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《自适应抓持仿人手的抓持能力分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第20卷第3期机械设计与研究Vol.20No.32004年6月MachineDesignandResearchJun.,2004文章编号:100622343(2004)032035203自适应抓持仿人手的抓持能力分析郭卫东, 李继婷, 张玉茹(北京航空航天大学 机器人研究所,北京 100083) 摘 要:以三自由度的仿人手为研究对象,对其抓持物体的能力进行研究。在对仿人手抓持给定形状和大小物体的受力进行分析的基础上,给出了以抓持起最重物体为目标函数的优化分析计算模型,得到了仿人手在具有最大抓持能力时手指各指节与物体之间的
2、作用力的大小。最后获取了“解耦装置”中弹簧预紧力的计算方法,并根据优化所得到的各力值计算得到了该预紧力的大小。关键词:仿人手;优化;力分析;抓持;抓持能力中图分类号:TH112 文献标识码:A 仿人手以其外形和大小与人手相仿、自由度少、可代替3∶3∶2的关系;而当下指节和中指节其一或两者都碰到物体人手来完成一些简单的抓持和操作而得到越来越广泛的关而不能动时“解耦装置”和下指节由于摩擦力值有限的原,注,对其研究也在不断地深入展开。国内外对多自由度的灵因,出现相对滑动,从而保证分配轴和轴Ⅰ都还可以正常运[1～4]巧手的研
3、究已有了十几年的历史,并有了很多成果,但转,从而保证其他指节的继续运动,直到上指节也碰到物体[5]对于少自由度的仿人手的研究才刚刚起步。本文就是针后,整个手指的运动停止,以实现手指对物体可靠的自适应对自行设计的三自由度仿人手的抓抓持。持物体的能力作些研究,以期使仿本文就是以该自适应抓持仿人手为对象,探讨寻求使仿人手抓持住尽可能重的物体。人手获得最大抓持能力的方法,求取仿人手在最大抓持能力 图1为自适应抓持仿人手的虚情况下各手指指节的抓持力,并根据这些力值来确定所设计拟样机模型,它是三自由度五手指的“解耦装置”中弹簧预紧力
4、的大小。仿人手。三个电机分别驱动大拇1 仿人手抓持能力的优化设计指、食指和其余三个手指。整个系统的传动采用轮系,各手指的传动 仿人手在抓持物体时,各指节所受到的抓持力除了要被机构系统基本相同,所以下面以食各自的关节力矩平衡外,还会对其下面的各指节的受力产生指为例说明机构的传动方案。影响,例如上指节受到的抓持力在三个指节的关节处都会产图2所示为食指的虚拟样机模生力矩。下面给出在电机输出力矩一定的情况下,如何使仿型,电机通过减速器和一对减速齿人手获得最大的抓持能力(即能抓持起最重物体)的方法。轮(图中未画出)带动分配轴转动。
5、这里所分析的仿人手的食指和中指除了上指节的长度分配轴通过安装在其右端的三个齿有所不同外,其它尺寸相同,并分别由两个相同的电机驱动。轮带动Ⅰ关节(轴Ⅰ)转动,轴Ⅰ通为表述问题的方便,现将中指和食指合并成一个手指,还将过一个“解耦装置”(解耦装置与Ⅰ其命名为食指,如图3所示的由构件1、2、3及其相连运动副关节轴同步转动,通过摩擦带动下组成的3R食指机构和构件4和5及其相连运动副组成的指节转动,如图4所示)带动下指节2R拇指机构的机构简图。运动。分配轴上安装的另一个“解耦装置”带动与其相邻的一个齿轮转动,从而带动一个周轮轮系驱动
6、中指节运动。分配轴上固联的一个齿轮通过另一个周轮轮系带动上指节运动。在手指的运动过程中要求:当手指未抓持到物体时,三个关节要联动,分配轴上和轴Ⅰ上的两个“解耦装置”要保证手指的三个关节按一定耦合关系来转动,即要近似模拟人手指三个关节的转角比例收稿日期:2003-10-20▲图3 仿人手机构抓持物体时的位置简图©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.36机械设计与研究第20卷 当被抓持物体的形状、大小和相对仿人手的位置确定T设计变量:X=
7、[F2F3](16)后,各指节都接触到物体时手指机构的位置也就是确定的。5 目标函数:maxF(X)=max∑Fjfj(17)食指的关节角分别为θ1、θ2、θ3、θ4和θ5,各指节和物体间的j=0相互作用的正压力分别为F1、F2、F3、F4和F5,手掌和物体η1i1lB式中,F1=[η1i1MI-+lB+l1c2F2-η2i2间相互作用的正压力为F0。各指节的长度和各力作用点的lC+l2c3lC位置为l1=O1O2,l2=O2O3,l4=O4O5,lA=O1A,lB=ηη1i1+ηη1i1+lC+2i23i3O2B,lC
8、=O3C,lD=O4D,lE=O5E。1l1c23+l2c3)F3]各关节的平衡力矩分别为lAτ1=F1lA+F2(lB+l1c2)+F3(lC+l1c23+l2c3)(1)lElE+l4c5η4i4F4=MT-F5+τ2=F2lB+F3(lC+l2c3)(2)η5i5η4i4lDτ3=F3lC(3)η
