虚拟手的姿态控制与变形仿真

iHandRehab应用机器人技术与虚拟现实技术对手部损伤患者进行康复训练。主动模式下的训练任务需要在虚拟环境中模拟人手抓持和释放物体的真实过程,难点集中在虚拟手与刚性物体接触时的姿态控制和局部变形计算。根据人手的组织结构和运动特征将食指和拇指简化为3指节串联机构,通过改变各关节的旋转角度来实现虚拟手的自由运动。虚拟抓持过程中以手指的运动学模型为基础,结合前后指节需要满足的约束关系确定虚拟手的最终姿态。指节和物体分别采用点壳和距离场模型进行碰撞检测,根据点壳上碰撞点的嵌入信息计算虚拟手在接触区域的局部变形量。实验结果表明:模型能够实时准确地模拟人手抓持刚性物体时的真实状态。     

4DOF仿人手概念设计与抓持能力分析

本文提出了一种4自由度仿人手的概念设计及自由度分配方案,拟通过进行自由度的合理分配,提高少自由度仿人手的抓持能力,从而解决仿人手目前面临的少自由度和高抓持性能需求的矛盾.借鉴人手抓持分类方法,分别就精度抓持、力度抓持及人手常用抓持手势、手语进行抓持规划,并利用虚拟样机技术进行抓持仿真,表明该手能够完成抓圆柱、圆锥、球及拇指与其余手指对捏等不同类型的抓持任务.同时该手还可做出握手、OK等手势以及13种聋哑人字母语的手语,表明该手具有一定的用人类手势手语方式与人交流的能力.     

具有运动耦合关节的灵巧手运动学反解

研究了具有运动耦合关节的灵巧手手指的运动学反解问题.由于关节运动耦合导致某些关节角得不到解析解,需采用数值解.为提高数值迭代速度,将多变量的数值迭代转换为单变量的迭代.仿真实验结果表明,文中提出的方法能够满足灵巧手的主从操作系统的实时性操作要求.     

人手食指运动学建模

通过分析人手解剖学结构和观察人手运动特性，提出如下观点：（1）食指指掌关节具有两个轴线垂直相交的旋转自由度，两轴线相对于手掌不同的排列顺序对应于两种不同的运动学模型，指掌关节只能是其中的一种；（2）食指指掌关节的两个自由度在运动极限位置具有相关性．通过实验测绘出人手食指的工作空间形状，将之与两种可能的食指运动学模型对应的工作空间相比较，判别出指掌关节的真实运动学结构，并验证了指掌关节极限位置上两个自由度运动相关性．在上述工作基础上建立了符合人手实际结构的手指运动学模型．     

三自由度自适应抓持仿人手的设计研究

设计完成了用于仿人形机器人上的具有自动适应被抓持物体几何特征的三自由度仿人手。论文首先设计了具有自适应抓持能力的手指机构，进一步对该手指机构各关节之间的运动耦合关系进行了分析研究，并通过虚拟样机技术验证了所设计的仿人手机构传动系统的正确性和自适应抓持的可行性，最后提出了衡量仿人手抓持能力的指标，分析了所设计的仿人手的抓持能力。所有结果都表明手指机构是合理实用的，所设计完成的仿人手达到了设计要求。     

人手抓持识别与灵巧手的抓持规划

本文研究灵巧手采用指尖抓持方式时的抓持规划方法．在相同的操作环境和操作对象下 ，由人手决定抓持接触点的位置，利用人手运动测量装置测量人手抓持位置，通过一定的映 射关系将其转换为灵巧手的抓持位置及其掌系的位姿，再根据灵巧手自身的结构通过运动学 反解确定其抓持位形．     

机器人多指手灵巧抓持规划

抓持规划是机器人灵巧手要完成预期任务所面临的一个重要问题．本文采用主从操作方式进行灵巧手的指尖抓持规划，由人手决定抓持接触点的位置， 灵巧手通过调整其手掌的位置和姿态保证各手指在人手指定的位置上抓持物体．根据灵巧手的操作特点，提出以关节灵活度来描述关节运动各向同性的能力，并据此定义灵巧手操作灵活度，作为灵巧手抓持位形性能的评价指标．以最大操作灵活度作为优化目标函数，寻求最优的抓持性能．同时，借鉴人手的抓持经验，通过主从操作方式，建立从人手到灵巧手的运动映射关系，从而为手掌位置优化问题提供合理的初值．仿真实验结果说明了文中方法的有效性．     

自适应抓持仿人手的抓持能力分析

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。     

手康复机器人钢丝绳–绳套传动系统中的摩擦补偿

在手康复机器人的钢丝绳–绳套传动系统中,钢丝绳与绳套之间的摩擦力会引起力控制过程中的动力损失,产生传动死区、滞后等现象,并且带来系统不稳定等问题,因此需要补偿摩擦力.首先推导了手指任意姿态下,钢丝绳中张力的计算公式.然后,1个手指关节上的传动模式简化如下:电动机1以位置控制模式运转,模拟关节运动;电动机2以转矩控制模式运转,补偿钢丝绳上的摩擦力.每根钢丝绳穿过绳套,绳端固定在电动机1和电动机2的输出轮上,钢丝绳两端张力之差即是摩擦力.将摩擦力转化为补偿电动机轴的等效摩擦力矩,补偿电动机以转矩控制模式运转,输出与等效摩擦力矩方向相反的转矩.假设时间间隔足够小、手指运动缓慢,利用t-1时刻的张力计算得到t时刻的等效摩擦力矩.用此迭代方法计算出不同时刻补偿电动机需要输出的补偿力矩,对钢丝绳–绳套中的摩擦力进行补偿.最后在实验平台上进行了主动康复模式实验,实验结果表明,补偿后的阻力只有补偿前的15%,该补偿方法有效.