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        人手食指抓取過程仿真與分析*

        2015-05-15 11:10:34馬永達(dá)袁銳波劉泓濱丘世因
        新技術(shù)新工藝 2015年1期
        關(guān)鍵詞:指節(jié)人手指端

        馬永達(dá),袁銳波,劉泓濱,丘世因

        (昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,云南 昆明650500)

        人手己成為機(jī)器人學(xué)者進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計,實(shí)現(xiàn)其靈活控制的思考源泉。為了使機(jī)器人的末端操作器對不同形狀和不同性質(zhì)的物體具有抓、握、夾、拿等功能,越來越多的學(xué)者對仿人形靈巧手投入了極大的關(guān)注,其主要依據(jù)為:人手經(jīng)過自然界進(jìn)化己經(jīng)成為優(yōu)化結(jié)構(gòu),是靈巧手設(shè)計的重要參照;生活中的各種工具均是按照人手使用習(xí)慣設(shè)計的,仿人形靈巧手更適合操作這些工具;仿人形靈巧手與人手具有操作一致性的特點(diǎn),可以利用人的操作經(jīng)驗實(shí)現(xiàn)控制。另外,在某些特殊領(lǐng)域,如醫(yī)療、仿人機(jī)器人和娛樂等,仿人形靈巧手具有親切感,更容易被用戶接受。仿人靈巧手的主要功能是抓持和操作物體,抓持是操作的基礎(chǔ),這就需要對人手的抓持過程進(jìn)行研究。

        就靈巧手的抓持規(guī)劃而言,實(shí)現(xiàn)主從操作的關(guān)鍵問題之一是如何將人手的抓持轉(zhuǎn)換為靈巧手的抓持,這就需要分析人手的運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu),建立人手運(yùn)動學(xué)模型,從而使人手與仿人靈巧手之間的運(yùn)動映射可以在關(guān)節(jié)空間和直角空間進(jìn)行,運(yùn)動映射空間的選擇應(yīng)取決于抓持類型。對于指端抓持,物體與手指僅在指端接觸,主要用于操作物體或?qū)ξ矬w位姿進(jìn)行微小精確調(diào)整,因此確定指端相對于物體的位置是一個重要因素,而關(guān)節(jié)位置可看成指端位置的函數(shù),由指端位置決定。所以,對于指端抓持而言,測量指端位置并進(jìn)行直角空間映射是合理的選擇。

        本文從人手解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和人手運(yùn)動學(xué)模型著手,通過識別人手食指指端在抓持過程中的位置軌跡,找出食指在抓取物體過程中各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律,利用仿人靈巧手與人手相似的特點(diǎn),借鑒人手的抓持經(jīng)驗,建立從人手到仿人靈巧手的映射關(guān)系,以求運(yùn)用到仿人靈巧手的運(yùn)動與控制,并在機(jī)器人或其他領(lǐng)域得到運(yùn)用[1-7]。

        1 食指關(guān)節(jié)的運(yùn)動

        1.1 食指結(jié)構(gòu)及其關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍

        由人手解剖學(xué)可知,食指、中指、環(huán)指和小指結(jié)構(gòu)基本相同,食指由3個指節(jié)和3個關(guān)節(jié)組成,3個指節(jié)分別為近指節(jié)、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié);3個關(guān)節(jié)分別為掌指關(guān)節(jié)、中指節(jié)關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)關(guān)節(jié)。一般認(rèn)為除拇指外,其他4個手指的結(jié)構(gòu)相同,各具有4個自由度,分別是掌指關(guān)節(jié)的屈曲和側(cè)擺自由度,中指節(jié)關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)關(guān)節(jié)的屈曲自由度。

        根據(jù)手外科解剖學(xué),下述分析食指各關(guān)節(jié)的屈伸范圍。掌指關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動是外展、內(nèi)收、屈、伸和環(huán)轉(zhuǎn),還可做有限度的被動旋轉(zhuǎn)活動,所要研究的食指掌指關(guān)節(jié)屈伸為0°~90°;近側(cè)指間關(guān)節(jié)屈曲0°~100°;遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)屈曲0°~90°。

        1.2 食指運(yùn)動學(xué)分析及建模

        把單個手指的掌指關(guān)節(jié)以上部分作為研究對象,并對手指的指骨和關(guān)節(jié)用連桿和鉸鏈進(jìn)行簡化,建立手指抓取運(yùn)動模型。取指尖在抓持過程中到達(dá)的軌跡位置為與掌指關(guān)節(jié)的運(yùn)動中心平齊的位置,設(shè)掌指、近側(cè)指及遠(yuǎn)側(cè)指指骨到關(guān)節(jié)中心點(diǎn)的長度分別為l1、l2和l3,根據(jù)指尖的運(yùn)動軌跡,研究掌指關(guān)節(jié)、近側(cè)指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)側(cè)指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角θ1、θ2和θ3的變化規(guī)律。

        按照食指機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)建立的坐標(biāo)系如圖1所示。

        圖1 食指運(yùn)動學(xué)坐標(biāo)系

        根據(jù)圖1所示坐標(biāo)系可以得到手指運(yùn)動時的指尖軌跡方程如下:

