单手指关节转角运动规律的实验研究

单手指关节转角运动规律的实验研究

0多路基于摩擦的控制装置手动科学家已经成为机器人设计和灵活控制的基础。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主题。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。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副彼此连接,以产生确定的相对运动。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。我们所研究的问题是根据手功能外科解剖学的手指构造,分析手指各关节与指骨之间的相互位置关系与运动特点,从中找出手指在抓取物体过程中各个关节的运动规律,以求运用于多指灵巧手的运动与控制,以便在机器人或其他领域中得到运用。1手指关节的运动1.1掌指关节的屈曲根据手外科解剖学,我们来分析拇指和其余4指的各关节的屈伸范围。拇指掌指关节为双轴向关节,但近似屈戌关节,主要作屈伸运动。掌指关节的屈曲范围为0°～20°,后伸为5°;拇指指间关节为屈戌关节,可屈伸0°～90°;拇指外展范围0°～40°。食指、中指、无名指、小指的运动范围,即第2～5指的掌指关节的主要运动是外展、内收、屈、伸和环转,还可作有限度的被动旋转活动,我们所要研究的掌指关节屈伸为0°～90°;第2～5指的近侧指间关节屈伸0°～100°;远侧指间关节屈曲0°～90°。1.2指骨与关节的变化我们把单个手指的掌指关节以上部分作为研究对象,并对手指的指骨和关节用连杆和铰链来进行简化,建立手指抓取运动模型。单个手指抓取动作过程指骨与关节的变化示意图见图1。以食指为例,方便起见,取指尖到达物体位置为与掌指关节的运动中心平齐。设掌指、近侧指及远侧指指骨(实际为远侧指指骨延长到指尖的距离)到关节中心点的长度分别为l1、l2和l3。l0为掌指关节到抓取物体的距离。根据l0的不同,我们来研究掌指关节、近侧指关节和远侧指关节的转角θ1、θ2、θ3的变化。1.3[cos2sin2cin2cin2cin2cin2sin2cin2sin2sin2sin2sin2sin3.3sin2sin2sin2sin2sin按照食指机构的运动,建立的坐标系见图2。根据图示坐标系,可以得出手指运动时的指尖轨迹方程[xyz1]=[cosθ1-sinθ10l1cosθ1sinθ1cosθ10l1sinθ100100001]⋅[cosθ2-sinθ20l2cosθ2sinθ2cosθ20l2sinθ200100001]⋅[l3cosθ3l3sinθ301](1)⎡⎣⎢⎢⎢⎢xyz1⎤⎦⎥⎥⎥⎥=⎡⎣⎢⎢⎢⎢cosθ1sinθ100−sinθ1cosθ1000010l1cosθ1l1sinθ101⎤⎦⎥⎥⎥⎥⋅⎡⎣⎢⎢⎢⎢cosθ2sinθ200−sinθ2cosθ2000010l2cosθ2l2sinθ201⎤⎦⎥⎥⎥⎥⋅⎡⎣⎢⎢⎢⎢l3cosθ3l3sinθ301⎤⎦⎥⎥⎥⎥(1)2实验分析2.1预备考试为了获取手指在抓取过程中的运动规律,我们设计了一个实验,实验过程如下。2.1.1最佳指骨位置测定首先对食指进行X射线拍片,目的是得到第2指各指骨段的大小尺寸,以及运动关节所处位置特点。通过拍X光片,可以看到食指的指骨位置情况,并测得实验手指掌指指骨、近侧指指骨及远侧指指骨的长度分别为44mm、24mm和17mm,见图3。这样可以确定在图3所示手指机构中的连杆长度和铰链位置,通过测量得出l1、l2和l3的长度分别为45mm、27mm和23mm。2.1.2图像照片与机构位置合成模拟用手指抓取某一物体,对这一过程用数码相机的摄像功能对手指的整个抓取动作过程进行摄像。我们在一个光线比较好的场地对手指动作进行摄像,为防止图像抖动,把摄像机安装在三角架上,并通过水准尺进行调平,按每秒24幅图像进行拍摄。通过摄像机自带软件取出拍摄的图像并转存到影像格式avi文件。随后用视频软件对其进行动作位置等时间分隔剪辑,保存为静态图像格式jpg文件,并通过Photoshop对等时间间隔的每幅图像进行处理并合成。手指抓取动作影像经剪辑处理后的图片合成各等时间位置图见图4。根据前面所测量的实验手指机构的各连杆长度,绘出的手指运动过程的机构位置简图见图5。同时测量出各剪辑图中掌指关节、近侧指关节和远侧指关节的转角θ1、θ2、θ3各位置的变化数据,见表1。2.2角位偏移时间变化的分析2.2.1速度、角加速度角位移θi=θi0(tt0-12πsin2πt0t)θi=θi0(tt0−12πsin2πt0t)(2)角速度˙θi=θi0t0(1-cos2πt0t)θ˙i=θi0t0(1−cos2πt0t)(3)角加速度¨θi=2πθi0t20sin2πt0tθ¨i=2πθi0t20sin2πt0t(4)式中,i=1,2,3,分别代表掌指关节、近侧指关节和远侧指关节;θi0为三个关节转角所转过的角度;t为时间变量;t0为整个运动用时。2.2.2种运动规律比较角位移θi=10θi0(tt0)3-15θi0(tt0)4+6θi0(tt0)5θi=10θi0(tt0)3−15θi0(tt0)4+6θi0(tt0)5(5)角速度˙θi=30θi0t0(tt0)2-60θi0t0(tt0)3+30θi0t0(tt0)4(6)角加速度¨θi=60θi0t30t-180θi0t20(tt0)2+120θi0t20(tt0)3(7)这两种运动规律的角速度轨迹和角加速度轨迹均从0开始并以0结束,连续而无突变,故既无刚性冲击又无柔性冲击。比较符合手指关节运动特点。按表1中的角位移实测值与摆线运动规律及3-4-5多项式运动规律形成的曲线图进行对比。图6、图7为近侧指关节的实测值与上述两种运动规律的对照图。图中黑色的方框点代表实测值,连续的线条代表这两种运动规律所描述的曲线。从各关节转角的实测值与运动规律曲线图的对比,可以看到,实测值基本上在运动规律曲线上下变动,比较符合所描述的运动规律。因此,可以用这两种运动规律来模拟手指抓取物体过程时关节转角的运动。3柔性多元手运动规律通过上面的实验分析,我们认为,手指的运动是由手指各