人类手指抓取过程关节的运动规律研究.doc

杨庆华 张立彬 阮 健 胥 芳 鲍官军 沈建冰 浙江工业大学机械电子工程研究所 ,杭州 ,310032 摘要 :根据手指外科解剖学原理以及手指关节的运动特性 ,对单手指的抓 取运动进行了分析 ,讨论了两种常见的运动规律的角位移 、角速度和角加速度 的特点 。通过一个独特的实验 ,对手指运动过程的关节角位移进行了测定并 对单手指关节转角运动进行解析模拟和对比 ,结果表明 ,关节转角的运动符合 一定的运动规律 。研究结果对手指的运动仿真和控制具有指导意义 。 关键词 :关节 ;运动特性 ;运动规律 ;手指关节运动 中图分类号 : TH112 . 2 文章编号 : 1004 - 132 Ⅹ( 2004) 13 - 1154 - 04 杨庆华 副教授 Investigation into the Motion La w of Human Finger Joint During Gra sping Yang Qinghua Zhang Libin Ruan J ian Xu Fang Bao Guanjun Shen J ianbing Zhejiang University of Technology , Hangzhou , 310032 Abstract :Based on the hand surgery anatomy and the kinematic characteristics of finger joints , the motion range of grasping objects for single finger was analyzed. Firstly , the characteristics of angular displacement , angular velocity and angular acceleration for two typical motion laws were discussed. And then , a special experiment was designed for describing the finger’s motion. The angular displacements of joints during the procedure of motion were measured . Finally , the movements of bending angles of single finger joint were analyzed and contrasted with two mo2 tions’laws. The results show that the motions of the bending angular of joints agree well with certain motion laws. The results possess guidline value for the imitation and control of robotic finger’s motion. Key words :joint ; kinematic characteristics ;motion law ;movement of finger joint 0 引言 人手现已成为机器人学者进行机器人设计 , 实现其灵活控制的思考源泉 。为了使机器人的末 端操作器对不同形状和不同性质的物体具有抓 、 握 、夹 、拿等功能 ,目前越来越多的机器人学者对 多手指机械手感兴趣 。机器人多指手抓取和操作 的研究已经成为当今科技领域中一个重要的研究 生确定的相对运动 。常见的运动副有转动副 、移 动副 、螺旋副 、圆柱副和球面副 ,它们的约束数分 别为 5 、5 、5 、4 和 3 ,相应的自由度数目为 1 、1 、1 、2 和 3 。由于多指灵巧手各运动副中的运动变量都 要借助于各个驱动器来实现 ,而无论是转动的驱 动器或移动的驱动器又大多为一个自由度 ,所以 在多指灵巧手中所采用的运动副类型 ,实际上只 有转动副 、移动副和螺旋副三种 。移动副和螺旋 副能够获得直线运动 。而在具有相同数目运动副 的手指中 ,包含移动副或者螺旋副的手指 ,其灵巧 性比完全由转动副所组成的手指明显要差 ,灵巧 性是多指灵巧手追求的目标 ,目前手指的运动副 全部是采用转动副5 ～7 。 我们所研究的问题是根据手功能外科解剖学 主题1 ～3 。在多指手的设计 、抓取综合 、多指运动 学 、感知及控制等领域已经取得了许多进展 。灵 巧手的研制得到了机器人学者的青睐4 。 多指灵巧手的机构与其他机构一样 ,由若干 构件组成 ,构件之间则通过运动