shù)量,降低了控制維度。對(duì)姿勢(shì)協(xié)同的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)性能進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià),為驅(qū)動(dòng)器和實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)嵌入手掌奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)姿勢(shì)協(xié)同機(jī)構(gòu)尺寸大和結(jié)構(gòu)分散的問題,為使姿勢(shì)協(xié)同機(jī)構(gòu)小型化,研制了姿勢(shì)協(xié)同機(jī)構(gòu)可嵌入手掌的模塊間姿勢(shì)協(xié)同手。在四指分模塊的驅(qū)動(dòng)配置方案基礎(chǔ)上,確定了機(jī)構(gòu)布置方式和具體實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。為進(jìn)一步縮小機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)尺寸,對(duì)姿勢(shì)協(xié)同矩陣進(jìn)行了矩陣分解,將四指掌指關(guān)節(jié)(MCP)和近指關(guān)節(jié)(PIP)的運(yùn)動(dòng)分解為比例運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)運(yùn)動(dòng),分別用滑輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)和行星輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)了鍵繩驅(qū)動(dòng)下掌指關(guān)節(jié)(MCP)和近指關(guān)節(jié)(PIP)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的手指。最后,進(jìn)行了姿勢(shì)協(xié)同基運(yùn)動(dòng)特征重建實(shí)驗(yàn)、抓取姿勢(shì)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)和實(shí)物抓取實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了姿勢(shì)協(xié)同手的性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該姿勢(shì)協(xié)同手能復(fù)現(xiàn)人手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特征,能重構(gòu)Feix抓取分類表中的抓取姿勢(shì),表現(xiàn)出較豐富的抓取姿勢(shì)多樣性,采用兩個(gè)姿勢(shì)協(xié)同基能完成不同類型物體的抓取,降低了控制復(fù)雜性。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文消綜合后達(dá)到完成任務(wù)所需的要求 因此，根據(jù)虛擬手指對(duì)抗力的類型抓取姿勢(shì)歸納為三種基本類型，即手掌 指間和指?jìng)?cè)對(duì)抗型 手掌對(duì)抗力產(chǎn)生于手掌和手指間，方向大體上垂直于手掌指向物體 指間對(duì)抗型產(chǎn)生于手指指腹間，方向大體上平行于手掌由接觸物體的指腹指向物體抗型的對(duì)抗力一般產(chǎn)生于手指指?jìng)?cè)間，表現(xiàn)為手指間夾緊力，方向大體切手掌的方向 Cutkosky[28]擴(kuò)展了 Napier 的強(qiáng)力抓取和精確抓取分類方法，將強(qiáng)力抓取9 類，將精確抓取劃分為 7 類，在機(jī)器人領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 建立的人勢(shì)分層樹如圖 1-1 所示，可幫助人們?cè)诓僮黛`巧手完成任務(wù)時(shí)選擇具體的 根據(jù)前期人們對(duì)于抓取分類學(xué)的研究，該分層樹將動(dòng)作目標(biāo) 物體形手指(VF)考慮在內(nèi)，整個(gè)分層樹開始于 Napier 定義的強(qiáng)力抓取和精確抓作目標(biāo)，再根據(jù)物體形狀和虛擬手指類型向下延伸，共涵蓋了 16 種不同取姿勢(shì)(其中包含一項(xiàng)托盤類非抓握姿勢(shì))

協(xié)同運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為拇指與不同數(shù)量手指相同趨勢(shì)的聚攏運(yùn)動(dòng)(圖 1-3)，相互作用協(xié)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為拇指和其余用到的手指以相反的運(yùn)動(dòng)模式往復(fù)運(yùn)動(dòng)(圖 1-4)，序列性式運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為序列性的運(yùn)動(dòng)模式，手指同步運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生物體連續(xù)運(yùn)動(dòng)，該類運(yùn)動(dòng)般為簡(jiǎn)單協(xié)同運(yùn)動(dòng)或相互作用協(xié)同運(yùn)動(dòng)的組合，一般不表現(xiàn)出其余類型的手內(nèi)作運(yùn)動(dòng) 因此，，將人手手內(nèi)操作運(yùn)動(dòng)歸納為如圖 1-3~圖 1-4 所示的 8 種運(yùn)動(dòng) a) 兩指收攏 b) 三指收攏 c) 擠壓a)Pinch b) Dynamic tripod c) Squeeze圖 1-3 簡(jiǎn)單協(xié)同運(yùn)動(dòng)[39]Fig. 1-3 simple synergisa) 捻 b) 擰a) Twiddle b) Rock
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP241

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本文編號(hào)：2666769