        2 試驗分析與逆運(yùn)動學(xué)計算

        2.1 試驗測量手指抓取動作的數(shù)據(jù)

        在食指靠近指尖位置做1個標(biāo)志點(diǎn),模擬用手指抓取某一物體,用數(shù)碼相機(jī)的攝像功能對手指的整個抓取動作過程進(jìn)行攝像。在光線比較好的場地對手指動作進(jìn)行攝像,為防止圖像抖動,把攝像機(jī)安裝在三角架上,并通過水準(zhǔn)尺進(jìn)行調(diào)平,按24幅/s進(jìn)行拍攝。通過攝像機(jī)自帶軟件取出拍攝的圖像并轉(zhuǎn)存到影像格式avi文件,隨后用視頻軟件對其進(jìn)行動作位置等時間分隔剪輯,保存為靜態(tài)圖像格式j(luò)pg文件,并通過AutoCAD軟件對等時間間隔的每幅圖像上的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行處理和合成。手指抓取動作影像經(jīng)剪輯處理后的圖片合成各等時間位置圖如圖2所示。根據(jù)所測的手指機(jī)構(gòu)的各連桿長度繪出的食指運(yùn)動過程的機(jī)構(gòu)位置簡圖如圖3所示。

        圖2 手指抓取動作影像圖

        圖3 食指運(yùn)動機(jī)構(gòu)位置簡圖

        2.2 根據(jù)實(shí)測軌跡進(jìn)行食指逆運(yùn)動學(xué)計算

        根據(jù)試驗測量出的一系列軌跡點(diǎn)列出逆運(yùn)動學(xué)方程見式2,用MATLAB軟件的優(yōu)化函數(shù)Fmincon進(jìn)行計算,分別計算出θ1、θ2和θ3值并擬合出θ1的曲線,如圖4所示,其表達(dá)式見式3;θ2曲線如圖5所示,其表達(dá)式見式4;θ3曲線如圖6所示,其表達(dá)式見式5。

        圖4 θ1曲線擬合圖

        式2~式5如下。

        圖5 θ2曲線擬合圖

        圖6 θ3曲線擬合圖

        3 軌跡仿真與分析

        利用SolidWorks軟件建立食指的三維模型,關(guān)節(jié)處采用轉(zhuǎn)動副連接,利用配合關(guān)系分別限定掌指關(guān)節(jié)、近側(cè)指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)側(cè)指關(guān)節(jié)的角度運(yùn)動范圍,固定掌骨部分。利用Solidworks軟件的Motion插件對建立的食指連桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動仿真,使仿真坐標(biāo)系與試驗測量軌跡坐標(biāo)系位置相同,分別在掌指關(guān)節(jié)、近側(cè)指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)側(cè)指關(guān)節(jié)添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá),選擇旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的運(yùn)動類型表達(dá)式,依次在掌指關(guān)節(jié)、近側(cè)指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)側(cè)指關(guān)節(jié)處輸入θ1、θ2、θ3的擬合函數(shù),如圖7所示。選擇“結(jié)果與圖解”功能中類別選項里的“位移/速度/加速度”選項,選定指尖點(diǎn)(見圖8)來跟蹤食指連桿機(jī)構(gòu)指尖的路徑,從而獲得仿真軌跡,如圖9所示。

        圖7 SolidWorks Motion旋轉(zhuǎn)馬達(dá)表達(dá)式編輯

        圖8 SolidWorks Motion結(jié)果與圖解編輯

        圖9 SolidWorks指尖仿真軌跡

        利用MATLAB軟件將仿真軌跡與試驗測量軌跡進(jìn)行分析,如圖10所示,可見仿真軌跡基本符合試驗軌跡的規(guī)律,平均誤差為0.125mm。

        圖10 仿真軌跡與試驗軌跡比較

        4 結(jié)語

        通過試驗與仿真結(jié)果可知,手指的運(yùn)動是由手指各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動帶動指骨的運(yùn)動來完成的,手指抓取物體時,各關(guān)節(jié)的運(yùn)動可以由一定的運(yùn)動規(guī)律來描述。研究表明式3~式5表示的運(yùn)動規(guī)律可用來描述手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動,因此可以用一定的運(yùn)動規(guī)律來控制仿人靈巧手的抓持運(yùn)動過程。借鑒人手的抓持經(jīng)驗,建立從人手到仿人靈巧手的映射關(guān)系,對仿人靈巧手的進(jìn)一步研究以及手功能康復(fù)的應(yīng)用等其他領(lǐng)域具有積極的指導(dǎo)意義。

        [1]Jau D.Telemanipulation with four fingered hand system[J].IEEE Int Conf on Rohotics and Automation,1996,3:338-343.

        [2]DS SolidWorks公司.SolidWorks Motion運(yùn)動仿真教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

        [3]高秀來,于恩華.人體解剖學(xué)[M].北京:北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社,2003.

        [4]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

        [5]劉博.人手食指運(yùn)動學(xué)建模[J].機(jī)器人,2003,29(3):214-218.

        [6]李繼婷.人手抓持識別與靈巧手的抓持規(guī)劃[J].機(jī)器人,2002,24(6):530-534.

        [7]張水德,劉廷榮.機(jī)器人多指靈巧手的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析[J].機(jī)器人,1999,21(3):234 -240.

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